Классификация черных дыр: > 2- 04/2003 – … The R.A.P. Project (Reviews of Astro-Ph)

Содержание

Астраномія. Зоркi

Чёрная дыра (ЧД) – итог эволюции нейтронной звезды, масса которой превышает предел Толмана – Оппенгеймера – Волкова ℳ > 2,5ℳŸ (т.е. масса исходной звезды в десятки раз превышала солнечную). В этом случае радиус звезды оказывается меньше т.н. гравитационного радиуса (или радиуса Шварцшильда), определяемого выражением

Для невращающейся ЧД гравитационный радиус определяет радиус горизонта событий – воображаемую сферу в пространстве–времени. Наблюдателю, находящемуся снаружи сферы событий, происходящее внутри этой сферы (в том числе и непосредственное электромагнитное излучение чёрной дыры) недоступно. По этой причине ЧД непосредственно не излучает («не светится»).

Аккреционный диск у предполагаемой чёрной дыры в галактике NGC 4261

Вращение ЧД деформирует горизонт событий, оставляя его размеры по порядку величины теми же.
Формально гравитационный радиус может быть рассчитан для любого массивного объекта. Так, для Солнца гравитационный радиус равен 2,95 км, для Земли – 8 мм.

В активном ядре галактики M87 находится сверхмассивная чёрная дыра

Кроме таких эволюционных ЧД теория предсказывает возможность существования первичных чёрных дыр, образовавшихся в момент образования Вселенной. Массы первичных чёрных дыр должны составлять величины порядка 1012 кг (масса Земли равна 5,98 × 1024 кг, масса Солнца – 1,99 × 1030 кг). Кроме этого, в ядрах галактик, вероятнее всего, существуют сверхмассивные чёрные дыры с массами 10
6
–108Ÿ. Чёрные дыры обнаруживаются благодаря некоторым эффектам, среди которых следует выделить образование релятивистских струй плазмы при поглощении чёрной дырой вещества (падающее на ЧД вещество ускоряется в магнитном поле звезды и выбрасывается в пространство в направлениях, совпадающих с осью магнитного диполя), гравитационное микролинзирование удалённых объектов чёрной дырой (см. раздел 7.2.5), гамма- и рентгеновские вспышки при слиянии чёрных дыр.
Your browser does not support the video tag.

Аккреция вещества на чёрную дыру

Джон Мичелл (1724 – 1793)

Представление о «классической» ЧД может быть получено в рамках механики Ньютона (впервые предположение о подобном объекте в 1784 году выдвинул английский естествоиспытатель Джон Мичелл). Для этого рассмотрим ещё раз вывод выражения для второй космической скорости. Из равенства нулю полной энергии E пробного тела m, находящегося в поле тяготения объекта массой M (0 = E = mv2/2 – GmM/r) получаем:

Таким образом, если скорость пробного тела превышает вторую космическую, то кинетическая энергия тела будет больше потенциальной, полная энергия окажется положительной, и тело сможет уйти на бесконечность относительно центральной массы М.
Если же в качестве второй космической скорости использовать скорость света c (т.е., в качестве пробного тела – фотон), то из условия, определяющего величину этой скорости, получим гравитационный радиус:

и, если радиус центрального тела меньше rg, то даже электромагнитное излучение (свет) не сможет покинуть такой объект, поскольку скорость света (скорость фотонов) для него оказывается меньше «второй космической скорости». Такой объект и называется «классической» чёрной дырой. Главная проблема подобных рассуждений заключается в том, что фотон не является классической частицей, не имеет массы и не может быть рассмотрен в рамках механики Ньютона. Для адекватного описания возникновения, существования и свойств чёрных дыр необходимо использовать общую теорию относительности (ОТО) и квантовую теорию.
Your browser does not support the video tag.

Чёрная дыра поглощает звезду

Возможность существования таких областей пространства-времени, которые обладают свойствами чёрных дыр, следует из некоторых точных решений уравнений ОТО Эйнштейна (см.

далее раздел 7.2).

Две сверхмассивные чёрные дыры в галактике NGC 1128

Стационарные решения для ЧД в рамках ОТО, дополненной известными материальными полями, характеризуются только тремя параметрами ЧД: массой (M), моментом импульса (L) и электрическим зарядом (Q), которые складываются из соответствующих характеристик вошедших в чёрную дыру при коллапсе и упавших в неё позднее тел и излучений. Любая ЧД в отсутствие внешних воздействий стремится стать стационарной. Более того, предполагается, что никаких других характеристик, кроме трёх упомянутых, у не возмущаемой снаружи чёрной дыры быть не может, что формулируется в образной теореме об «отсутствии волос» у чёрной дыры. Важнейшими решениями уравнений ОТО для чёрных дыр являются следующие: • решение Шварцшильда (1916) для сферически-симметричной невращающейся ЧД без электрического заряда; • решение Райсснера – Нордстрёма (1916, 1918) для сферически-симметричной невращающейся ЧД с зарядом; • решение Керра (1963) для вращающейся ЧД с осью симметрии без заряда; • решение Керра – Ньюмена (1965) для вращающейся ЧД с осью симметрии и зарядом (наиболее полное решение).
Все характеристики решения Шварцшильда однозначно определяются только одним параметром ЧД – её массой. Так, гравитационный радиус чёрной дыры массы определяется равенством (5.1). Нейтронные звёзды представляют собой объекты, размеры которых наиболее близки к своим радиусам Шварцшильда, но которые ещё не являются чёрными дырами. Исходя из массы ЧД и объёма, заключённого под горизонтом событий, можно определить «среднюю плотность» ЧД. С ростом массы ЧД её средняя плотность падает. Так, если ЧД с массой порядка солнечной обладает плотностью, превышающей ядерную, то сверхмассивная ЧД с массой в 109 солнечных масс обладает средней плотностью около 20 кг/м
3
, что существенно меньше плотности воды. Таким образом, чёрную дыру можно получить не только сжатием имеющегося объёма вещества, но и накоплением огромного количества материала. Для более точного описания ЧД необходим учёт наличия у них момента импульса и электрического заряда. Максимальный заряд, который может иметь невращающаяся сферически-симметричная ЧД массой M, равен Qmax ≈ 1040eM/MŸ. При превышении такого заряда гравитационное притяжение не сможет компенсировать электрическое отталкивание материи. Для вращающихся ЧД существует также предельное значение момента импульса. Для наблюдателя, находящегося на значительном расстоянии от горизонта событий ЧД падение в неё светящегося и посылающего с определённой частотой сигналы пробного объекта будет выглядеть следующим образом. Сначала удалённый наблюдатель будет видеть, что пробный объект, находясь в процессе свободного падения, постепенно разгоняется под действием сил тяжести по направлению к центру ЧД. Цвет объекта (т.е. спектр его излучения) не изменяется, а частота детектируемых наблюдателем сигналов практически постоянна.

Джет, испускаемый чёрной дырой, пробивает галактику-компаньон(система гравитационно-связанных галактик 3C321)

Когда пробный объект начнёт приближаться к горизонту событий, испускаемые объектом фотоны будут испытывать всё большее и большее красное смещение, вызванное эффектом Доплера и гравитационным замедлением времени (см. далее раздел 7.2.3): из-за высокого гравитационного потенциала вблизи горизонта событий все физические процессы с точки зрения удалённого наблюдателя будут идти всё медленнее и медленнее. Далее внешнему наблюдателю будет казаться, что пробный объект, приближаясь к горизонту событий в чрезвычайно сжатом в направлении движения виде, будет замедляться, и, в конце концов, практически остановится. Частота принимаемого сигнала будет резко уменьшаться, а длина волны испускаемого пробным объектом излучения будет стремительно расти, переходя из видимого в радио-диапазон и далее в область настолько низкочастотных электромагнитных колебаний, что зарегистрировать их будет уже невозможно.

Система 3C321

Если не учитывать конечность планковской длины (≈ 1.6 × 10–35 м), то, с точки зрения внешнего наблюдателя, пробное тело будет бесконечно долго приближаться к горизонту событий ЧД, уменьшаясь в размерах. Однако, как только расстояние между пробным объектом и горизонтом событий станет равно планковской длине, для внешнего наблюдателя объект исчезнет: масса ЧД увеличится на массу падающего тела, а, следовательно, радиус горизонта событий возрастёт, и падающее тело окажется «внутри» горизонта событий за конечное время. Подобным образом для удалённого наблюдателя будет выглядеть и процесс гравитационного коллапса звезды. Сначала внешние слои звезды устремятся к её центру, но вблизи горизонта событий они станут резко замедляться, и их излучение перейдёт в радиодиапазон. В результате этого удалённый наблюдатель увидит, что звезда погасла.
Your browser does not support the video tag.

Система 3C321

Стивен Хокинг (р. 1942)

В 1975 году английский физик-теоретик Стивен Хокинг на основе квантовых представлений предсказал возможность испускания чёрной дырой излучений (испарение ЧД или излучение Хокинга). Этот эффект основан на рождении пар «частица–античастица» из физического вакуума с внешней стороны горизонта событий ЧД. В обычных условиях такие пары очень быстро аннигилируют. Однако, присутствие высокого гравитационного потенциала может привести к тому, что одна из частиц может опуститься за горизонт событий, а вторая будет зарегистрирована внешним наблюдателем так, как будто она испущена чёрной дырой. Испускание частиц уменьшает энергию ЧД, и, следовательно, уменьшается и её масса. Таким образом, гипотетическое излучение Хокинга приводит к испарению чёрных дыр, и время их жизни оказывается конечным:

Состав излучения зависит от размера чёрной дыры: для больших ЧД оно состоит из безмассовых фотонов и лёгких нейтрино, а излучение лёгких ЧД должно содержать и более тяжёлые частицы. Спектр электромагнитного хокинговского излучения оказался в точности совпадающим с излучением абсолютно чёрного тела, что позволило приписать чёрной дыре с массой M температуру:

Чем меньше масса ЧД, тем выше её температура, а скорость испарения ЧД тем больше, чем меньше её размеры. Температура ЧД с массой, равной нескольким массам Солнца, составляет всего 0.0000001 К (максимум планковской кривой для такой температуры приходится на длину волны около 30 км), что гораздо меньше, чем температура реликтового излучения, заполняющего Вселенную (около 2.7 К). Таким образом, большие ЧД на современном этапе развития Вселенной могут только расти (поскольку испускаемое ими излучение имеет меньшую энергию, чем поглощаемое). Данный процесс продлится до тех пор, пока фотонный газ реликтового излучения в результате расширения Вселенной не остынет до температуры ЧД. Гипотетические же первичные ЧД, имевшие существенно меньшие массы, к настоящему времени должны были уже испариться. Наличие у ЧД температуры, в свою очередь, позволило создать термодинамику чёрных дыр и, в частности, определить величину энтропии S ЧД, которая оказалась пропорционально площади её горизонта событий A:

Следует отметить, что наличие в последних равенствах постоянной Планка ħ свидетельствует о квантовой природе рассматриваемых объектов. К настоящему времени излучение Хокинга не получило наблюдательных подтверждений.

Темная лошадка: ближайшую к Земле черную дыру нашли в созвездии Единорога

  • Николай Воронин
  • Корреспондент по вопросам науки

Автор фото, NASA

Ученые из Университета штата Огайо обнаружили уникальную черную дыру, побившую сразу два астрономических рекорда.

Во-первых, она расположена ближе всех прочих к нашей Солнечной системе – расстояние до нее почти втрое меньше, чем до предыдущего “рекордсмена”.

Во-вторых, из всех когда-либо открытых подобных объектов этот – самый крошечный. Настолько, что не вписывается в существующую классификацию – для нее придется придумывать новую категорию.

Разумеется, назвать черную дыру “крошечной” можно только по космическим меркам: она все равно примерно втрое тяжелее Солнца, то есть почти в миллион раз превышает по массе нашу планету.

“Близко” – когда речь о расстояниях между астрономическими объектами – понятие тоже весьма относительное. Обнаруженная черная дыра расположена в одной с нами галактике Млечный путь, в созвездии Единорога, однако от Земли ее все равно отделяют примерно 1500 световых лет.

Впрочем, по космическим меркам это действительно почти что рукой подать. Для сравнения: расположенная в центре Млечного пути сверхмассивная черная дыра Стрелец A* находится дальше от Земли примерно в 18 раз.

А на единственной в своем роде фотографии, опубликованной учеными два года назад, запечатлен горизонт событий черной дыры (Мессье 87), откуда свет шел до Земли примерно в 36 тысяч раз дольше.

Авторы открытия уже успели окрестить карликовую черную дыру Единорогом – за ее уникальность и расположение. А поскольку в английском языке созвездия носят традиционные латинские названия, заголовок опубликованной по этому поводу статьи (A Unicorn in Monoceros) представляет собой игру слов и переводится как “Единорог в Единороге”.

“То, что такую черную дыру удалось найти в нашей галактике – потрясающая новость, – заявил Би-би-си Оливер Йенрих, возглавляющий в Европейском космическом агентстве департамент астрофизических исследований. – Тем более что метод, с помощью которого она была обнаружена, может помочь найти и другие черные дыры звездной массы, которые пока не удавалось обнаружить традиционными методами”.

Что такое черная дыра?

Автор фото, ESA/Hubble, M. Kornmesser

Подпись к фото,

Обычно черные дыры выявляют благодаря их взаимодействию с другими космическими телами – например, когда она пожирает близлежащую звезду

  • Черная дыра – это область пространства-времени, сила гравитации в которой настолько велика, что покинуть ее не могут никакие объекты или волны, в том числе свет
  • Несмотря на название, черная дыра на самом деле не пуста изнутри. Напротив, она заполнена огромной массой материи, сжатой в небольшом объеме, что создает огромную силу притяжения
  • Вокруг черной дыры располагается область, называемая горизонтом событий. Это воображаемая граница в пространстве, “точка невозврата”, после пересечения которой вырваться из гравитационной ловушки уже невозможно.

Карлики и переростки

Черные дыры – самые загадочные и непостижимые астрономические объекты.

Их физические свойства, предсказанные Альбертом Эйнштейном еще в 1915 году, настолько отличаются от привычного нам мира, что не укладываются в голове.

Черную дыру сложно даже вообразить – ведь там перестают действовать все известные нам законы физики. Любые попытки рассчитать характеристики таких объектов при помощи уравнений в результате либо дают бесконечность, либо вообще теряют всякий смысл.

В теории черные дыры могут быть самого разного размера – от совсем крохотных, образовавшихся на заре существования Вселенной (их называют первичными), до настоящих исполинов, масса которых превышает солнечную в десятки миллиардов раз.

Таких сверхмассивных черных дыр (СМЧД) известно немало: они расположены в центре многих галактик, включая и наш Млечный путь. Однако до настоящего времени ученым не удавалось найти черную дыру массой меньше, чем пять солнечных.

“Открытие любой черной дыры небольшого размера – это всегда волнительно, – говорит доктор Фил Саттон, преподающий астрофизику в Университете Линкольна. – Они куда более интересны, чем их собратья-переростки, расположенные в центрах галактик, – в первую очередь за счет механизма их формирования”.

Автор фото, Science Photo Library

Подпись к фото,

Массивные объекты искривляют вокруг себя пространство и время

Учитывая относительную “легкость” открытого объекта, скорее всего, когда-то Единорог был крупной звездой, объясняет астрофизик. Особенно интересно то, что ее масса – всего втрое больше солнечной – находится буквально на грани минимально возможной для того, чтобы по окончании своего жизненного цикла звезда смогла превратиться в черную дыру.

Обычно дело обстоит так. Когда запасы топлива в недрах звезды подходят к концу, термоядерные процессы там начинают затухать – и в какой-то момент она, как выброшенный на сушу кит, перестает выдерживать собственный вес. Тогда под действием собственной гравитации звезда резко “схлопывается”, как бы проваливаясь внутрь себя, и превращается во что-то другое – а вот во что именно, зависит от ее размера и массы.

“Будь она еще меньше – и в результате бы образовалась нейтронная звезда, – продолжает доктор Саттон. – По массе такие звезды уступают черным дырам совсем немного, но при коллапсе не схлопываются до минимума, а уменьшаются примерно до размеров города. Учитывая близость к нам открытого объекта и наличие у него звезды-компаньона, с которой они образуют двойную систему, мы можем многое узнать об их эволюции”.

Впрочем, эксперт призывает не делать поспешных выводов: единственный параметр обнаруженного небесного тела, в котором ученые могут быть относительно твердо уверены, – это его масса.

Рябь по Вселенной

Однако именно масса Единорога – его самая удивительная характеристика, настаивает доктор Даррен Баскилл, преподающий астрономию в университете Сассекса.

Если нейтронная звезда образуется при коллапсе светила, масса которого превышает солнечную в 1,5-3 раза, а самые легкие черные дыры тяжелее Солнца по меньшей мере в пять раз, то что же происходит с телом промежуточной массы? Ученые склоняются ко второму варианту, но найти экспериментальное подтверждение этой гипотезы пока не удавалось.

“Наша галактика буквально напичкана черными дырами, которые образовались в результате смерти тяжелых звезд, – уверен Баскилл. – И лучший способ их обнаружить – это вести наблюдения за такими двойными системами. От черной дыры свет убежать не может – но многое мы можем узнать, наблюдая за ее звездой-компаньоном”.

Это мнение разделяет и его коллега, профессор гравитационной астрофизики Мартин Хендри.

“Уже довольно долгое время астрономы задавались вопросом – действительно ли существует такой “зазор массы”? – объясняет Хендри, возглавляющий в Университете Глазго Школу физики и астрономии. – Ведь это означало бы, что у звездных “останков” есть еще какой-то, пока неизвестный вид”.

Профессор Хендри – один из сотрудников международного проекта LIGO, которым в сентябре 2015 года удалось экспериментально подтвердить существование гравитационных волн, предсказанных еще Альбертом Эйнштейном в рамках общей теории относительности. В 2017-м это открытие было удостоено Нобелевской премии по физике.

Представьте себе гладкое как зеркало озеро, в которое прямо на ваших глазах кто-то решил швырнуть приличных размеров булыжник. Ударившись о воду, камень, конечно, тут же пойдет ко дну, а по поверхности озера от места падения начнут кругами расходиться волны.

Автор фото, NASA

Подпись к фото,

Увидеть гравитационные волны невозможно, но так они выглядят в представлении иллюстраторов НАСА

Гравитационные волны – точно такая же “рябь”, расходящаяся по ткани пространства-времени при столкновении объектов огромной массы, вроде двух черных дыр.

За прошедшие с тех пор пять с лишним лет ученым удалось зафиксировать десятки случаев, когда в результате слияния двух черных дыр Вселенную пронизывали гравитационные колебания. Но сигнал, обнаруженный в июне прошлого года, по словам профессора Хендри, поставил физиков в тупик.

Один из столкнувшихся объектов совершенно точно был компактной черной дырой, а вот о природе второго ученые спорят до сих пор: то ли это была самая тяжелая из когда-либо обнаруженных нейтронных звезд, то ли – самая легкая из когда-либо обнаруженных черных дыр. Обнаруженный по соседству Единорог дает астрономам надежду, что в этом вопросе удастся поставить точку.

Впрочем, загадывать пока рано. Не далее как в прошлом году ученые уже заявляли, что обнаружили похожий объект – причем находящийся даже еще ближе к нашей планете, на расстоянии всего 1000 световых лет.

Однако уже через несколько месяцев одна за другой были опубликованы сразу четыре работы, оспаривающие это открытие и предлагающие убедительные альтернативные объяснения сделанных измерений.

Современная феноменология нейтронных звезд и черных дыр

Курс «Современная феноменология нейтронных звезд и черных дыр» читается студентам пятого курса астрономического отделения физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

В курсе описываются основные наблюдательные данные по астрофизике нейтронных звезд и черных дыр, а также модели, описывающие эти данные. Курс основывается на последних оригинальных результатов, а потому регулярно обновляется в связи с проведение новых исследований. Первая половина курса посвящена астрофизике нейтронных звезд. Особое внимание уделяется одиночным нейтронным звездам, не являющимися радиопульсарами. Во второй части, посвященной черным дырам, рассматриваются черные дыры различных типов: как наблюдающиеся, так и предсказываемые теоретиками.

В рамках курса слушатель узнает основные астрофизические проявления нейтронных звезд и черных дыр; основные модели, описывающие свойства субпопуляций компактных объектов различных типов; научится оценивать параметры различных популяций этих объектов.

Список всех тем лекций

Лекция 1. Вводная лекция.
Нейтронные звезды История предсказания и открытия нейтронных звезд Светимость Радиопульсары: история открытия Вращение нейтронной звезды Новые типы нейтронных звезд Магнетары Некоторые свойства магнетаров Магнитное поле магнетаров

Лекция 2. Нейтронные звёзды.
Великолепная семерка Радиопульсары Вращающиеся радиотранзиенты Кальеры Эллиптичность Поиск античастиц Темпы рождения нейтронных звезд Литература Интересная история

Лекция 3. Внутренняя структура нейтронных звёзд.
Протонейтронные звезды Строение звезд Уравнение Лейна-Эмдена Астрофизические свойства нейтронных звезд Описание внутренней структуры нейтронных звезд Кора Конфигурации Соотношение массы и радиуса Экспериментальные результаты Фазовая диаграмма Доли частиц Сверхтекучесть и сверхпроводимость Кварковые звезды Гибридные звезды Пионные звезды Резюме: внутренняя структура нейтронных звезд Массы нейтронных звезд Литература

Лекция 4. Свойства нейтронных звёзд.
Литература к семинарам Основные единицы измерения, величины и понятия Давление Условия применимости нулевой температуры Оценка параметров некоторых объектов Оценка параметров нейтронных звезд Основные формулы для нейтронных звезд

Лекция 5. Массы нейтронных звезд и белых карликов.
Максимальная и минимальная масса нейтронных звезд Спектр масс Бимодальное распределение Рождение нейтронных звезд Поправки Эффект Шапиро Измерение расстояний Двойной пульсар J0737-3039 Проверка теорий гравитации Системы из нейтронной звезды и белого карлика Аккреция нейтронных звезд

Лекция 6. Рентгеновские системы.
Массы прородителей Барстеры Ограничения Эксперимент по определению радиусов нейтронных звезд: основные идеи Вращение нейтронных звезд Гравитационное линзирование Литература

Лекция 7. Наблюдаемые характеристики нейтронных звёзд.
Обзор лекции Механизм получения дополнительной скорости Литература Альтернативные механизмы образования дополнительных скоростей Доказательства в пользу механизма “кика” Механизм с нейтрино Угол между направлением скорости и осью вращения Влияние “киков” на эволюцию в двойных системах Механизм сверхновых с захватом электронов Нейтронные звезды с маленькими скоростями Нейтронные звезды с большими скоростями Скорости центральных компактных объектов Связь между скоростью нейтронной звезды и морфологией остатка Механизм раскручивания Эволюция нейтронных звезд и “кики” Распределение нейтронных звезд в галактике

Лекция 8. Глитч. Прецессия.
Дополнительная скорость Двойные системы с черными дырами Литература Свойства глитчей Сверхтекучесть в коре нейтронной звезды Альтернативная интерпретация: продолжительный глитч Свободная прецессия Литература

Лекция 9. Эволюция нейтронных звезд.
Температура Магнитовращательная эволюция нейтронных звезд Модель: магнитный ротатор Изменение угла наклона Классификация стадий Критические периоды

Лекция 10. Эволюция магнитного поля.
Равновесное состояние Аккреция одиночных нейтронных звезд Начальные периоды Заключение и литература Молодые нейтронные звезды Нагрев звезды Параметры затухания История Модели

Лекция 11. Одиночные аккрецирующие нейтронные звезды.
Обзор предыдущей лекции Холловский аттрактор Распад поля Эволюция магнитных полей Эволюция поля в магнетарах Спрятанные магнетары Литература Одиночные аккрецирующие нейтронные звезды: параметры, модели, свойства Заключение Режим аккреции с оседанием

Лекция 12. Наблюдения в радиодиапазоне.
История Модель Кордеса и Лацио Перитоны Каталог Системы наблюдения Модели Предел на массу фотона Будущие и ближайшие проекты

Лекция 13. Эволюция нейтронных звезд. Тепловая эволюция.
Тепловая эволюция Начальная эволюция нейтронных звезд Остывание нейтронных звезд Нейтринные процессы Сверхтекучесть Светимость и возрастная неопределенность Возраст Данные Появление горячих областей на поверхности нейтронной звезды

Лекция 14. Атмосфера нейтронных звезд.
Добавочное тепло Некоторые данные и примеры Фазовый переход Механизм нагревания Остывание Литература Толщина атмосферы Состав атмосферы Глубина пульсаций Великолепная семерка Нейтронные звезды без атмосферы Магнетары со слабыми полями Литература

Лекция 15. Магнетары в галактике.
Обзор лекции Магнетары в галактике Пространственное распределение магнетаров Вспышки Типы вспышек Аномальный рентгеновский пульсар Связь между аномальными рентгеновскими пульсарами и SGR Компоненты спектра Связь между пульсарами и нейтронными звездами Возникновение магнитного поля Альтернативные теории без магнетаров Модели Магнетары со слабыми полями Количество магнетаров в галактике Магнетары вне нашей галактики Магнетары и сверхновые Еще немного о происхождении магнетаров Литература

Лекция 16. Синтез.
Основные идеи Эмпирический популяционный синтез Эволюционный популяционный синтез Популяционный синтез радиопульсаров Распределение скоростей Пространственное распределение Потенциал галактики Начальное распределение по периодам и полям Радиосветимость и параметры пульсара Результаты Где рождается излучение? Другие модели Модели Метод Монте-Карло марковских цепочек Моделирование остывающих нейтронных звезд Пояс Гулда Распределение Старые нейтронные звезды Обобщения для всех видов нейтронных звезд Результаты Литература

Лекция 17. Черные дыры.
Введение Литература Типы черных дыр Что такое черная дыра Коллапс облака Падение в черную дыру Горизонты Коллапс Черная дыра в центре галактики – SAG A* Визуализация Черные дыры звездных масс Массы прародителей Распределение масс черных дыр Нейтронные звезды образованные от массивных прародителей Металличность Двойные системы Гамма-всплески и черные дыры Последняя устойчивая орбита Нейтринные сигналы Другие способы регистрации черных дыр Регистрация коллапса массивной звезды в черную дыру Заключение

Лекция 18. Одиночные черные дыры.
Основные формулы и модели Распределение общей светимости аккрециирующих одиночных черных дыр Поиски в радиодиапазоне Электрон-позитронные потоки от одиночных черных дыр Рентгеновские и аккрециирующие одиночные черные дыры Свойства Линзирование на одиночных черных дырах Близкие к нам черные дыры Заключение

Лекция 19. Рентгеновские двойные системы.
Рентгеновские двойные Парадокс Алголя Полость Роша Другие эффекты Эхотомография Сжатые двойные Эволюция нормальных звезд Взаимодействие двойных друг с другом Прародители и потомки Потеря массы и эволюция Типы близких двойных Типы немассивных рентгеновских двойных Приливные эффекты Двойные в шаровых скоплениях Звездный ветер Взрыв сверхновой Потеря орбитального момента Литература

Лекция 20. Рентгеновские системы с чёрными дырами.
Двойные системы с черными дырами Светимость систем с черными дырами Функция масс Системы: черная дыра + пульсар Системы: черная дыра + черная дыра Микроквазары Классификация состояния источников с черными дырами Спектр Диск и джеты Корреляция между рентгеновским излучением и радиоизлучением Джеты нейтронных звезд Нейтронные звезды и черные дыры Вращение черных дыр Квазипериодические осцилляции Внутренняя граница диска Двойные системы в близких галактиках Механизм образования сверхмассивных черных дыр Литература

Лекция 21. Активное ядро галактики и квазары.
Литература История Черные дыры Sgr A* Проверка ОТО Данные по Sgr A* Пузыри в центре галактики Черная дыра в М31 Спектр блазаров Фоновое излучение Аккреция Методы измерения масс сверхмассивных ЧД

Лекция 22. Сверхмассивные чёрные дыры.
Линии свермассивных ЧД Сверхмассивные ЧД там, где их быть не должно Слишком массивные ЧД Центральные ЧД в карликовых галактиках ЧД в шаровых скоплениях Корреляция массы ЧД и балджа Масса ЧД и звездная масса Мазеры Газовая кинематика Метод ревербационного картирования Измерение массы с помощью расстояния Иллюстрации Рост структур во Вселенной Образование скопления галактик Формирование первых звезд и эволюция Формирование сверхмассивных черных дыр Моделирование

Лекция 23. Эволюция чёрных дыр.
Эволюция ЧД Модели Образование черных дыр Механизм через образование сверхмассивных звезд Пределы массы Квазар “задувает” галактику Масса ЧД и темп образования звезд ЧД в дисковых и эллиптических галактиках Эволюция числа активных ядер галактик Квазары и реионизация Слияния LISA

Лекция 24. Джеты. Блазары. Микроквазары.
Литература Микроквазары Сквизеры Линзирование

Лекция 25. Первичные чёрные дыры.
Литература Частицы

Лекция 26. Горизонт.
Литература Горизонт

Темный «напарник» красного гиганта V723 Mon — вероятно, ближайшая к Земле черная дыра

Астрономы обнаружили у красного гиганта V723 Mon темного компаньона — скорее всего, это ближайшая к Земле черная дыра. Ученые сделали такой вывод после тщательного анализа данных наблюдений — причем не одного телескопа, а сразу нескольких, как наземных, так и космических.

Темный объект, обнаруженный учеными, небольшой — его масса составляет всего около 3 масс Солнца. Таким образом, это еще и одна из самых легких черных дыр, известных человеку. Конечно, в том случае, если это действительно черная дыра.

Объект изучает команда астрономов под руководством Таринду Джаясингхе (Tharindu Jayasinghe) из Университета штата Огайо. Вероятная черная дыра расположена в созвездии Единорога на расстоянии 1500 световых лет от Солнца. Ранее система была классифицирована как затменная двойная. Одно время существовала гипотеза, что в системе три звезды, но она не подтвердилась.

Современные технологии, включая математическое моделирование на основе данных наблюдений кривых блеска и других факторов, позволили сформировать реалистичную модель системы. Наиболее вероятной является теперь гипотеза о двойной системе «красный гигант — черная дыра». Интересно, что несмотря на классификацию «гигант», масса V723 Mon примерно равна массе Солнца. А вот радиус гораздо больше — около 25 солнечных радиусов.

Поскольку масса компаньона составляет 3 солнечных, то это явно не белый карлик, чья масса должна быть в два раза меньше, и не нейтронная звезда. Так что объяснение, что это черная дыра,

наиболее вероятно

. Важный момент — компаньон не поглощает вещество красного гиганта, но зато заметно (для приборов) изменяет его форму за счет приливных сил.

Ученые, правда, не исключают вероятности того, что в системе может быть две нейтронные звезды или белый карлик и нейтронная звезда. Но это гораздо более экзотичные системы, чем созданная сейчас модель. Для того, чтобы сделать окончательный вывод, астрономам придется понаблюдать за объектом еще какое-то время.

Хокинг, математика и струны: три ключевых теории о параллельных мирах

Стивен Хокинг считал, что черные дыры — это порталы в параллельные миры, а реликтовое пятно в созвездии Эридан может быть отпечатком другой реальности. Рассматриваем эту и другие теории об альтернативных вселенных

Параллельные вселенные — это миры, которые гипотетически существуют одновременно с нашим, но не обязательно похожи на него. Есть предположения, что там действуют другие законы природы или события принимают альтернативные исходы: если в нашем мире подброшенная монета упала орлом вверх, то в другой реальности — решкой.

Научные гипотезы, содержащие конкретные обоснования существования параллельных вселенных, появились только в XX веке, но философы рассуждали на эту тему еще в античности. В V веке до нашей эры в Древней Греции возникла теория атомизма. Согласно этой теории любая материя состоит из химически неделимых частиц — атомов, хаотичное столкновение которых образует параллельные миры. Философ Хрисипп, живший в III веке до нашей эры, предполагал, что Вселенная постоянно умирает и возрождается, то есть одновременно существует бесконечное множество ее состояний.

Первым физиком, который высказал предположение о существовании параллельных реальностей, стал австрийский ученый Эрвин Шредингер. В 1952 году в Дублине он прочел лекцию по квантовой механике и ввел понятие суперпозиции — явления, при котором частица одновременно находится в нескольких разных состояниях.

Позже идею о мультивселенных стали использовать писатели-фантасты. Одна из первых книг на эту тему — роман Майкла Муркока «Расколотые миры» (1963). Чтобы разобраться, могут ли параллельные миры существовать на самом деле, а не только в литературе и кино, мы рассмотрели основные теории и поговорили с российскими физиками.

Теории параллельных Вселенных

Теория Хартла — Хокинга

В 1983 году физики Стивен Хокинг и Джеймс Хартл выпустили научную работу, посвященную новой теории возникновения Вселенной. С помощью квантовой механики ученые пытались объяснить, как мир мог появиться из ничего и что было до Планковской эпохи — самого раннего этапа в его развитии.

Стивен Хокинг посвятил почти всю свою научную карьеру космологии — разделу астрономии, изучающему появление и эволюцию Вселенной. Помимо исследовательских работ, он выпустил несколько научно-популярных книг на эту тему — «Краткая история времени», «Черные дыры и молодые вселенные», «Мир в ореховой скорлупке».

Согласно теории Хартла — Хокинга изначально наш мир находился в космологической сингулярности. Это состояние, для которого характерны бесконечно высокие плотность и температура вещества. В результате Большого взрыва Вселенная расширилась, образовались галактики, звезды, планеты. Она продолжает безгранично расширяться до сих пор.

Описывая мир, Хокинг и Хартл рассматривали Вселенную как квантовую систему, которая одновременно находится в бесконечном множестве состояний. Наша реальность — лишь одно из них. Помимо нее существуют параллельные миры, которые отображают все возможные исходы любых происходивших событий.

Идея, согласно которой система может находиться в нескольких состояниях в одно и то же время, объясняется мысленным экспериментом Эрвина Шредингера — одного из основателей квантовой механики. Ученый привел пример с кошкой в непрозрачном ящике рядом с атомом радиоактивного вещества, который с одной и той же вероятностью может распасться или не распасться, и устройством, которое убивает или не убивает животное в зависимости от состояния частицы. Для наблюдателя, пока тот не откроет ящик, кошка будет в равной степени живой и мертвой, то есть одновременно находиться в двух состояниях.

Математическая гипотеза Тегмарка

Астрофизик и профессор Массачусетского технологического института **Макс Тегмарк выдвинул гипотезу о том, что наш физический мир — это математическая структура: набор физических постоянных (например, число Авогадро, массы элементарных частиц) и уравнений, описывающих фундаментальные законы природы.

Ученый считает, что все непротиворечивые математические структуры, которые можно вычислить, существуют физически. Например, в нашем мире гравитационная постоянная равна 6,67430 (15) × 10−11 Н × м² / кг−2. В параллельной вселенной это значение может быть другим, а значит, меняются решения связанных с ним уравнений.

Объединяя свою и другие теории, Тегмарк предлагает четырехуровневую классификацию миров:

  • 1-й уровень — области, которые находятся в этой вселенной, но из-за постоянного расширения пространства после Большого взрыва удаляются от нашей части мира настолько быстро, что абсолютно не влияют на нее. В них действуют привычные физические законы, но с другими первоначальными условиями.
  • 2-й уровень — вселенные-«пузыри», которые возникают из-за того, что иногда пространство расширяется более интенсивно, будто происходит небольшой взрыв. Их можно сравнить с отверстиями в хлебном мякише, которые появляются при выпечке теста. Фундаментальные законы природы в этих мирах такие же, но физические константы и элементарные частицы иные.
  • 3-й уровень — множественные квантовые состояния вселенной, о которых говорили Хокинг, Хартл и Шредингер. Могут отображать альтернативные исходы событий. В них другие физические постоянные и элементарные частицы, но такие же законы природы.
  • 4-й уровень — реальности с другими математическими структурами, которые, по версии Тегмарка, во всем отличаются от нашего мира.

Компьютерная модель вселенных-«пузырей» (Фото: sakkmesterke / Depositphotos)

Теория струн

В 1970 году Йоитиро Намбу, Хольгер Нильсен и Леонард Сасскинд независимо друг от друга выдвинули предположение о том, что не все физические частицы можно считать точечными из-за нетипичного характера их взаимодействия. Исследователи предложили рассматривать некоторые элементарные частицы (например, пионы, которые по массе меньше атома) как тонкие протяженные нити — так называемые квантовые струны.

В 1984–1986 годах произошла суперструнная революция: физики поняли, что теорией струн гипотетически можно описать взаимодействие всех элементарных частиц, а не только пионов. Возникла идея, что квантовые нити колеблются с разными частотами и задают свойства материи, как привычные нам атомы.

Согласно общепринятой теории относительности Вселенная включает в себя четыре измерения, среди которых длина, ширина, глубина и время. По теории струн измерений может быть 6, 10 и даже 26. Но мы осознаем только четыре из них. Остальные измерения сворачиваются, но в них могут помещаться параллельные вселенные. Эта концепция в упрощенной визуальной форме отражена в фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар» (2014).

Михаил Иванов, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической физики МФТИ:

«Тема параллельных миров-вселенных в художественной и научной литературе переплетена с темой множественности миров-областей в пределах одной вселенной. Если рассматривать область якобы нашей вселенной, но отстающую от нас более чем на 14 млрд световых лет (это больше расстояния, которое свет может пройти с момента Большого взрыва к настоящему времени), тут уже возможно говорить о параллельных мирах.

Исторически одним из первых источников идеи мультивселенных была многомерная геометрия. Если в пространстве больше трех измерений, в нем можно представить несколько параллельных или пересекающихся гиперплоскостей, на каждой из которых действует обычная трехмерная физика. Восходят эти идеи минимум к XIX веку.

В современной науке основные источники идеи о мультивселенных — общая теория относительности и квантовая теория.

Общая теория относительности (ОТО) описывает, как геометрия пространства-времени, которая проявляется в виде гравитационных полей, изменяется со временем и взаимодействует с материей. В ней можно сконструировать решения основных уравнений так, чтобы черная дыра оказалась воротами в параллельный мир. Но это требует существования экзотических видов материи, которые едва ли возможны.

Можно применить обобщения ОТО к многомерному пространству и прийти к допущению, что в нем живут трехмерные браны (от слова мембрана), на поверхности которых размещаются параллельные вселенные. Можно модифицировать теорию так, чтобы пространство эволюционировало, порождая практически не связанные друг с другом области, в которых законы физики будут различаться.

В квантовой теории есть концептуальные проблемы, связанные с тем, что она состоит из двух разных частей. Первая — физика того, что происходит в замкнутой системе, обособленной от внешних взаимодействий. Вторая — теория измерений, описывающая взаимодействия системы с измерительным прибором.

Последнюю старались свести к физике замкнутых систем, включая в нее измерительный прибор. Но каждый раз теория измерений возникала снова, на другом уровне: вместо измерения состояния квантовой частицы приходилось рассматривать измерение состояния стрелки прибора или даже экспериментатора. В 1957 году американский физик Хью Эверетт III заметил, что теорию измерений можно исключить из квантовой механики, но тогда окажется, что в каждом эксперименте реализуются одновременно все возможные исходы. Это позволило проинтерпретировать теорию так, что Вселенная ветвится на варианты. В них происходит все, что в принципе могло бы произойти».

Существуют ли параллельные вселенные

Идею о существовании других реальностей в научном сообществе воспринимают неоднозначно. Сторонники этой концепции — Стивен Хокинг, американские физики-теоретики Брайан Грин и Ли Смолин, американский космолог Александр Виленкин.

Аргументы за:

  • Существование черных дыр — Стивен Хокинг считал, что они могут быть тоннелями в параллельный мир. Об этом говорится в его книге «Черные дыры и молодые вселенные».
  • Существование реликтового холодного пятна — области в созвездии Эридан с необычно низким микроволновым излучением и большими размерами. Некоторые ученые считают, что оно может быть отпечатком другой вселенной.
  • Гипотетическое существование кротовых нор — «тоннелей», соединяющих отдаленные друг от друга точки пространства. Они согласуются с общей теорией относительности, но требуют существования экзотических видов материи.

Первое изображение галактики Messier 87, в центре которой находится черная дыра (Фото: Event Horizon Telescope / Wikimedia Commons)

Против идеи о параллельных вселенных выступают британский космолог Джордж Эллис, американские физики-теоретики Стивен Вайнберг и Дэвид Гросс. Их главный аргумент в том, что она ненаучна в целом. Ни одну из описанных выше теорий невозможно опровергнуть экспериментально, а значит, и доказать.

Михаил Иванов:

«В обозримом будущем мы едва ли сможем доказать существование параллельных вселенных. Многие теории основаны больше на игре ума, чем на экспериментальных фактах. Доказательство других порой требует ускорения элементарных частиц до энергии Планка (500 кг в тротиловом эквиваленте) или наблюдения за ними в течение миллиардов лет.

Более важный вопрос — удастся ли нам сформулировать квантовую теорию гравитации. Есть вероятность, что с ней мы сможем создавать параллельные вселенные, даже если раньше их не существовало».

В интервью для журнала Scientific American Джордж Эллис объяснил, что, по его мнению, ученые предложили идею о параллельных вселенных как универсальное объяснение природы нашего существования. Эту концепцию нельзя назвать неправильной, но она носит чисто философский, а не научный характер.

Станислав Алексеев, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник отдела релятивистской астрофизики Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга:

«У идеи о существовании параллельных вселенных есть несколько причин. Например, наличие черных дыр — каналов, через которые гипотетически энергия попадает из нашего мира в другой. Противоположные им белые дыры, существование которых не доказано, но допускается, могут быть источниками излучения из параллельных вселенных.

С точки зрения космологии, наличие других вселенных — возможность нарушить закон сохранения энергии, показав каналы, через которые она может убывать и прибывать. Это могло бы объяснить проблему космических лучей, энергия которых выше теоретического верхнего предела, без нарушения лоренц-инвариантности — свойства физической величины оставаться неизменной при преобразованиях.

Для доказательства или выбора одной из вышеописанных теорий не хватает экспериментальных, наблюдательных данных. В настоящее время во всех проектах общая теория относительности (ОТО) подтверждается с высокой точностью, но возможно, что в будущем удастся экспериментально выйти за ее границы».

Как современная наука изучает возможность существования параллельных Вселенных

В 1998 году во время наблюдения за сверхновыми звездами была обнаружена темная энергия. Это форма энергии, которая заполняет пустое пространство и действует противоположно гравитации, то есть отталкивает тела, а не притягивает их. За счет нее Вселенная расширяется с ускорением.

Ученые из Даремского и Сиднейского университетов создали компьютерную модель развития Вселенной и пришли к выводу, что в нашем мире относительно мало темной энергии. Согласно теориям возникновения Вселенной, ее должно было быть настолько много, что галактики и звезды не могли сформироваться, а жизнь не появилась бы.

В 2015 году в научном издании The International Journal of Physics вышла статья ученого А. А. Антонова о том, что темная энергия может быть признаком существования других вселенных. Для проверки этой и других теорий, связанных с темной энергией, ученые Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, США, создали прибор Dark Energy Spectroscopic Instrument, который исследует электромагнитные спектры далеких галактик. Впервые он начал работу в 2019 году.

“Спектр-РГ” откроет три миллиона черных дыр и изучит хребет Галактики

https://ria.ru/20191222/1562661002.html

“Спектр-РГ” откроет три миллиона черных дыр и изучит хребет Галактики

“Спектр-РГ” откроет три миллиона черных дыр и изучит хребет Галактики – РИА Новости, 23.12.2019

“Спектр-РГ” откроет три миллиона черных дыр и изучит хребет Галактики

Российская орбитальная обсерватория “Спектр-РГ” провела пробное сканирование и в ближайшее время начнет обзор всего неба. Это единственный на сегодня… РИА Новости, 23.12.2019

2019-12-22T08:00

2019-12-22T08:00

2019-12-23T10:59

наука

уссурийск

германия

москва

рашид сюняев

институт космических исследований

радиоастрон

спектр-рг

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21. img.ria.ru/images/156259/73/1562597388_0:47:1116:675_1920x0_80_0_0_cb3ee1d79385a33f3b9e50b6810b357f.jpg

МОСКВА, 22 дек — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Российская орбитальная обсерватория “Спектр-РГ” провела пробное сканирование и в ближайшее время начнет обзор всего неба. Это единственный на сегодня современный инструмент астрофизических наблюдений в рентгеновском и гамма диапазонах, позволяющий с беспрецедентным разрешением разглядеть объекты в плоскости Галактики, ее центральную часть, открыть звездные и галактические скопления, квазары, пульсары и остатки сверхновых, увидеть три миллиарда черных дыр, подобраться ближе к тайне темной материи. О работе и научных задачах “Спектр-РГ” ученые рассказали на конференции “Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра”, прошедшей на днях в Институте космических исследований РАН.Между Солнцем и Землей”Эта история началась в 1987 году, когда страна отмечала 30-ю годовщину запуска первого спутника Земли. Ученые получили разрешение провести в нашем институте международную конференцию и запланировали построить аппараты, которые прославят СССР. Один из них — “Радиоастрон” (работал на орбите в 2011-2019 годах. — Прим. ред.), второй — “Спектр-РГ”. Начать проект помогали Андрей Сахаров, Яков Зельдович”, — рассказывает Рашид Сюняев, научный руководитель “Спектр-РГ” и отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН.К созданию аппарата привлекли множество советских и зарубежных организаций, но в 2003 году, когда значительная часть приборов была готова, проект закрыли.”Это была огромная драма”, — вспоминает Сюняев.Через несколько лет удалось добиться возобновления работ. Технологический прогресс позволил создать гораздо более совершенные приборы.”Спектр-РГ” несет на борту два телескопа — российский АРТ-ХС (разработан под руководством Михаила Павлинского) и eROSITA, сконструированный в кооперации с учеными из Института внеземной физики Общества имени Макса Планка (Германия). Первый работает в диапазоне жесткого рентгеновского излучения — пять-тринадцать килоэлектронвольт, второй — в более мягком рентгене (0,3-11 килоэлектронвольт). Его спектральное и угловое разрешение в 25-30 раз больше, чем спутника предыдущего поколения ROSAT, работавшего на орбите в 1990-1998 годах. Запуск “Спектр-РГ” откладывали четыре раза. Старт состоялся 13 июля 2019 года. За три месяца аппарат преодолел 1,5 миллиона километров и сейчас вращается по круговой орбите вокруг второй точки Лагранжа (L2). Так называют орбиты, на которых силы притяжения Земли и Солнца, действующие на крошечный аппарат, и центробежная силы скомпенсированы. Аппарат находится в таком положении, что всегда видит Землю и Солнце, поэтому нет проблем со связью и зарядом солнечных батарей. Здесь снижено влияние магнитного поля Земли и ее радиационных поясов.Связь с “Спектр-РГ” поддерживают телескопы в Подмосковье и Уссурийской астрофизической обсерватории — самой южноширотной в России.”Каждый день сотрудники ИКИ РАН и НПО имени Лавочкина управляют спутником, принимают и отправляют множество команд”, — сообщил ученый.”Спектр-РГ” уже выполнил пробные сканирования неба и получил очень подробные изображения в рентгеновском диапазоне. Сейчас идет калибровка приборов, через несколько месяцев данные будут направлены научным группам для анализа. За четыре года предстоит сделать восемь полных обзоров неба. Еще два с половиной года аппарат будет работать в режиме обсерватории, наблюдая самые яркие объекты, такие как активные ядра галактик.Хребет Галактики и звуковые волны ВселеннойУченые продемонстрировали первые изображения, созданные по данным телескопов АРТ-ХС и eROSITA. Среди них — снимок ближайшего к нам скопления галактик в созвездии Волосы Вероники (“Кома”) — любимого объекта многих астрономов. Чем ярче цвет — тем выше плотность вещества. В самом центре она в 500 раз превышает среднюю плотность вещества во Вселенной. Порядка 80 процентов скопления занимает темная материя, пока недоступная для наблюдений.Получено первое изображение хребта нашей Галактики — так называют структуру Млечного пути в рентгеновском диапазоне вдоль галактической плоскости. На нем примерно две тысячи источников: множество молодых звезд в зонах активного звездообразования, кандидаты в одиночные нейтронные звезды, ударные волны от вспышек сверхновых. Красный цвет на снимке означает самые холодные, по галактическим меркам, сгустки газа с температурой порядка 300-500 тысяч градусов Кельвина. Зеленый и синий дают рентгеновские источники с температурой в многие десятки миллионов градусов. Темные участки — области, скрытые от наблюдения пылью, поглощающей рентгеновское излучение.”Это грандиозная вещь. Мы очень радуемся этим результатам”, — отметил Рашид Сюняев.Одна из основных космологических мишеней “Спектр-РГ” — дыра Локмана. Так называют область неба размером примерно 20 квадратных градусов без облаков нейтрального водорода, что делает ее прозрачной для наблюдения внегалактических объектов. Первые же изображения позволили ученым насчитать шесть с половиной тысяч рентгеновских источников, видимых через эту дыру. Среди них — 500 звезд, 150 скоплений и групп галактик. Это в два с лишним раза детальнее, чем дают другие инструменты.eROSITA наблюдал двойную систему ss433, ярко излучающую в рентгеновском диапазоне. Ученые полагают, что это пара из черной дыры и нейтронной звезды. Они создают картину спирально закрученных рукавов — джетов, через которые вытекает вещество с быстротой, равной 0,26 скорости света. На полученном снимке хорошо различимы ударные волны.Следующая добыча — движущийся со скоростью одна тысяча километров в секунду пульсар PSR B1509-58 с окружающей его туманностью. Он находится на расстоянии 17 тысяч световых лет от Земли, но благодаря рентгеновскому излучению мы можем его видеть.”Спектр-РГ” работает в тесном контакте с наземными телескопами. Обнаружив очень яркие интересные объекты, ученые из ИКИ РАН передают их астрономам, ведущим наблюдения. Так, с помощью 1,6-метрового телескопа АЗТ-33ИК Саянской обсерватории Института солнечно-земной физики Иркутского научного центра СО РАН уже сделаны снимки, подтверждающие открытие двух очень далеких квазаров в дыре Локмана. Программы наблюдений наиболее интересных кандидатов одобрены на БТА САО РАН в Нижнем Архызе и российском телескопе, установленном в Турции, — РТТ-150.Ученые надеются с помощью “Спектр-РГ” наблюдать барионные акустические осцилляции — звуковые волны, возникшие на самом раннем этапе эволюции Вселенной и до сих пор гуляющие по наблюдаемому веществу. Как рассказал Рашид Сюняев, их амплитуда будет заметнее на больших масштабах, если за узлы космической паутины принять скопления галактик.Согласно подсчетам, чтобы обнаружить этот феномен на уровне достоверности четырех-пяти сигма, нужно сто тысяч скоплений с массой больше, чем 3×1014 масс Солнца. Именно столько есть в наблюдаемом нами космосе. Далеко не все они открыты, и eROSITA восполнит этот пробел.

https://ria.ru/20191022/1560076962.html

уссурийск

германия

москва

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2019

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected] ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/156259/73/1562597388_79:0:1039:720_1920x0_80_0_0_8f34c3718cccc0a89635cfc27c55356e.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

уссурийск, германия, москва, рашид сюняев, институт космических исследований, радиоастрон, спектр-рг, яков зельдович

МОСКВА, 22 дек — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Российская орбитальная обсерватория “Спектр-РГ” провела пробное сканирование и в ближайшее время начнет обзор всего неба. Это единственный на сегодня современный инструмент астрофизических наблюдений в рентгеновском и гамма диапазонах, позволяющий с беспрецедентным разрешением разглядеть объекты в плоскости Галактики, ее центральную часть, открыть звездные и галактические скопления, квазары, пульсары и остатки сверхновых, увидеть три миллиарда черных дыр, подобраться ближе к тайне темной материи. О работе и научных задачах “Спектр-РГ” ученые рассказали на конференции “Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра”, прошедшей на днях в Институте космических исследований РАН.

Между Солнцем и Землей

“Эта история началась в 1987 году, когда страна отмечала 30-ю годовщину запуска первого спутника Земли. Ученые получили разрешение провести в нашем институте международную конференцию и запланировали построить аппараты, которые прославят СССР. Один из них — “Радиоастрон” (работал на орбите в 2011-2019 годах. — Прим. ред.), второй — “Спектр-РГ”. Начать проект помогали Андрей Сахаров, Яков Зельдович”, — рассказывает Рашид Сюняев, научный руководитель “Спектр-РГ” и отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН.

К созданию аппарата привлекли множество советских и зарубежных организаций, но в 2003 году, когда значительная часть приборов была готова, проект закрыли.

“Это была огромная драма”, — вспоминает Сюняев.

Через несколько лет удалось добиться возобновления работ. Технологический прогресс позволил создать гораздо более совершенные приборы.

“Спектр-РГ” несет на борту два телескопа — российский АРТ-ХС (разработан под руководством Михаила Павлинского) и eROSITA, сконструированный в кооперации с учеными из Института внеземной физики Общества имени Макса Планка (Германия). Первый работает в диапазоне жесткого рентгеновского излучения — пять-тринадцать килоэлектронвольт, второй — в более мягком рентгене (0,3-11 килоэлектронвольт). Его спектральное и угловое разрешение в 25-30 раз больше, чем спутника предыдущего поколения ROSAT, работавшего на орбите в 1990-1998 годах.

Запуск “Спектр-РГ” откладывали четыре раза. Старт состоялся 13 июля 2019 года. За три месяца аппарат преодолел 1,5 миллиона километров и сейчас вращается по круговой орбите вокруг второй точки Лагранжа (L2). Так называют орбиты, на которых силы притяжения Земли и Солнца, действующие на крошечный аппарат, и центробежная силы скомпенсированы. Аппарат находится в таком положении, что всегда видит Землю и Солнце, поэтому нет проблем со связью и зарядом солнечных батарей. Здесь снижено влияние магнитного поля Земли и ее радиационных поясов.

22 октября 2019, 16:31НаукаПостроенную “Спектр-РГ” карту Вселенной обнародуют через шесть лет

Связь с “Спектр-РГ” поддерживают телескопы в Подмосковье и Уссурийской астрофизической обсерватории — самой южноширотной в России.

“Каждый день сотрудники ИКИ РАН и НПО имени Лавочкина управляют спутником, принимают и отправляют множество команд”, — сообщил ученый.

“Спектр-РГ” уже выполнил пробные сканирования неба и получил очень подробные изображения в рентгеновском диапазоне. Сейчас идет калибровка приборов, через несколько месяцев данные будут направлены научным группам для анализа. За четыре года предстоит сделать восемь полных обзоров неба. Еще два с половиной года аппарат будет работать в режиме обсерватории, наблюдая самые яркие объекты, такие как активные ядра галактик.

Хребет Галактики и звуковые волны Вселенной

Ученые продемонстрировали первые изображения, созданные по данным телескопов АРТ-ХС и eROSITA. Среди них — снимок ближайшего к нам скопления галактик в созвездии Волосы Вероники (“Кома”) — любимого объекта многих астрономов. Чем ярче цвет — тем выше плотность вещества. В самом центре она в 500 раз превышает среднюю плотность вещества во Вселенной. Порядка 80 процентов скопления занимает темная материя, пока недоступная для наблюдений.

Получено первое изображение хребта нашей Галактики — так называют структуру Млечного пути в рентгеновском диапазоне вдоль галактической плоскости. На нем примерно две тысячи источников: множество молодых звезд в зонах активного звездообразования, кандидаты в одиночные нейтронные звезды, ударные волны от вспышек сверхновых.

Красный цвет на снимке означает самые холодные, по галактическим меркам, сгустки газа с температурой порядка 300-500 тысяч градусов Кельвина. Зеленый и синий дают рентгеновские источники с температурой в многие десятки миллионов градусов. Темные участки — области, скрытые от наблюдения пылью, поглощающей рентгеновское излучение.

“Это грандиозная вещь. Мы очень радуемся этим результатам”, — отметил Рашид Сюняев.

Одна из основных космологических мишеней “Спектр-РГ” — дыра Локмана. Так называют область неба размером примерно 20 квадратных градусов без облаков нейтрального водорода, что делает ее прозрачной для наблюдения внегалактических объектов. Первые же изображения позволили ученым насчитать шесть с половиной тысяч рентгеновских источников, видимых через эту дыру. Среди них — 500 звезд, 150 скоплений и групп галактик. Это в два с лишним раза детальнее, чем дают другие инструменты.

eROSITA наблюдал двойную систему ss433, ярко излучающую в рентгеновском диапазоне. Ученые полагают, что это пара из черной дыры и нейтронной звезды. Они создают картину спирально закрученных рукавов — джетов, через которые вытекает вещество с быстротой, равной 0,26 скорости света. На полученном снимке хорошо различимы ударные волны.

Следующая добыча — движущийся со скоростью одна тысяча километров в секунду пульсар PSR B1509-58 с окружающей его туманностью. Он находится на расстоянии 17 тысяч световых лет от Земли, но благодаря рентгеновскому излучению мы можем его видеть.

“Спектр-РГ” работает в тесном контакте с наземными телескопами. Обнаружив очень яркие интересные объекты, ученые из ИКИ РАН передают их астрономам, ведущим наблюдения. Так, с помощью 1,6-метрового телескопа АЗТ-33ИК Саянской обсерватории Института солнечно-земной физики Иркутского научного центра СО РАН уже сделаны снимки, подтверждающие открытие двух очень далеких квазаров в дыре Локмана.

Программы наблюдений наиболее интересных кандидатов одобрены на БТА САО РАН в Нижнем Архызе и российском телескопе, установленном в Турции, — РТТ-150.

Ученые надеются с помощью “Спектр-РГ” наблюдать барионные акустические осцилляции — звуковые волны, возникшие на самом раннем этапе эволюции Вселенной и до сих пор гуляющие по наблюдаемому веществу. Как рассказал Рашид Сюняев, их амплитуда будет заметнее на больших масштабах, если за узлы космической паутины принять скопления галактик.

Согласно подсчетам, чтобы обнаружить этот феномен на уровне достоверности четырех-пяти сигма, нужно сто тысяч скоплений с массой больше, чем 3×1014 масс Солнца. Именно столько есть в наблюдаемом нами космосе. Далеко не все они открыты, и eROSITA восполнит этот пробел.

Американские учёные составили периодическую таблицу орбит вокруг чёрных дыр

Догадки, сделанные учёными помогут специалистам в поиске гравитационных волн, ряби в ткани пространства-времени, вызванной движением массивных объектов, таких, как, например, двойных чёрных дыр.

Вдали от подобных объектов, другие тела будут обращаться вокруг них по орбитам, подобным тем, по которым движется Земля и другие планеты Солнечной системы. Вблизи, однако, теория относительности предсказывает несколько иное поведение обращающихся тел, так как чёрные дыры искажают ткань пространства-времени вокруг себя. Например, космическое тело может обращаться по вытянутой орбите, затем совершить один-два витка очень близко к чёрной дыре и снова выйти на вытянутую орбиту, однако она уже будет отличаться от прежней. В сущности, каждый раз такие объекты будут двигаться по разным траекториям, друг друга не повторяющим.

Найти какие-либо закономерности в этом движении казалось невозможным, однако Жанне Левин и Гейбу Перес-Гису из Университета Колумбии в Нью-Йорке удалось их выявить.

Учёные исходили из того, что любую неповторяющуюся орбиту, по которой вокруг чёрной дыры движется реальный объект, можно представить в виде суммы “идеальных”, повторяющихся орбит, каждая из которых незначительно отличается от реальной траектории. Для примера можно представить себе объект, который движется по эллиптической орбите, где каждый следующий виток незначительно отличается от предыдущего: таким образом можно смоделировать структуру, подобную 10 миллионам перекрывающих друг друга эллипсам.

Этот подход позволил исследователям организовать сгруппировать все возможные пути вращения и составить своего рода периодическую таблицу обращений космических тел вокруг чёрных дыр. Предполагается, что такая классификация может помочь астрофизикам в выявлении гравитационных волн – возмущений пространства-времени, производимых, в частности, сверхмассивными объектами, такими, как чёрные дыры. Несмотря на продолжающиеся с 1970-х годов поиски, эти волны так никогда и не удавалось наблюдать напрямую.

Источник: Компьюлента

Что такое черная дыра?

Черные дыры – это точки в космосе, которые настолько плотны, что создают глубокие опускания гравитации. За пределами определенной области даже свет не может избежать мощного притяжения черной дыры. И все, что находится слишком близко – будь то звезда, планета или космический корабль – будет растягиваться и сжиматься, как замазка, в теоретическом процессе, метко известном как спагеттификация.

Есть четыре типа черных дыр: звездные, промежуточные, сверхмассивные и миниатюрные. Самый известный способ образования черной дыры – звездная смерть.Когда звезды достигают конца своей жизни, большинство из них раздувается, теряет массу, а затем остывает, образуя белых карликов. Но самые большие из этих огненных тел, которые, по крайней мере, в 10-20 раз массивнее нашего Солнца, суждено стать либо сверхплотными нейтронными звездами, либо так называемыми черными дырами звездной массы.

В центре нашей галактики вспыхивает сверхмассивная черная дыра. Узнайте о типах черных дыр, о том, как они образуются и как ученые открыли эти невидимые, но необычные объекты в нашей Вселенной.

На заключительной стадии огромные звезды с треском гаснут массивными взрывами, известными как сверхновые. Такой взрыв выбрасывает звездное вещество в космос, но оставляет за собой звездное ядро. Пока звезда была жива, ядерный синтез создавал постоянный внешний толчок, который уравновешивал притяжение внутренней силы тяжести от собственной массы звезды. Однако в звездных остатках сверхновой больше нет сил, противодействующих этой гравитации, поэтому ядро ​​звезды начинает коллапсировать само.

Если его масса коллапсирует в бесконечно малую точку, рождается черная дыра.Упаковка всей этой массы – во много раз превышающей массу нашего собственного Солнца – в такую ​​крошечную точку придает черным дырам их мощное гравитационное притяжение. Тысячи этих черных дыр звездной массы могут скрываться в нашей галактике Млечный Путь.

Одна черная дыра не похожа на другие

Сверхмассивные черные дыры, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна, могут иметь массу, равную миллиардам солнц; эти космические монстры, вероятно, прячутся в центрах большинства галактик. В центре Млечного Пути находится собственная сверхмассивная черная дыра, известная как Стрелец A * (произносится как «ай-звезда»), которая более чем в четыре миллиона раз массивнее нашего Солнца.

Самые крошечные члены семейства черных дыр пока что теоретические. Эти маленькие вихри тьмы, возможно, ожили вскоре после того, как Вселенная сформировалась в результате Большого взрыва, примерно 13,7 миллиарда лет назад, а затем быстро испарилась. Астрономы также подозревают, что во Вселенной существует класс объектов, называемых черными дырами промежуточной массы, хотя доказательства их существования пока остаются спорными.

Независимо от своего начального размера, черные дыры могут расти на протяжении всей своей жизни, поглощая газ и пыль от любых объектов, которые подбираются слишком близко. Все, что выходит за горизонт событий, точку, в которой побег становится невозможным, теоретически предназначено для спагеттификации благодаря резкому увеличению силы гравитации при падении в черную дыру.

Как однажды описал этот процесс астрофизик Нил Деграсс Тайсон: «Пока вы растягиваетесь, вас сжимают – вытесняют через ткань пространства, как зубная паста через тюбик».

Но черные дыры – это не совсем «космические пылесосы», как это часто изображается в популярных СМИ.Объекты должны подползти довольно близко к одному, чтобы проиграть это гравитационное перетягивание каната. Например, если бы наше Солнце внезапно заменила черная дыра аналогичной массы, наша планетарная семья продолжала бы вращаться по орбите без возмущений, если бы она была гораздо менее теплой и освещенной.

Вглядываясь в темноту

Поскольку черные дыры поглощают весь свет, астрономы не могут обнаружить их напрямую, как многие сверкающие космические объекты в небе. Но есть несколько ключей, которые показывают присутствие черной дыры.

Например, сильная гравитация черной дыры притягивает любые окружающие объекты. Астрономы используют эти беспорядочные движения, чтобы сделать вывод о присутствии невидимого монстра, который прячется поблизости. Или объекты могут вращаться вокруг черной дыры, и астрономы могут искать звезды, которые, кажется, не вращаются вокруг ничего, чтобы обнаружить вероятного кандидата. Так в начале 2000-х астрономы в конце концов определили Стрельца A * как черную дыру.

Черные дыры тоже едят грязь, что часто выдает их местонахождение. Когда они потягивают окружающие звезды, их массивные гравитационные и магнитные силы перегревают падающий газ и пыль, заставляя их излучать излучение.Часть этой светящейся материи окружает черную дыру в области вращения, называемой аккреционным диском. Даже вещество, которое начинает падать в черную дыру, не обязательно надолго. Черные дыры иногда могут выбрасывать падающую звездную пыль в виде мощной радиационной нагрузки.

Черная дыра | COSMOS

Черная дыра – это область пространства, внутри которой сила тяжести настолько велика, что ничто, даже свет, не может ускользнуть.

Основная структура черной дыры состоит из сингулярности, скрытой горизонтом событий.В пределах горизонта событий скорость убегания ( v esc ) превышает скорость света ( c ), и объект оказывается в ловушке навсегда. За пределами горизонта событий v esc c , и объект может убежать.

О существовании таких объектов впервые предположили еще в конце 1700-х годов. Однако именно Карл Шварцшильд (1873-1916), немецкий астроном, в основном разработал современную идею черной дыры. Используя общую теорию относительности Эйнштейна, Шварцшильд обнаружил, что материя, сжатая до точки (теперь известной как сингулярность), будет заключена в сферическую область пространства, из которой ничто не может выйти.Граница этой области называется горизонтом событий, что означает, что невозможно наблюдать какое-либо событие, происходящее внутри нее (поскольку информация не может выйти наружу).

Для невращающейся черной дыры радиус горизонта событий известен как радиус Шварцшильда и отмечает точку, в которой скорость убегания из черной дыры равна скорости света. Теоретически любую массу можно сжать в достаточной степени, чтобы образовалась черная дыра. Единственное требование – чтобы его физический размер был меньше радиуса Шварцшильда.Например, наше Солнце стало бы черной дырой, если бы его масса находилась в сфере диаметром около 2,5 км.

На горизонте событий находится сердце черной дыры – сингулярность. Все в пределах горизонта событий необратимо тянется к этой точке, где кривизна пространства-времени становится бесконечной, а гравитация бесконечно сильной. Интересная дилемма для астрофизиков состоит в том, что физические условия вблизи сингулярности приводят к полному нарушению законов физики.Однако в общей теории относительности нет ничего, что мешало бы существовать изолированным или «голым» сингулярностям. Чтобы избежать ситуации, когда мы действительно могли бы увидеть, как происходит нарушение физики, была выдвинута гипотеза космической цензуры. Это гласит, что у каждой сингулярности должен быть горизонт событий, который скрывает ее от взора – именно то, что мы находим для черных дыр.

Черные дыры полностью характеризуются всего тремя параметрами: массой, вращением и зарядом. В настоящее время считается, что существует четыре основных типа черных дыр, если их классифицировать по массе:

  1. Изначальные черные дыры имеют массу, сравнимую с массой Земли или меньше нее.Эти чисто гипотетические объекты могли образоваться в результате гравитационного коллапса областей высокой плотности во время Большого взрыва.
  2. Черные дыры звездной массы имеют массу от 4 до 100 солнечных масс и являются результатом коллапса ядра массивной звезды в конце ее жизни.
  3. Черные дыры средней массы из 10 2 и 10 5 солнечных масс также могут существовать. Первой хорошей IMBH является рентгеновский источник HLX-1, видимый в проекции около центра S0-галактики ESO 243-49.
  4. Сверхмассивные черные дыры весят от 10 5 до 10 10 масс Солнца и находятся в центрах большинства крупных галактик.

В качестве альтернативы черные дыры можно классифицировать по двум другим их свойствам вращения и заряда:

  1. Черная дыра Шварцшильда , также известная как «статическая черная дыра», не вращается и не имеет электрического заряда. Он характеризуется исключительно своей массой.
  2. Черная дыра Керра – более реалистичный сценарий.Это вращающаяся черная дыра без электрического заряда.
  3. Заряженная черная дыра бывает двух типов. Заряженная невращающаяся черная дыра известна как черная дыра Рейсснера-Нордстрема, заряженная вращающаяся черная дыра называется черной дырой Керра-Ньюмана.

Согласно классической общей теории относительности, после создания черной дыры она будет существовать вечно, поскольку ничто не может избежать ее. Однако, если принять во внимание квантовую механику, окажется, что все черные дыры в конечном итоге испарятся, поскольку они медленно пропускают излучение Хокинга.Это означает, что время жизни черной дыры зависит от ее массы, причем черные дыры меньшего размера испаряются быстрее, чем более крупные. Например, для испарения черной дыры массой в 1 солнечную требуется 10 67 лет (намного дольше, чем нынешний возраст Вселенной), в то время как черная дыра массой всего 10 11 кг испарится за 3 миллиарда лет.

Черные дыры обнаруживаются путем наблюдения высокоэнергетических явлений и движений близлежащих объектов. Этот график орбитального движения звезды S2 вокруг центра Млечного Пути дает убедительные доказательства существования сверхмассивной черной дыры (~ 3 миллиона солнечных масс) в центре нашей галактики.
Кредит: ESO

Наблюдательные доказательства наличия черных дыр, конечно, получить непросто. Поскольку излучение не может избежать экстремального гравитационного притяжения черной дыры, мы не можем обнаружить их напрямую. Вместо этого мы делаем вывод об их существовании, наблюдая высокоэнергетические явления, такие как рентгеновское излучение и струи, а также движения близлежащих объектов на орбите вокруг скрытой массы. Дополнительная сложность заключается в том, что аналогичные явления наблюдаются вокруг менее массивных нейтронных звезд и пульсаров.Следовательно, идентификация как черная дыра требует, чтобы астрономы оценили массу объекта и его размер. Черная дыра подтверждена, если никакой другой объект или группа объектов не могут быть такими массивными и компактными.


Черная дыра: определение и типы

Типы черных дыр

Первая классификация черных дыр связана с тем, вращаются они или нет. Невращающиеся черные дыры называются черными дырами Шварцшильда .Эти черные дыры имеют невращающиеся ядра и обладают двумя основными свойствами: сингулярностью и горизонтом событий. Сингулярность – это просто название схлопнувшегося ядра черной дыры. Горизонт событий – это воображаемая сфера, окружающая черную дыру, которая также определяется как отверстие черной дыры. Вращающиеся черные дыры называются черными дырами Керра, . Эти черные дыры вращаются, потому что объект, который коллапсировал в черную дыру, изначально вращался.Эти черные дыры обладают следующими свойствами: сингулярность, горизонт событий, эргосфера и статический предел. Эргосфера представляет собой область искаженного пространства вокруг вращающейся черной дыры и обычно имеет форму яйца. Когда черная дыра вращается, она перетаскивает пространство вокруг себя, образуя эту область. Статический предел – это граница между эргосферой и нормальным пространством.

Существует еще одна классификация черных дыр, которая включает три типа: звездные, сверхмассивные и микрочерные черные дыры. Stellar черные дыры образованы из массивных звезд. По мере того как звезда стареет, происходит битва между гравитацией, толкающей внутрь, и давлением излучения из-за ядерных реакций внутри звезды, толкающих наружу. Когда эти звезды умирают, их внешняя область в основном состоит из железа. Радиационное давление вызывает мощный взрыв, который мы называем сверхновой . Этот взрыв сбрасывает внешнюю оболочку умирающей звезды, покидая ее ядро. Затем гравитация коллапсирует это ядро ​​в сингулярность, но только если ядро ​​было достаточно массивным (более чем в 10 раз больше Солнца).В результате получается то, что мы называем звездной черной дырой.

Сверхмассивные черных дыр в основном существуют в центрах галактик. Сюда входит наша собственная галактика Млечный Путь. Они могут иметь массу, эквивалентную миллиардам солнц. К сожалению, ученые до сих пор не знают, как образуются эти сверхмассивные черные дыры, хотя есть предположение, что они образовались в результате коллапса больших звездных скоплений. Также возможно, что они могут возникнуть в результате образования галактик. Поскольку они находятся в центрах галактик и около миллиардов звезд, эти черные дыры становятся больше по мере поглощения окружающей материи.На рисунке ниже показан пример звездной черной дыры (слева) и сверхмассивной черной дыры (справа).

Звездные против сверхмассивных черных дыр

Наконец, есть микро черных дыр. Фактически никогда не наблюдаемые, эти черные дыры имеют массу меньше Солнца. Предполагается, что эти черные дыры образовались во время Большого взрыва.

Краткое содержание урока

Существует два набора классификаций черных дыр.Первая классификация основана на том, вращается черная дыра или нет. Если она вращается, то это черная дыра Керра, а если не вращается, то это черная дыра Шварцшильда. У нас также есть три других типа черных дыр, которые могут вращаться, а могут и не вращаться: звездные черные дыры, которые происходят из больших звезд, сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центрах галактик, и неуловимые микрочерные дыры. Итак, как вы можете видеть, у вас может быть звездная черная дыра или сверхмассивная черная дыра, которая является черной дырой Керра или Шварцшильда, в зависимости от того, вращается черная дыра или нет.

Словарь и определения

Черная дыра :

Невращающаяся : Невращающиеся черные дыры имеют невращающиеся ядра, сингулярность и горизонт событий.

Шварцшильд : Черные дыры Шварцшильда – это невращающиеся черные дыры.

Сингулярность : Сингулярность – это название схлопнувшегося ядра черной дыры.

Горизонт событий : Горизонт событий – это воображаемая сфера, окружающая черную дыру, которая также определяется как отверстие в черной дыре.

Вращающийся : Вращающиеся черные дыры имеют вращающийся центр и состоят из сингулярности, горизонта событий, эргосферы и статического предела.

Керр : Керр – это вращающаяся черная дыра.

Эргосфера : Эргосфера – это область искаженного пространства вокруг вращающейся черной дыры, обычно имеющая форму яйца.

Статический предел : Статический предел – это граница между эргосферой и нормальным пространством.

Звездный : Звездные черные дыры образованы из массивных звезд.

Сверхновая звезда : Сверхновая звезда возникает, когда давление излучения вызывает взрыв, который сбрасывает внешнюю оболочку умирающей звезды, покидая ее ядро.

Сверхмассивные : Сверхмассивные черные дыры в основном существуют в центрах галактик.

Micro : Микро-черные дыры никогда не наблюдались, но считается, что они образовались во время Большого взрыва и имеют массу меньше Солнца.

Результаты обучения

После просмотра этого урока вы должны уметь:

  • Определить черную дыру
  • Перечислите различные типы черных дыр
  • Обобщите компоненты различных черных дыр

Различные типы черных дыр и как они образуются

Как образуются черные дыры звездных масс

Наиболее хорошо изученные черные дыры, черные дыры звездной массы, образуются, когда массивная звезда достигает конца своей жизни и взрывается, схлопываясь сама по себе.Однако, если взрывающаяся звезда примерно в 8-20 раз больше массы Солнца, она не образует черную дыру. Вместо этого коллапсирующий материал отскочит от ядра, в результате чего оно взорвется как сверхновая.

Но если коллапсирующая звезда примерно в 20 раз больше массы Солнца, ее ядро ​​недостаточно сильное, чтобы остановить взрыв. На самом деле не существует механизма, который мог бы предотвратить коллапс такой звезды в черную дыру.

В зависимости от начального размера взрывающейся звезды образовавшаяся черная дыра звездной массы может достигать массы Солнца примерно в 100 или более раз.

Как образуются черные дыры промежуточной массы?

Как следует из названия, черные дыры промежуточных масс находятся между черными дырами звездных масс и сверхмассивными черными дырами. Этот тип черной дыры не слишком мал и не слишком велик. Но бывает редко.

Считается, что черные дыры средней массы образуются, когда несколько черных дыр звездных масс подвергаются серии слияний друг с другом. Эти слияния часто происходят в густонаселенных областях галактик.

Сливающиеся черные дыры звездных масс проводят очень много времени на ранних стадиях своего брачного танца.Но в конце концов они носятся друг с другом все быстрее и быстрее, пока, наконец, не соберутся вместе и не образуют единую большую черную дыру.

После ряда последовательных слияний, по мнению исследователей, эти звери среднего размера могут в конечном итоге вырасти с примерно 100 до примерно 1 миллиона солнечных масс (хотя разделительная линия между различными классами черных дыр вызывает споры).

Хотя окончательное доказательство существования черных дыр этого типа остается неуловимым, за последние несколько десятилетий был проведен ряд исследований, в которых были обнаружены интригующие доказательства, намекающие на существование этих не очень больших, не очень маленьких черных дыр. .

Представьте себе Вселенную!

Моделирование окружения горячего газа и его падения в черную дыру.
(Источник: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА / Дж. Шниттман, Дж. Кролик (JHU) и С. Ноубл (RIT))

Самое простое определение черной дыры – это объект, который настолько плотен, что даже свет не может покинуть его поверхность. Но как это случилось?

Понятие черной дыры можно понять, подумав о том, с какой скоростью нужно двигаться, чтобы избежать гравитации другого объекта – это называется космической скоростью.Формально, убегающая скорость – это скорость, которой должен достичь объект, чтобы «освободиться» от гравитационного притяжения другого тела.

На убегающую скорость влияют две вещи – масса объекта и расстояние до центра этого объекта. Например, ракета должна разогнаться до 11,2 км / с, чтобы избежать гравитации Земли. Если бы вместо этого эта ракета находилась на планете с такой же массой, что и Земля, но вдвое меньшего диаметра, скорость убегания составила бы 15,8 км / с. Несмотря на то, что масса та же самая, скорость убегания больше, потому что объект меньше (и более плотный).

Что, если бы мы сделали объект еще меньше? Если бы мы сжали массу Земли в сферу радиусом 9 мм, космическая скорость была бы скоростью света. Чуть меньше, а убегающая скорость больше скорости света. Но скорость света – это предел космической скорости, поэтому было бы невозможно выбраться из этой крошечной сферы, если бы вы подобрались достаточно близко.

Радиус, при котором масса имеет убегающую скорость, равную скорости света, называется радиусом Шварцшильда.Любой объект, который меньше его радиуса Шварцшильда, является черной дырой – другими словами, все, что имеет убегающую скорость больше скорости света, является черной дырой. Для чего-то масса нашего Солнца должна быть сжата в объем с радиусом около 3 км.

Черная дыра состоит из двух основных частей. Сингулярность находится в центре, где находится масса. Горизонт событий – это граница, которая отмечает, где скорость убегания массы равна скорости света.
(Источник: Представьте Вселенную НАСА)

Структура черной дыры

Черная дыра состоит из двух основных частей: сингулярности и горизонта событий.

Горизонт событий – это «точка невозврата» вокруг черной дыры. Это не физическая поверхность, а сфера, окружающая черную дыру, которая отмечает место, где убегающая скорость равна скорости света. Его радиус – это радиус Шварцшильда, упомянутый ранее.

Одна вещь о горизонте событий: как только материя окажется внутри него, она упадет в центр. При такой сильной гравитации материя сжимается до точки – крошечного, крошечного объема с безумно большой плотностью.Эта точка называется сингулярностью. Он исчезающе мал, поэтому имеет практически бесконечную плотность. Вполне вероятно, что в сингулярности нарушаются законы физики. Ученые активно занимаются исследованиями, чтобы лучше понять, что происходит в этих сингулярностях, а также как разработать полную теорию, которая лучше описывает то, что происходит в центре черной дыры.

Видеть невидимое

Если свет не может покинуть черную дыру, как мы можем видеть черные дыры?

Астрономы не видят черные дыры напрямую.Вместо этого астрономы наблюдают присутствие черной дыры по ее влиянию на окружающую среду. Черную дыру, находящуюся в самом центре нашей галактики, было бы очень трудно обнаружить.

Представьте, что вы приходите домой однажды ночью и обнаруживаете на кухне беспорядок. Вы знаете, когда вы уходили, он был чистым, но теперь в раковине грязная посуда и крошки разбросаны по стойке. Судя по свидетельствам, вы знаете, что кто-то пользовался кухней, пока вас не было – на самом деле, вы даже можете сказать, что они сделали бутерброд с жареным картофелем из-за того, к каким крошкам вы видите на прилавке.Возможно, вы даже сможете определить, кто из ваших домочадцев был на кухне, по тому, какие у них были чипсы или что они положили в свой бутерброд. Вы никогда не видели этого человека на кухне, но их влияние на кухню было очевидно.

Изучение черных дыр во многом зависит от косвенного обнаружения. Астрономы не могут наблюдать черные дыры напрямую, но видят поведение других объектов, которое можно объяснить только наличием поблизости очень большого и плотного объекта. Эффекты могут включать в себя втягивание материалов в черную дыру, образование аккреционных дисков вокруг черной дыры или звезд, вращающихся вокруг массивного, но невидимого объекта.

Рендеринг этого художника иллюстрирует новые открытия о звезде, разорванной черной дырой. Когда звезда подходит слишком близко к черной дыре, сильные приливные силы разрывают звезду на части.
Источник: NASA GSFC / CI Lab

Типы черных дыр

Традиционно астрономы говорили о двух основных классах черных дыр – с массой в 5-20 раз больше массы Солнца, которые называются черными дырами звездной массы, и с массами в миллионы или миллиарды раз больше массы Солнца, которые называются сверхмассивными черными дырами.А как насчет разрыва между звездной массой и сверхмассивными черными дырами? В течение долгого времени астрономы предлагали третий класс, называемый черными дырами промежуточной массы, но только в последнее десятилетие или около того они начали находить возможные доказательства существования этого класса черных дыр.

Черные дыры звездной массы образуются, когда у массивной звезды заканчивается топливо и она коллапсирует. Их можно найти разбросанными по всей галактике, в тех же местах, где мы находим звезды, с тех пор, как они начали свою жизнь как звезды.Некоторые черные дыры звездной массы начали свою жизнь как часть двойной звездной системы, и то, как черная дыра влияет на своего спутника и окружающую их среду, может быть ключом к астрономам об их присутствии.

Сверхмассивные черные дыры находятся в центре почти каждой большой галактики. То, как именно образуются сверхмассивные черные дыры, является активной областью исследований астрономов. Недавние исследования показали, что размер черной дыры коррелирует с размером галактики, поэтому должна быть какая-то связь между образованием черной дыры и галактики.

Имея всего несколько кандидатов в черные дыры среднего звена, астрономы только начинают изучать их во всех деталях. Эти исследования осложняются тем фактом, что многие объекты, которые изначально выглядели как сильные промежуточные кандидаты в черные дыры, можно объяснить другими способами. Например, существует класс объектов, называемых сверхъестественными источниками рентгеновского излучения (ULX). Эти объекты излучают больше рентгеновского света, чем известные звездные процессы. Одна модель постулировала, что в ULX есть промежуточная черная дыра; однако дальнейшее изучение этих объектов привело к предпочтению альтернативных моделей для большинства из них.Следите за обновлениями, пока астрономы разгадывают тайны этих неуловимых объектов.

На этом изображении, сделанном с помощью Очень Большого Телескопа Европейской Южной Обсерватории, показана центральная область галактики NGC 1313. В этой галактике находится сверхлегкий рентгеновский источник NCG 1313 X-1, который был кандидатом в черные дыры средней массы.
(Источник: ESO)

Обновлено: ноябрь 2016 г.


Дополнительные ссылки
Связанные темы
Для преподавателей

Что такое черные дыры? Секреты Вселенной

Редактор в «Тайнах Вселенной», я получил степень магистра физики в Индия и скоро собираюсь присоединиться к Институту космических наук, Барселона для моей докторской диссертации по Экзопланеты.Я люблю писать о множестве тем, касающихся планетных наук, наблюдательной астрофизики, квантовой механики и атомной физики, а также о достижениях, происходящих в космической отрасли.

Почти год назад, когда было опубликовано первое в истории изображение черной дыры в нашей соседней галактике, весь мир сошел с ума. Я знаю, ты тоже! Итак, теперь, после подробного изучения звездной астрофизики в последних нескольких статьях, сегодня я подумал о том, чтобы сделать шаг вперед, чтобы познакомиться с любимой темой поп-науки: черными дырами.Итак, в сегодняшней статье из нашей серии «Основы астрофизики» давайте исследуем этих зверей!

Что ж, все мы хорошо знакомы с одним основным определением черной дыры: « объект настолько массивный и такой плотный, что ничто, даже свет, не может ускользнуть от его гравитационного притяжения » Верно? Но как концепция этих причудливых объектов появилась у наших дверей? Что ж, это долгая история…

Прочтите все статьи в «Основах астрофизики» здесь. самое начало.Однако наиболее важное и современное предположение об этих животных было сделано в общей теории относительности Эйнштейна. В 1687 году Исаак Ньютон установил, что сила гравитации действует между каждым объектом в этой вселенной, однако сам он никогда не был очень ясен в происхождении этой сущности. Но Эйнштейн дал совершенно новое определение гравитации в своей Общей теории относительности.

По его словам, все массивные объекты вызывают искажение пространства-времени, которое ощущается как гравитация.Это означает, что гравитация – не что иное, как искажение пространства-времени. Точно так же, как ткань батута скручивается, когда вы прыгаете на нее, массивные объекты также искажают пространство-время аналогичным образом. Чем тяжелее объект, тем сильнее изгиб!

По-прежнему считающаяся одной из самых красивых и элегантных научных теорий всех времен, эта теория Эйнштейна показала, что всякий раз, когда массивная звезда умирает, она оставляет после себя небольшое плотное остаточное ядро. Из возможных решений уравнений поля Эйнштейна Карл Шварцшильд пришел к выводу, что если масса ядра примерно в три раза больше массы Солнца, то сила тяжести подавляет все другие силы, создавая черную дыру.Если вы хотите узнать, как умирает звезда и как образуются эти мертвые ядра, вы можете прочитать предыдущие статьи этой серии, приведенные ниже.

Рождение нейтронных звезд и черных дыр
Образование белых карликов

Основные термины, относящиеся к черным дырам:

Давайте взглянем на некоторые основные термины, относящиеся к черным дырам. Черные дыры.

Оттиск художника изображает быстро вращающуюся сверхмассивную черную дыру, окруженную аккреционным диском.Этот тонкий диск из вращающегося материала состоит из остатков солнечной звезды, разорванной приливными силами черной дыры. Черная дыра помечена меткой, показывающей анатомию этого удивительного объекта. ( Кредиты: ESO )

Горизонт событий: Горизонт событий – критическая граница, за которой ничто, даже свет, не может выйти. В системе отсчета падающей материи все в порядке. Но для стороннего наблюдателя все выглядит иначе из-за гравитационного замедления времени.По мере увеличения гравитационного притяжения свет падающего материала начинает становиться красным, а когда материал достигает горизонта событий из-за огромного красного смещения, он исчезает. Таким образом, сторонний наблюдатель никогда не сможет увидеть формирование горизонта событий черной дыры. Мы обсуждали концепцию гравитационного красного смещения в 6-й статье серии.

Сингулярность: Согласно общей теории относительности, гравитационная сингулярность существует в центре черной дыры.Сингулярность – это область, в которой кривизна пространства-времени становится бесконечной. Особая область имеет нулевой объем и считается бесконечной плотностью. Появление сингулярностей в общей теории относительности обычно воспринимается как сигнал о крахе теории.

Фотонная сфера: Фотонная сфера или фотонный круг – это область или область пространства, где гравитация настолько сильна, что фотоны вынуждены перемещаться по орбитам. Это сферическая граница нулевой толщины, в которой фотоны, движущиеся по касательным к этой сфере, будут захвачены на круговой орбите вокруг черной дыры.Для невращающихся черных дыр сфера фотона имеет радиус в 1,5 раза больше радиуса Шварцшильда. С другой стороны, вращающиеся черные дыры обладают двумя фотонными сферами: одна вращается в том же направлении, что и черная дыра, а другая – в противоположном направлении.

Графическое описание различных терминов
Предоставлено Quora

Эргосфера: Вращающиеся черные дыры окружены областью пространства-времени, в которой невозможно стоять на месте. Эта область пространства-времени называется эргосферой.Предметы и излучение могут нормально выходить из эргосферы. Благодаря процессу Пенроуза объекты могут выходить из эргосферы с большей энергией, чем они вошли. Эта энергия берется из вращательной энергии черной дыры, заставляя ее замедляться.

Внутренняя стабильная круговая орбита: Согласно ньютоновской гравитации, пробные частицы могут стабильно вращаться на некоторых произвольных расстояниях от центрального объекта. Однако в общей теории относительности существует самая внутренняя стабильная круговая орбита (часто называемая ISCO), внутри которой любые бесконечно малые возмущения круговой орбиты приведут к спиральному проникновению в черную дыру.

Классификация черных дыр:

В целом черные дыры подразделяются на три основные категории. Это:

  • Микро черные дыры
  • Черные дыры звездной массы
  • Сверхмассивные черные дыры

Теперь давайте узнаем о каждой из них по очереди.

Микро-черные дыры

Микро-черные дыры, также известные как квантово-механические черные дыры, являются гипотетическими. Тот факт, что черные дыры меньше звездной массы могут образовываться, был впервые теоретизирован Стивеном Хокингом в 1971 году.Эти микрочерные дыры имеют определенный предел массы. Согласно концепции радиуса Шварцшильда и длины волны Комптона, минимальная масса черной микродыры составляет 22 микрограмма, также известная как масса Планка.

Вам также может понравиться:
Первая в мире машина времени
Опыт стажировки на LHC в ЦЕРНе
Стандартная модель физики элементарных частиц

Квантово-механические черные дыры, должно быть, сыграли важную роль в ранней Вселенной в огромных масштабах. энергия и плотность.19 ГэВ. Это намного больше, чем максимальная энергия, которую мы можем получить с помощью современных технологий.

Также прочтите: Концепция излучения Хокинга от черных дыр

Черные дыры звездной массы

Вторая в классификации черных дыр – это черная дыра звездной массы. Это одни из наиболее изученных черных дыр, и, в отличие от микро, они существуют в природе. Механизм их образования также известен ученым. Как следует из названия, черная дыра звездной массы образуется при коллапсе массивной звезды.У массивных звезд есть потенциал для полномасштабного синтеза тяжелых элементов в своем ядре. Они постепенно объединяют такие элементы, как углерод, неон, кислород, кремний, серу и так далее. В предыдущей статье этой серии мы видели, как образуется черная дыра звездной массы.

Когда эта альфа-лестница достигает никеля-56, цепочка реакций останавливается. Дальнейшее плавление никеля с цинком термодинамически невыгодно. Это приводит к отключению ядра. В таком сценарии звезда коллапсирует под действием собственной гравитации.Если звезда достаточно массивная, ничто не может остановить коллапс, и звезда превращается в черную дыру.

Сверхмассивные черные дыры

Как видно из названия, сверхмассивные черные дыры – это самые большие черные дыры, обнаруженные в центрах галактик. Они могут быть в миллиард раз массивнее Солнца. Но эти черные дыры могут иметь меньшую плотность, чем вода. Причина проста: радиус Шварцшильда черной дыры прямо пропорционален ее массе, а объем пропорционален кубу радиуса.Это делает плотность обратно пропорциональной квадрату массы. Следовательно, чем больше масса, тем меньше плотность черной дыры.

Источники: Рентгеновский снимок: NASA / CXC / Техасский университет / E.Schlegel et al; Оптика: NASA / STScI

Кроме того, приливная сила такой черной дыры очень мала. Приливная сила, действующая на тело на горизонте событий, также обратно пропорциональна квадрату массы. Таким образом, человек на поверхности Земли и один на горизонте событий в 10 миллионов М? (10 миллионов солнечных масс) черные дыры испытывают примерно такую ​​же приливную силу между головой и ногами.

Механизм рождения таких причудливых объектов до сих пор остается загадкой и остается открытой областью исследований в астрофизике. Есть несколько гипотез. Одна из гипотез состоит в том, что семена – это черные дыры с массой в десятки или сотни солнечных масс, которые остались после взрыва массивных звезд и растут за счет аккреции вещества. Некоторые ученые также предполагают, что черные дыры звездной массы, образовавшиеся в результате смерти первых звезд во Вселенной, могли уступить место таким сверхмассивным черным дырам.Однако правильное объяснение еще не пришло.

Связано: 5 самых массивных черных дыр, обнаруженных на данный момент

Обнаружение черных дыр:

Поскольку черные дыры сами по себе не испускают никакого электромагнитного излучения, кроме гипотетического излучения Хокинга, поэтому определенно невозможно обнаруживать их напрямую. Из-за этого астрофизикам, ищущим черные дыры, приходится полагаться на косвенные наблюдения. Эти косвенные наблюдения производятся путем обнаружения гравитационных волн с помощью интерферометров.Помимо этого, гравитационное линзирование, анализ таинственного движения объектов вокруг какой-то невидимой силы, аккреция материи и т. Д. Также помогают в обнаружении черных дыр.

Первый сильный кандидат в черную дыру, Лебедь X-1, был открыт в 1972 году с использованием этих косвенных наблюдений. Однако в прошлом году произошел один из крупных прорывов в изучении черных дыр. 10 апреля 2019 года было выпущено первое смоделированное изображение черной дыры в соседней с нами галактике после кропотливой и напряженной работы более чем двух лет около 200 астрономов, вооруженных суперкомпьютерами и телескопом Event Horizon.

Первое изображение черной дыры в галактике M87
Изображение предоставлено: Event Horizon Telescope Collaboration

Хотя сегодня у нас есть первое изображение черной дыры. Тем не менее, существует множество разногласий между различными научными сообществами относительно подлинности черных дыр. Некоторые верят в этих гигантских зверей, а другие полностью от них отказываются. Несмотря на все споры, Черные дыры по-прежнему занимают один из основных разделов исследования нашей Вселенной в целом.

Действительно ли существуют черные дыры?

С самого начала астрономы расходились во мнениях относительно существования истинных математических черных дыр, предсказываемых общей теорией относительности. Такие ученые, как Эйнштейн, Эддингтон, МакКри, Митра и другие, не верили в существование истинных математических черных дыр. С другой стороны, такие ученые, как Хокинг, Чандрасекар, Торн и другие, придерживались другого мнения. Со временем в принятой в настоящее время модели черных дыр было обнаружено множество недостатков, и было предложено множество альтернативных моделей.Некоторые из них включают гравастары, голые сингулярности и MECO.

Из всех этих моделей весьма перспективна MECO. MECO означает магнитосферный вечно коллапсирующий объект и был впервые предложен индийским астрофизиком Абхасом Митрой, а затем обобщен Дэррилом Дж. Лейтером и Стэнли Л. Робертсоном. Одно из основных различий между настоящими черными дырами и MECO заключается в том, что последние могут создавать свои собственные магнитные поля, факт, подтвержденный наблюдениями. Кроме того, как указано в принятой в настоящее время модели, MECO не разрушаются до сингулярности.MECO – это вечно разрушающиеся объекты. Они поразят сингулярность только на бесконечности.

Если вы хотите узнать больше о MECO, вы можете перейти по этой ссылке. В этом блоге профессор Мирта написала о недостатках текущей модели, а MECO преодолевают эти недостатки и оказываются лучшей теоретической моделью. Блог также содержит ссылки на все рецензируемые публикации для справки. Вы также можете связаться с профессором Митрой здесь и посмотреть его выступление на TEDx о недостатках текущей модели черной дыры ниже.

Также смотрите: недостатки нынешней модели черных дыр и концепции ECO

Сообщение автора:

Эта статья полностью посвящена самым любимым астрофизическим объектам – черным дырам. Общаясь с людьми и особенно студентами, мы осознали, насколько влиятельна поп-наука. Все, от школьников до известных писателей-фантастов, любят изучать эти поп-научные темы. Приятно смотреть научно-фантастические фильмы и книги, в которых астрофизика представляется чрезвычайно привлекательной областью.Они определенно играют важную роль в подталкивании людей к изучению космоса.

Но тем, кто действительно хочет сделать карьеру в астрофизике, следует быть осторожными. Чтение на такие интересные темы, как белые дыры, путешествия во времени, черные дыры, кротовые норы и т. Д., Накаляет студентов, и они отправляются на астрофизику. Но здесь они наталкиваются на серьезную физико-математическую науку, которой они не ожидали. Такие предметы, как статистическая механика, квантовая механика, электродинамика, математическая физика, теория относительности, оптика, спектроскопия, являются самыми основами астрофизики, и многие студенты изо всех сил пытаются овладеть ими.

Итак, мы советуем нашим начинающим астрофизикам читать как можно больше книг. Однако не забудьте также начать с физики и математики. Помните, что путь к астрофизике лежит через физику. Если вы овладеете вышеупомянутыми предметами, астрофизика действительно станет для вас легкой прогулкой.

Прочтите все статьи Основы астрофизики здесь

Объяснение черных дыр. Что они собой представляют, как формируются, виды и… | Николас Ротич

Может быть, вы никогда не слышали о черной дыре или слышали, как кто-то упоминал, но почему-то вы все еще не знаете, что с этим делать.Эта статья даст вам краткое изложение самых основных, но важных концепций и основ, связанных с черными дырами. В частности, мы попытаемся ответить на вопросы: что они собой представляют, где они находятся в нашей Вселенной, как они формируются, а также на их классификацию по типам и формам, в которые они входят, и как они умирают.

Итак, что такое черная дыра?

Черная дыра – это область чрезвычайно высокой плотности, образованная, когда массивный объект сжимается в достаточно маленькое пространство.Чтобы выразить это в контексте, если бы нашу планету Земля можно было сжать до капли воды объемом 4,38 миллилитра, это привело бы к черной дыре. Соответствующий радиус образованного таким образом объема называется радиусом Шварцшильда. Эта аналогия основана не на сферической форме объема, а на цилиндрической форме высотой h = 2r. См. Объяснение этого в разделе «Формы черных дыр».

По сути, черные дыры – это в первую очередь математические предсказания. Следовательно, это результаты, которые проявляются как точные решения уравнений поля Эйнштейна.Первый из них был получен Карлом Шварцшильдом , немецким физиком, астрономом и ветераном Первой мировой войны, в 1915 году – в том же году, когда были опубликованы уравнения поля Эйнштейна. Отсюда и название радиуса Шварцшильда, который представлен следующей формулой:

Eq. (1)

Где c – скорость света в вакууме, G – универсальная гравитационная постоянная Ньютона, а M – масса объекта.

Черные дыры связаны с рядом свойств, которые объясняют, как работает гравитация.Основываясь на принципах общей теории относительности, в которой гравитация описывается как искривление пространства-времени в присутствии массивных объектов, черные дыры также можно назвать областями в пространстве-времени, которые демонстрируют гравитационное ускорение настолько сильное, что ничто не может избежать .

Прежде чем перейти к классификации, необходимо знать еще несколько концепций о черных дырах, являющихся частью радиуса Шварцшильда, а именно:

  1. Горизонт событий черной дыры : это граница при приближении к черной дыре, за которой происходят события. Никакого рода не может повлиять на стороннего наблюдателя.Это уточненное определение было дано Дэвидом Финкельштейном в 1958 году на основе общей теории относительности. Более раннее определение той же концепции Джоном Мичеллом в 1784 году означало, что горизонт событий – это область рядом с компактным массивным объектом, где сила тяжести возрастет до такой степени, что даже свет не может уйти. Поэтому заметно, что, хотя концепция существенно не изменилась, определения постоянно уточнялись, чтобы отразить ее точное описание. Последние несколько десятилетий привели к необходимости переименования горизонта черной дыры в видимый горизонт – это было сделано покойным Стивеном Хокингом.Хокинг обосновал, что, хотя космические события, такие как гравитационный коллапс, могут создавать видимые горизонты, они не обязательно создают горизонты событий, и, таким образом, горизонты событий являются окончательными индикаторами существования черной дыры. Излучение Хокинга было также результатом дальнейшего развития теорий черных дыр Стивена Хокинга, в котором он пришел к выводу, что существует излучение черного тела, исходящее от черных дыр из-за эффектов квантовых флуктуаций вблизи горизонта событий, и это привело бы к окончательному исчезновению черная дыра в течение длительного периода времени.
  2. Сингулярность черной дыры : общая теория относительности предсказывает, что в центре черной дыры есть одномерная точка, содержащая всю массу черной дыры в бесконечно малом пространстве. На данный момент считается, что известные нам законы физики больше не действуют.
  3. Вращение черной дыры : В то время как черные дыры Шварцшильда неподвижны, известно, что некоторые черные дыры вращаются с почти теоретическим пределом, то есть с угловой скоростью, которая при преобразовании в линейную приближается к скорости света в вакууме.Об этом в начале 2006 года сообщил австралийский научный журнал Cosmos ³. Действительно, GRS 1915 + 105, черная дыра, расположенная в Млечном Пути, может вращаться с угловой скоростью 1150 циклов в секунду.

Классификация черных дыр

Решения уравнений поля Эйнштейна обычно называют метриками, поскольку они обычно представлены в обозначениях метрического тензора. В математике метрический тензор – это функция, которая принимает пары касательных векторов в качестве входных данных и возвращает скаляры действительных чисел в качестве выходных данных.Следовательно, на сегодняшний день существует в основном четыре известных типа черных дыр , основанные на их соответствующих метриках, допускающих их существование. Это:

(i) черные дыры Шварцшильда

(ii) черные дыры Рейсснера-Нордстрема

(iii) черные дыры Керра и

(iv) черные дыры Керра-Ньюмана

Приведенный выше список составлен на основе людей, которые предоставили точные решения уравнений поля Эйнштейна, описывающих общую теорию относительности.Наиболее примечательным является первое решение или метрика Шварцшильда. Усилия Шварцшильда заслуживают особой похвалы, поскольку он добился этого во время службы в немецкой армии во время Первой мировой войны.

Другая, более точная классификация, хотя и качественная, основана на вращении и заряде черной дыры. Таблица 1 отображает это резюме с ранее перечисленными примерами.

Таблица 1: Матрица классификации черных дыр на основе вращения и заряда

Как видно из Таблицы 1, и Шварцшильд, и Рейсснер-Нордстрем классифицируются как невращающиеся черные дыры.С другой стороны, Керр и Керр-Ньюман являются одними из примеров вращающихся черных дыр. Наиболее надежным показателем динамики вращения черной дыры является угловой момент Дж , который представлен как Дж = Mac . Где M – масса черной дыры, обычно выражаемая в массах Солнца – масса черной дыры, деленная на массу Солнца. Параметр a – это набор границ, ограничивающих действия черной дыры ее горизонтом событий. Другими словами, при превышении или горизонт событий исчезает.

Механика образования черных дыр

Один из хорошо известных способов образования черных дыр – это гравитационный коллапс межзвездных тел под действием их собственного веса. В звездном нуклеосинтезе наблюдается общее вырождение, которое постоянно происходит в течение жизни звезды. Это означает, что скорость выделения энергии звездой не постоянна, а скорее зависит от внутренней энергии ее составляющих.

Черные дыры обладают тремя хорошо известными свойствами; масса, заряд и вращение – все это представляет огромную трудность для измерения.Единственный измеримый аспект черных дыр – это их влияние с точки зрения гравитационных волн в результате крупного прорыва, совершенного в 2016 году командами LIGO и Virgo. Даже в этом случае обнаружение и измерение гравитационных волн сильно страдают от ньютоновских шумов и окружающего движения грунта, и поэтому большая часть работы по обнаружению направляется на эту стабилизацию. Формирование черных дыр можно описать рядом эволюционных параметров (звезды до коллапса), а именно:

(i) Уменьшение исходного радиуса звезды с течением времени

(ii) Увеличение кинетической энергии

(iii) Изменения термодинамических параметров, таких как давление, температура и сопутствующий химический состав звездного нуклеосинтеза с течением времени

(iv) Увеличение (квантового) гравитационного потенциала и, наконец,

(v) Их исчезновение из-за испарения черных дыр, как было предсказано излучением Хокинга

В связи с ограничением объема данной статьи, мы кратко рассмотрим первый аспект в приведенном выше списке.

Уменьшение радиусов из-за гравитационного коллапса

Это сжатие астрономического объекта из-за влияния его собственной гравитации, которое имеет тенденцию притягивать материю внутрь к центру тяжести. По сути, это приводит к уменьшению размера, поскольку звезда теряет свою нуклеосинтетическую способность. Временные рамки, в которых происходит все вышеперечисленное, бесконечно малы. Квантовые гравитационные эффекты особенно (обычно) игнорируются во время образования и эволюции черных дыр.Согласно Хокингу, оправдание, заключающееся в том, что радиус кривизны горизонта событий становится очень большим по сравнению с планковской длиной – длиной, на которой, как ожидается, будут заметны квантовые флуктуации.

Если бы мы приписали звезде гравитационный радиус, эквивалентный λ, относительно ее силы тяжести. Затем мы можем отслеживать изменения, отслеживая уменьшение масштабов длины Δh с течением времени как Δ h = λ-r, где r – текущий радиус в любой данный момент.Для любого небесного тела можно показать, что начальное значение гравитационного радиуса до того, как оно станет черной дырой λ, задается как λ = 2r² / rₛ. Тогда мы могли бы выразить мгновенные изменения его радиусов относительно Δh следующим образом:

Eq. (2)

Ур. (2) можно рассматривать как метрический тензор, в который может формироваться горизонт событий черной дыры тогда и только тогда, когда 8Δh ≤ 3rₛ , что дает радиус Шварцшильда при значении Δ h = rₛ . Где rₛ дается формулой. (1).

Какова форма черной дыры?

В то время как упоминания о черных дырах постоянно становятся обычным явлением на улицах, вряд ли кто-нибудь со значительной уверенностью заявляет, действительно ли они знают, как черные дыры выглядят (по форме). Следовательно, в этих случаях математические описания имеют приоритет, в конце концов, только до 1960-х годов черные дыры рассматривались как чисто математические конструкции.

Одна из самых первых гипотез была сделана Кипом Торном в 1972 году о несферических черных дырах.В этом кратком обзоре Торн постулировал, что:

«Горизонты образуются тогда и только тогда, когда масса м уплотняется в области, длина окружности которой в каждом направлении меньше или равна 4πm » – Кип Торн 1972

Даже тогда он, казалось, противоречил самому себе, поскольку описывал несферические черные дыры. Тем не менее, его статья содержала всесторонний обзор, и с тех пор исследования черных дыр получили значительную поддержку, особенно в области математической физики.

Большая часть литературы, описывающей геометрию черной дыры, так или иначе, доходила до попыток оценить другие параметры, такие как термодинамика, энергия и механика, например угловые моменты. Мы не будем беспокоиться о дополнительных свойствах, кроме объема, и поэтому мы попытаемся охарактеризовать и предсказать формы незаряженных невращающихся черных дыр, также известных как черные дыры Шварцшильда.

Противоположность этому разделу состоит в том, что черные дыры, характеризуемые радиусом Шварцшильда, имеют сферическую форму.В конце этой статьи мы должны убедиться, что черные дыры Шварцшильда принимают определенный объемный узор, несферический по своей природе. Чтобы показать это, мы начнем с того, что подвергнем сферический объект объема V = 4π r³ / 3 формуле в Ур. (1). Мы также вводим массовую плотность ρ , поэтому мы выражаем rₛ следующим образом:

Ур. (3)

Затем мы вводим гравитационный потенциал Пуассона ² ϕ = 4πρG в формулу уравнения (2). (3), из ϕ (r) = GM / r – проверьте преобразование между уравнениями Гаусса и Пуассона для гравитации.Принимая во внимание, что ∇² ϕ (r) = 2GM / r³, и сравнивая полученное уравнение с исходным радиусом Шварцшильда (уравнение 1), мы находим, что:

Eq. (4)

Таким образом, мы можем видеть, что сферической черной дыры Шварцшильда указанной выше геометрической конфигурации не могло бы существовать. Однако есть две возможные геометрии черных дыр, которые методология Шварцшильда точно предсказывает: цилиндр высотой h = 2r и часть четырехмерной сферы объемом V₄ / π. Для двух геометрий V = 2π r³, поскольку геометрия четырех сфер равна V₄ = 2π²r³.Мы собираемся подвергнуть эти объекты процессу, аналогичному описанному выше:

Eq. (5)

Аналогично, мы замечаем, что уравнение Пуассона для гравитации, 4πρG = ∇²ϕ, появляется в числителе уравнения. (5). Поскольку ∇²ϕ = 2GM / r³ , действительно заменяя это в уравнении. (5) приводит к формуле. (1) как и ожидалось.

Резюме

В этой статье мы предложили более подробное объяснение того, что такое черные дыры, прежде чем объяснять механику их образования. Затем мы рассмотрели четыре известных типа черных дыр на основе их качественных описаний, таких как динамика вращения, заряд, и на основе создателей соответствующих им метрических тензоров.Наконец, мы обсудили ожидаемые формы черных дыр Шварцшильда, а также их интуитивно понятные математические описания. Основываясь на этом анализе, черные дыры Шварцшильда в основном не заряжены, не вращаются и имеют цилиндрическую форму. В некоторых особых случаях они принимают уникальную форму части четырех сфер с их объемом, выражаемым как V = 2π² r³ .

Источники

¹ https://solarsystem.nasa.gov/news/1068/10-questions-you-might-have-about-black-holes/

² https://www.who.int/nasa.gov/multimedia/guidelines/index.html

³https: //web.archive.org/web/20120507004507/ http://www.cosmosmagazine.com/node/873

⁴Abbott, Benjamin P.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *