Строение черной дыры: Строение черной дыры

Строение черной дыры

Чёрная дыра — удивительное место, ломающее современные физические законы, причём теперь, когда её существование доказано, она является неотъемлемой частью физики. На данном этапе развития, мы уже с полной уверенностью можем сказать, как она выглядит снаружи и предположить её логичное внутреннее строение. Все мы любим пиздатые рендеры, в которых чёрная дыра выглядит как чёрный шар, всасывающий в себя всякую хуету из аккреционного диска, однако посмотрев на неё, вы увидите совсем не такую картину — чёрная дыра прозрачная, да и она особо-то и не сосёт, ведь гравитация до горизонта событий зависит только от массы. И хоть увидеть чёрную дыру из-за её прозрачности мы не можем, однако мы смогли сфотографировать её тень. Но чтобы перейти ко внутреннему строению, давайте поделим чёрные дыры на виды:

• Чёрная дыра Шварцшильда (не вращается и не имеет заряда)


• Чёрная дыра Рейснера — Нордстрёма (не вращается, но имеет заряда)


• Чёрная дыра Керра (вращается, но не имеет заряд)


• Чёрная дыра Керра — Ньюмена (и вращается, и заряжена)

Эти чёрные дыры расположены в порядке усложнения внутренней структуры. Так, когда у первой дыры есть только сингулярность, горизонт Коши и горизонт событий, то у других добавляется эргосфера и предел статичности. Причём из-за теоремы об отсутствии волос, чёрные дыры определяются только тремя характеристиками: массой, зарядом и вращением, поэтому две любые чёрные дыры с одинаковыми характеристиками будут совершенно неотличимы друг от друга, однако чёрные дыры разных видов будут неебически различны между собой: начиная с форм и видов сингулярности, заканчивая количеством горизонтов событий. Давайте начнём с центра чёрной дыры и будем двигаться ко внешней области.

Сингулярность

Основные статьи: Гравитационная сингулярность, БХЛ-сингулярность.

Гравитационная сингулярность (есть у невращающихся) — это такая область пространства, которая вертит это самое пространство как хочет, потому что они появляются в Общей теории относительности как точки пространства, имеющие нулевой объём, какую-нибудь массу и бесконечные плотность с кривизной, но они не объясняются этой самой теорией относительности. Сингулярности этого вида если и существуют, то находятся они только в чёрных дырах Шварцшильда. Но это не перестаёт делать сингулярности поистине особенными объектами: в них пространство «рвётся», и частица (да и вообще всё что угодно) просто берёт и тупо перестаёт существовать, создавая информационный парадокс, сингулярность обладает приливные силы, которые приводят к «спагеттификации». Как бы да, есть дохуя всяких теорий решающих эту проблему, как например создание голограммы на горизонте событий, равномерное распределение массы между горизонтом событий и сингулярностью, которая по мере старения чёрной дыры улетучивается или излучение энергии мягкими фотонами, но пока что эти теории имеют очень мало доказательств, так что проблема с этой хуетой пока не закончена и вряд ли сдвинется с мёртвой точки до формирования Квантовой гравитации.

Кольцеобразная сингулярность (есть у вращающихся) — это та же самая гравитационная сингулярность, только она имеет вид не точки, а плоского диска, высота которого равна нулю, а радиус больше нуля, ничем другим на не отличается.

БХЛ-сингулярность (может быть как у вращающихся, так и у невращающихся) — это гипотетическая сингулярность, которая обладает практически всеми теми же свойствами, что и кольцеобразная сингулярность, только она более стабильна и имеет другое строение с механизмом образования, но в ней всё так же пространство «рвётся» и хуй пойми, что происходит с попадающей туда материей. Эта сингулярность имеет приливные силы БХЛ-типа, которые не растягивают объект в сторону сингулярности, как обычные приливные силы, а объект расширяется и сжимается, причём чем ближе к сингулярности, тем сильнее амплитуда, поэтому в какой-то момент, объект разрывается и после бесследно исчезает (либо попадает в 5 измерение, как было в фильме «Интерстеллар»). При создании квантовой гравитации, скорее всего, существование этой сингулярности подтвердится.

Падающая сингулярность — сингулярность, находящаяся у старых вращающихся чёрных дыр. Эта сингулярность крута тем, что она реально может на тебя упасть, и тебе настанет пиздец. Падающая сингулярность образуется из всякой хуеты, которая упала после тебя в черную дыру. Из-за гравитационного замедления времени вся эта хуета будет образовывать слой, который будет деформировать пространство и материю с бесконечной скоростью, а после того, как он достигнет тебя, то он уже тебя будет растягивать с бесконечной скоростью, но растянет тебя лишь в конечной степени, то есть ты будешь похож на баганую расятнутую рэгдолл текстурку.

Вылетающая сингулярность — сингулярность, полостью идентичная предыдущей, но только она, исходя из названия, не падает, а вылетает.

Горизонт Коши

Горизонт Коши (есть у всех чёрных дыр) — это такая область пространства, после которой решения уравнений Эйнштейна идут по пизде, и все эти решения становятся равноправными. Нам не понятно, что дальше будет происходить с объектом, попавшим в дыру, поэтому был сформулирован принцип космической цензуры.

Горизонт событий

Основная статья: Горизонт событий.

Горизонт событий (есть у всех чёрных дыр) — это воображаемая почти идеальная сфера вокруг сингулярности, определяемая радиусом Шварцшильда. Она является «почти идеальной», так как на самом деле он действует как проводящая мембрана, которая из-за гравитационных эффектов может слегка менять свою форму и колебаться. Этот горизонт отделяет нас от сингулярности и это то место, в котором вторая космическая скорость становится равной скорости света. Горизонт событий разделяет 2 области пространства, между которыми нельзя передавать информацию, то есть, попав за горизонт событий, ты туже ничего не сможешь передать тем, кто находится с нашей стороны. На границе горизонта событий происходит излучение Хокинга, и чёрная дыра теряет массу, но это при том, что горизонт никак не выделяется, как область пространства. При его пересечении ты не услышишь никаких свистяще-пердящих звуков, не увидишь каких-то дефектов пространства и не почувствуешь какого-то покалывания у тебя — ничего, просто большую часть твоего обзора начнёт занимать чёрная дыра, и хоть ты вообще ничего не заметишь, однако очень сильно заметит наблюдатель, который будет смотреть на тебя издалека — для него ты не пересечёшь горизонт событий, а достигнув его, будешь краснеть, пока в конечном итоге не исчезнешь (а исчезнешь ты очень быстро, понадобится пара секунд), после чего от тебя ничего не останется в этой Вселенной.

Второй горизонт событий (этот горизонт есть только у вращающихся чёрных дыр) — это такой горизонт событий, который появляется при вращении чёрных дыр и образовании кольцеобразных сингулярностей. Этот горизонт событий ничего особенного чёрной дыре не даёт, кроме того, что он ограничивает её скорость вращения, так как при охуенно большом моменте импульса внутренний и внешний горизонты сравниваются и исчезают, обнажая сингулярность, что недопустимо по космическому принципу.

Эргосфера

Эргосфера – это такой райончик вокруг черной дыры, который находится между горизонтом событий и пределом статичности. В нём все объекты будут двигаться с ускорением за счет эффекта Линзе — Тирринга (то же самое, что и ускорение Кориолиса (приобретение дополнительного ускорение вокруг вращающейся хуевины, которая намного массивнее тебя), только в усложненном виде), однако это всё ещё не горизонт событий и по процессу Пенроуза (когда какая-то хуйня, попавшая в тяготение чёрной дыры, разделяется на куски, один из которых получают больший импульс и энергию, чем изначально, а второй, по закону сохранения импульса, падает в чёрную дыру с отрицательным импульсом и чёрная дыра теряет энергию), можно чутка скинуть жирка и послать чёрную дыру нахуй. Эргосфера — дохуя интересная область, так как и процесс Пенроуза и процесс Блэнфорда — Знаека (грубо говоря, извлечение энергии из чёрной дыры за счёт вращающегося аккреционного диска с магнитным полем) связаны с эргосферой, и они делают так, чтобы чёрная дыра теряла массу.

Предел статичности

Если граница обычных чёрных дыр — это горизонт событий, то у чёрных дыр, как и у Москвы, есть второе анальное колечко — предел статичности — сфера, отделяющая наш мир от эргосферы. Предел статичности, как и горизонт событий, какой-то охуеть важной структурой не является, он просто разграничивает пространство на области: «можно выбраться, двигаясь от чёрной дыры» и «можно выбраться, двигаясь по ходу вращения чёрной дыры».

На этом можно и закончить рассматривать внутреннее устройство, так как фотонная сфера и аккреционный диск не входят во внутреннее строение. Как можно видеть, реальное устройство чёрной дыры намного сложнее, чем считают многие люди, однако все внутренности были выведены путём логических домыслов и подсчётом всяких сложных формул, которые могут быть не до конца верны, поэтому пока мы не можем знать наверняка, что происходит внутри такого экзотического объекта, но с развитием науки, с формулированием квантовой гравитации, более интенсивным изучением этих загадочных объектов человечество сможет узнать, какую хуйню скрывает от нас чёрные дыры.

Спасибо за то, что вы с нами.

С любовью, Рителлинг favorite

Суть чёрных дыр: сингулярность, горизонт событий, спагеттификация | Космос, Наука

О чёрных дырах ходит множество самых невообразимых слухов, легенд и теорий. Неудивительно: ведь заглянуть в них напрямую и проверить свои догадки мы не можем — запрещают законы природы. Учёные строят такие теории, что впору удивляться даже фантастам: здесь и области сингулярности, в которых физика перестаёт работать, и порталы в другие измерения… А ведь начиналось всё совершенно обыденно: три века назад естествоиспытатели решили наконец разобраться, что же такое земное притяжение.

Как известно, первую физико-математическую теорию гравитации сформулировал в 1687 году Исаак Ньютон. Введённый им закон всемирного тяготения описывал, как тела взаимодействуют друг с другом, но не объяснял природу этого взаимодействия. Сам учёный признавал ограниченность своей теории, написав буквально следующее: «Причину же этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений; гипотез же я не измышляю».

Тем не менее из закона Ньютона при желании можно вывести необычные следствия. Например, весьма экзотическую гипотезу высказал в 1784 году английский естествоиспытатель и теолог Джон Мичелл. В письме к Королевскому обществу, которое в то время было влиятельнейшей научной организацией мира, он приводил расчёт «тёмного солнца» — звезды с силой притяжения, не позволяющей её свету вырваться вовне. Оказалось, что для превращения в подобный объект наше Солнце должно быть в пятьсот раз больше. Далее Мичелл предположил: поскольку массивных звёзд в космосе достаточно, среди них должны быть и «тёмные», но, по понятным причинам, увидеть их мы не можем. Позднее французский математик Пьер-Симон Лаплас популяризировал идею Мичелла, включив её в свой фундаментальный труд «Изложение системы мира» (Exposition du Système du Monde, 1796).

Окрестности сверхмассивной чёрной дыры, какие обычно располагаются в сердце галактик (в представлении художника, ESO, CC BY 4.0)

Хотя у ньютоновской теории гравитации были оппоненты, со временем она стала общепринятой, поскольку подтверждалась наблюдениями и точнейшими измерениями. Доработать и расширить её потребовалось в начале ХХ века, когда выяснилось, что она не работает, если тело движется с релятивистскими (то есть сопоставимыми со скоростью света) скоростями. К концу 1915 года Альберт Эйнштейн сформулировал новую теорию гравитации, получившую название общей теории относительности (ОТО). Он предположил, что действие гравитации не связано ни с какими неведомыми силами или частицами, а обусловлено геометрическими свойствами самогó пространственно-временного континуума: любая масса искривляет его, создавая вокруг себя своего рода «воронку», а движение тел относительно друг друга обусловлено только формой и глубиной этих «воронок».

Карл Шварцшильд

Концепция Эйнштейна казалась настолько революционной, что научный мир не сразу её принял. Одним из доказательств в пользу ОТО могло бы стать обнаружение «замороженных звёзд» — сферических сверхмассивных областей пространства, которые при помощи уравнений Эйнштейна описал Карл Шварцшильд. В отличие от идеи Мичелла, в новой модели до нуля замедлялась не скорость света, но само течение времени. Шварцшильд ввёл понятие гравитационного радиуса, определяющего размер, необходимый для «замерзания» звезды.

Радиус Шварцшильда можно рассчитать для любого тела: например, для Солнца он составляет 3 км, для Земли — около 9 мм. Если б существовала физическая возможность сжать наше светило или планету до указанных размеров без мгновенного взрыва с переходом материи в энергию, то они превратились бы в «замороженные», а течение времени на их поверхности сразу остановилось бы. С другой стороны, если масса исходного объекта значительна, то незачем сжимать его до предельно малых размеров: скажем, «замороженная звезда» массой в миллиард солнечных будет иметь плотность воды.

Роберт Оппенгеймер

В начале 1930-х годов молодой индийский физик Субраманьян Чандрасекар исследовал строение звёзд. Он теоретически показал, что, в зависимости от начальной массы, они эволюционируют по-разному. Если масса звезды меньше 1,4 солнечных, то, сжигая по мере старения своё ядерное топливо, она сбросит оболочку и превратится в белого карлика. Если масса звезды больше этой условной границы, которую позднее назвали «пределом Чандрасекара», то после сброса оболочки она будет сжиматься в нейтронную звезду.

Другие физики, среди которых были Фриц Цвикки и Лев Ландау, в серии работ показали, что нейтронные звёзды образуются в результате взрыва сверхновых, но не всегда: самые массивные из них переходят в иное состояние.

Но какое? В 1939 году Роберт Оппенгеймер (один из будущих создателей американской атомной бомбы) и Хартланд Снайдер на упрощённой математической модели показали, что звезда при коллапсе стягивается к радиусу Шварцшильда и даже преодолевает его! Вывод выглядел столь фантастическим, что учёные в то время не осмелились сделать следующий шаг и заявить: «замороженные звёзды» действительно существуют.

Чёрная дыра звёздной массы в представлении художника

Дальнейшие исследования и расчёты тем не менее показали: ничего невероятного в этом нет. Массивные звёзды во всех случаях превращаются в «замороженные», сила тяготения вблизи которых стремится к бесконечности, а время останавливается. И, главное, таких объектов во Вселенной должно быть очень много, ведь её эволюция началась не вчера. Теперь астрономам предстояло подтвердить или опровергнуть теоретические выкладки.

Постепенно определилась и терминология. Установлено, что первым в начале 1960-х годов «замороженную звезду» стал называть «чёрной дырой» американец Роберт Дик, в своих лекциях сравнивавший этот гипотетический объект с легендарной «Калькуттской чёрной дырой» — маленькой тюремной камерой форта Уильям, где в июне 1756 года погибли десятки пленных англичан.

Новый термин понравился прежде всего журналистам: с 1963 года он стал постоянно появляться на страницах журналов Life и Science News. В студенческой среде новое название прижилось после того, как в январе 1964 года Энн Юинг выступила на конференции Американской ассоциации содействия науке с докладом «Чёрные дыры в космосе». Несмотря на это, авторство термина ошибочно приписывают американскому физику Джону Уилеру, который употреблял его в своих лекциях начиная с декабря 1967 года.

Долгое время оставалось популярным предположение, что через чёрные дыры можно проникнуть в иные вселенные или эпохи

Разумеется, чёрными дырами заинтересовались и фантасты. Необычный космический объект, гравитация которого столь велика, что останавливает время, будоражил воображение. В романе «Шпага Рианнона» (1949), ныне считающемся классикой, знаменитая Ли Брэкетт описала «пузырь тьмы», через который персонаж отправляется в прошлое Марса:

Этот пузырь с пульсирующей чернотой — до чего он похож на черноту тех густо-чёрных пятен, находящихся далеко-далеко на краю Галактики, которые некоторые учёные считают отверстиями в саму бесконечность, окнами в бесконечное «вне» нашей Вселенной.

С тех пор чёрные дыры стали всё чаще появляться на страницах фантастических книг и журналов. Их рассматривали прежде всего как угрозу звездолётам будущего или как «место заключения» невероятно древних и могущественных существ. Впрочем, начиная с первой половины 1970-х годов чёрные дыры в фантастике стали всё больше походить на те описания, что давали физики.

Учёные довольно быстро определились со структурой чёрных дыр, которую удалось описать с помощью ОТО. В рамках этой теории чёрная дыра описывается не как вещество или энергия, а как мощное гравитационное поле, сконцентрированное в чудовищно искривлённой области пространственно-временного континуума. Её внешняя граница представляет собой замкнутую поверхность, которая получила название «горизонт событий»; если перед коллапсом звезда не вращалась, то радиус этой границы совпадает с радиусом Шварцшильда.

Снаружи чёрная дыра ведёт себя как обычный космический объект, только очень и очень тяжёлый. Если мы пошлём в её сторону зонд, что будет передавать световые сигналы через равные промежутки времени, то при его приближении к «горизонту событий» заметим, что интервалы между сигналами увеличиваются, поскольку время на борту замедляется. Длина световой волны, испускаемой зондом, будет стремительно расти, и вскоре сигнал превратится в радиоволны, а потом — в низкочастотные электромагнитные колебания, зафиксировать которые почти невозможно.

Как только зонд пересечёт «горизонт», информация с борта поступать перестанет. При этом аппарат повлияет на чёрную дыру, передав ей свою массу, электрический заряд и момент вращения. Внутри дыры зонд начнёт падать к её центру — сингулярности, которая для неподвижной дыры представляет собой точку, а для вращающейся — кольцо; поперечник сингулярности не может превышать длину Планка-Уилера, равную 1,62×10−33 см. С точки зрения внешнего наблюдателя, зонд будет падать в центр дыры вечно, однако в действительности его разорвут растущие приливные силы. Этот процесс называют «спагеттификацией»: объект резко растягивается по вертикали и сжимается по горизонтали.

Чёрная дыра поглощает звезду (в представлении художника, NASA/JPL-Caltech)

Описанная модель просуществовала недолго. В 1965 году американец Эзра Ньюман, используя ОТО в модификации новозеландца Роя Керра, описал вариант вращающейся чёрной дыры с мощным электрическим зарядом. Оказывается, в таком случае дыра будет окружена эргосферой, которую можно покинуть, не свалившись в сингулярность. Более того, из дальнейших расчётов следовало, что сингулярность такой дыры будет работать как «червоточина» — тоннель в другие вселенные или даже другие эпохи. Разумеется, столь богатой идеей почти сразу воспользовались фантасты: например, способ транспортировки через чёрные дыры описан в романе Джо Холдемана «Бесконечная война» (1974).

Интересные последствия имела и попытка применить к чёрным дырам квантовую механику. Её предпринял в 1975 году знаменитый физик Стивен Хокинг. Флуктуации вакуума непрерывно порождают пары виртуальных частиц (частицу и античастицу), которые при обычных условиях тут же «погибают». Однако если такая пара материализуется на «горизонте событий», то одна частица провалится к сингулярности, а другая при благоприятных условиях вылетит наружу. В результате дыра превращается в источник излучения, которое назвали «испарением Хокинга». Из его выкладок также следовало то, что могут существовать короткоживущие дыры микронных размеров: во время испарения они должны выделять колоссальное количество энергии.

Идеи Хокинга, которые он активно продвигал в своих научно-популярных работах, быстро перекочевали и в фантастику: скажем, микроскопические дыры используют для производства энергии персонажи романа Джона Варли «Горячая линия Офиути» (1977).

Моделирование процесса создания микроскопической чёрной дыры (Lucas Taylor / CERN)

За десятилетия учёные описали множество теоретических моделей чёрных дыр, и определить, какие из них верны, можно только с помощью астрономических наблюдений. Поскольку увидеть дыры невозможно, приходится прибегать к косвенным методам.

Например, если рядом с чёрной дырой находится большая звезда, то дыра втягивает в себя вещество этой звезды (процесс называется аккрецией). При этом вокруг дыры за счёт вращательного момента формируется аккреционный диск, газ в котором разгоняется до релятивистских скоростей и нагревается так, что начинает излучать в рентгеновском диапазоне. Соответственно, диск и саму чёрную дыру можно обнаружить рентгеновским телескопом. К сожалению, этим методом трудно отличить дыры от нейтронных звёзд. Необходимо разглядеть важное отличие: газ, падающий на твёрдую поверхность, продолжает интенсивно излучать, а приближающийся к «горизонту событий» быстро меркнет.

Чёрная дыра с аккреционным диском — мощный источник рентгеновского излучения (в представлении художника, NASA/JPL)

Рентгеновский источник Cygnus X-1 (NASA)

Именно такой эффект был обнаружен при наблюдении за рентгеновским источником Лебедь X-1 (Cygnus X-1), открытом в 1964 году. Он находится в 6070 световых годах от нас и представляет собой двойную систему, состоящую из голубого сверхгиганта HDE 226868 и чёрной дыры с массой 14,8 солнечных и радиусом «горизонта событий» около 300 км. Материя в аккреционном диске нагревается до миллионов градусов, генерируя рентгеновские лучи.

При этом из диска бьют две перпендикулярные струи, уносящие часть набегающего материала в межзвёздное пространство. Интересно, что в декабре 1974 года двойной объект Лебедь X-1 стал предметом дружественного пари между физиками Стивеном Хокингом и Кипом Торном: Хокинг сделал ставку на то, что чёрной дыры там нет. Он признал проигрыш в 1990 году, когда многочисленные наблюдения подтвердили точку зрения его коллеги. Торн в награду получил годовую подписку на журнал Penthouse.

Рентгеновский источник Cygnus X-1 в представлении художника (NASA)

Модели показывают, что чёрные дыры могут сталкиваться и сливаться друг с другом. В результате образуются объекты массой в миллионы и миллиарды солнечных. Сегодня астрофизики полагают, что подобные тела находятся в центрах большинства галактик, включая Млечный Путь. Наша центральная сверхмассивная чёрная дыра Sagittarius A* расположена в созвездии Стрельца, на расстоянии около 26 тысяч световых лет. Странное название объекта — это шутка учёных: обнаруживший чёрную дыру астроном Роберт Браун заявил, что открытие его «очень взбудоражило», а звёздочками в квантовой физике обозначают «возбуждённые состояния» атомов.

Много шума наделало апрельское сообщение группы учёных из проекта Event Horizon Telescope, объединяющего мощности восьми радиотелескопов в разных районах земного шара. Они заявили, что впервые в истории получили прямое изображение тени сверхмассивной чёрной дыры. Эта дыра находится в центре галактики М 87 (Messier 87), расположенной в созвездии Девы на расстоянии 53,5 миллионов световых лет от нас. На то, чтобы обработать астрономические данные и подготовить на их основе исторический снимок, ушло два года. Это достижение подтвердило: модель чёрных дыр, построенная на основе ОТО, ближе всего к действительности. Увы, но оно же поставило крест на гипотезе о «червоточинах» — попасть через чёрные дыры в другие пространства или эпохи невозможно в принципе.

Исторический снимок: тень чёрной дыры в центре галактики М 87, созвездие Девы (ESO [CC BY 4.0])

На фоне последних открытий некоторые космологи, отчаявшись после многолетних попыток описать вселенную с помощью квантовых теорий, и вовсе стали выдвигать чёрные дыры на роль загадочной «тёмной материи», которая составляет большую часть массы вселенной. Более того, из этой гипотезы астронома Ника Горькавого следует, что вся наша вселенная расположена внутри чёрной дыры, а в её центре находится не сингулярность, а самое обычное пространство. Правда это или нет, пока неизвестно: посмотрим, что покажут данные.

Впрочем, непосредственное изучение чёрных дыр ещё только начинается. И никто сегодня не может сказать, куда заведёт науку желание заглянуть в «пузырь тьмы»…

Что с вами произойдет внутри черной дыры?

• Аманда Гефтер
• BBC Earth

6 июля 2015

Автор фото, Thinkstock

Возможно, вы думаете, что человека, попавшего в черную дыру, ждет мгновенная смерть. В действительности же его судьба может оказаться намного более удивительной, рассказывает корреспондент BBC Earth.

Что произойдет с вами, если вы попадете внутрь черной дыры? Может быть, вы думаете, что вас раздавит – или, наоборот, разорвет на клочки? Но в действительности все гораздо страннее.

В тот момент, когда вы попадете в черную дыру, реальность разделится надвое. В одной реальности вас мгновенно испепелит, в другой же – вы нырнете вглубь черной дыры живым и невредимым.

Внутри черной дыры не действуют привычные нам законы физики. Согласно Альберту Эйнштейну, гравитация искривляет пространство. Таким образом, при наличии объекта достаточной плотности пространственно-временной континуум вокруг него может деформироваться настолько, что в самой реальности образуется прореха.

Массивная звезда, израсходовавшая все топливо, может превратиться именно в тот тип сверхплотной материи, который необходим для возникновения подобного искривленного участка Вселенной. Звезда, схлопывающаяся под собственной тяжестью, увлекает за собой пространственно-временной континуум вокруг нее. Гравитационное поле становится настолько сильным, что даже свет больше не может из него вырваться. В результате область, в которой ранее находилась звезда, становится абсолютно черной – это и есть черная дыра.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Никто точно не знает, что происходит внутри черной дыры

Внешняя поверхность черной дыры называется горизонтом событий. Это сферическая граница, на которой достигается баланс между силой гравитационного поля и усилиями света, пытающегося покинуть черную дыру. Если пересечь горизонт событий, вырваться будет уже невозможно.

Горизонт событий лучится энергией. Благодаря квантовым эффектам, на нем возникают потоки горячих частиц, излучаемых во Вселенную. Это явление называется излучением Хокинга – в честь описавшего его британского физика-теоретика Стивена Хокинга. Несмотря на то, что материя не может вырваться за пределы горизонта событий, черная дыра, тем не менее, “испаряется” – со временем она окончательно потеряет свою массу и исчезнет.

По мере продвижения вглубь черной дыры пространство-время продолжает искривляться и в центре становится бесконечно искривленным. Эта точка известна как гравитационная сингулярность. Пространство и время в ней перестают иметь какое-либо значение, а все известные нам законы физики, для описания которых необходимы эти два понятия, больше не действуют.

Никто не знает, что именно ждет человека, попавшего в центр черной дыры. Иная вселенная? Забвение? Задняя стенка книжного шкафа, как в американском научно-фантастическом фильме “Интерстеллар”? Это загадка.

Давайте порассуждаем – на вашем примере – о том, что произойдет, если случайно попасть в черную дыру. Компанию в этом эксперименте вам составит внешний наблюдатель – назовем его Анной. Итак, Анна, находящаяся на безопасном расстоянии, в ужасе наблюдает за тем, как вы приближаетесь к границе черной дыры. С ее точки зрения события будут развиваться весьма странным образом.

По мере вашего приближения к горизонту событий Анна будет видеть, как вы вытягиваетесь в длину и сужаетесь в ширину, будто она рассматривает вас в гигантскую лупу. Кроме того, чем ближе вы будете подлетать к горизонту событий, тем больше Анне будет казаться, что ваша скорость падает.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

В центре черной дыры пространство бесконечно искривлено

Вы не сможете докричаться до Анны (поскольку в безвоздушном пространстве звук не передается), но можете попытаться подать ей знак азбукой Морзе при помощи фонарика в вашем iPhone. Однако ваши сигналы будут достигать ее со все возрастающими интервалами, а частота света, испускаемого фонариком, будет смещаться в сторону красного (длинноволнового) участка спектра. Вот как это будет выглядеть: “Порядок, п о р я д о к, п о р я…”.

Когда вы достигнете горизонта событий, то, с точки зрения Анны, замрете на месте, как если бы кто-то поставил воспроизведение на паузу. Вы останетесь в неподвижности, растянутым по поверхности горизонта событий, и вас начнет охватывать все возрастающий жар.

С точки зрения Анны, вас будут медленно убивать растяжение пространства, остановка времени и жар излучения Хокинга. Прежде чем вы пересечете горизонт событий и углубитесь в недра черной дыры, от вас останется один пепел.

Но не спешите заказывать панихиду – давайте на время забудем об Анне и посмотрим на эту ужасную сцену с вашей точки зрения. А с вашей точки зрения будет происходить нечто еще более странное, то есть ровным счетом ничего особенного.

Вы летите прямиком в одну из самых зловещих точек Вселенной, не испытывая при этом ни малейшей тряски – не говоря уже о растяжении пространства, замедлении времени или жаре излучения. Все потому, что вы находитесь в состоянии свободного падения и поэтому не чувствуете своего веса – именно это Эйнштейн назвал “самой удачной идеей” своей жизни.

Действительно, горизонт событий – это не кирпичная стена в космосе, а явление, обусловленное точкой зрения наблюдающего. Наблюдатель, остающийся снаружи черной дыры, не может заглянуть внутрь сквозь горизонт событий, но это его проблема, а не ваша. С вашей точки зрения никакого горизонта не существует.

Если бы размеры нашей черной дыры были меньше, вы и правда столкнулись бы с проблемой – гравитация действовала бы на ваше тело неравномерно, и вас вытянуло бы в макаронину. Но, по счастью для вас, данная черная дыра велика – она в миллионы раз массивнее Солнца, так что гравитационная сила достаточно слаба, чтобы можно было ею пренебречь.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Вы не можете вернуться и выбраться из черной дыры – точно так же, как никто из нас не способен на путешествие в прошлое

Внутри достаточно крупной черной дыры вы даже сможете вполне нормально прожить остаток жизни, пока не умрете в гравитационной сингулярности.

Вы можете спросить, насколько нормальной может быть жизнь человека, помимо воли увлекаемого к дыре в пространственно-временном континууме без шанса на то, чтобы когда-нибудь выбраться наружу?

Но если вдуматься, нам всем знакомо это ощущение – только применительно ко времени, а не к пространству. Время идет только вперед и никогда вспять, и оно действительно влечет нас за собою помимо нашей воли, не оставляя нам шанса на возвращение в прошлое.

Это не просто аналогия. Черные дыры искривляют пространственно-временной континуум до такой степени, что внутри горизонта событий время и пространство меняются местами. В каком-то смысле вас влечет к сингулярности не пространство, а время. Вы не можете вернуться назад и выбраться из черной дыры – точно так же, как никто из нас не способен на путешествие в прошлое.

Возможно, теперь вы задаетесь вопросом, что же не так с Анной. Вы летите себе в пустом пространстве черной дыры и с вами все в порядке, а она оплакивает вашу гибель, утверждая, что вас испепелило излучение Хокинга с внешней стороны горизонта событий. Уж не галлюцинирует ли она?

В действительности утверждение Анны совершенно справедливо. С ее точки зрения, вас действительно поджарило на горизонте событий. И это не иллюзия. Анна может даже собрать ваш пепел и отослать его вашим родным.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Горизонт событий — не кирпичная стена, он проницаем

Дело в том, что, в соответствии с законами квантовой физики, с точки зрения Анны вы не можете пересечь горизонт событий и должны остаться с внешней стороны черной дыры, поскольку информация никогда не теряется безвозвратно. Каждый бит информации, отвечающий за ваше существование, обязан оставаться на внешней поверхности горизонта событий – иначе с точки зрения Анны, будут нарушены законы физики.

С другой стороны, законы физики также требуют, чтобы вы пролетели сквозь горизонт событий живыми и невредимыми, не повстречав на своем пути ни горячих частиц, ни каких-либо иных необычных явлений. В противном случае будет нарушена общая теория относительности.

Итак, законы физики хотят, чтобы вы одновременно находились снаружи черной дыры (в виде горстки пепла) и внутри нее (в целости и сохранности). И еще один немаловажный момент: согласно общим принципам квантовой механики, информацию нельзя клонировать. Вам нужно находиться в двух местах одновременно, но при этом лишь в одном экземпляре.

Такое парадоксальное явление физики называют термином “исчезновение информации в черной дыре”. По счастью, в 1990-х гг. ученым удалось этот парадокс разрешить.

Американский физик Леонард Зюсскинд понял, что никакого парадокса на самом деле нет, поскольку никто не увидит вашего клонирования. Анна будет наблюдать за одним вашим экземпляром, а вы – за другим. Вы с Анной никогда больше не встретитесь и не сможете сравнить наблюдения. А третьего наблюдателя, который мог бы наблюдать за вами как снаружи, так и изнутри черной дыры одновременно, не существует. Таким образом, законы физики не нарушаются.

Разве что вы захотите узнать, какой из ваших экземпляров реален, а какой нет. Живы вы в действительности или умерли?

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Пролетит ли человек сквозь горизонт событий целым и невредимым или врежется в огненную стену?

Дело в том, что никакого “в действительности” нет. Реальность зависит от наблюдателя. Существует “в действительности” с точки зрения Анны и “в действительности” с вашей точки зрения. Вот и всё.

Почти всё. Летом 2012 г. физики Ахмед Альмхеири, Дональд Маролф, Джо Полчински и Джеймс Салли, коллективно известные под английской аббревиатурой из первых букв своих фамилий как AMPS, предложили мысленный эксперимент, который грозил перевернуть наше представление о черных дырах.

По словам ученых, разрешение противоречия, предложенное Зюсскиндом, основывается на том, что разногласие в оценке происходящего между вами и Анной опосредовано горизонтом событий. Неважно, действительно ли Анна видела, как один из двух ваших экземпляров погиб в огне излучения Хокинга, поскольку горизонт событий не давал ей увидеть ваш второй экземпляр, улетающей вглубь черной дыры.

Но что, если бы у Анны имелся способ узнать, что происходит по ту сторону горизонта событий, не пересекая его?

Общая теория относительности говорит нам, что это невозможно, но квантовая механика слегка размывает жесткие правила. Анна могла бы одним глазком заглянуть за горизонт событий при помощи того, что Эйнштейн называл “жутким дальнодействием”.

Речь идет о квантовой запутанности – явлении, при котором квантовые состояния двух или более частиц, разделенных пространством, загадочным образом оказываются взаимозависимыми. Эти частицы теперь формируют единое и неделимое целое, а информация, необходимая для описания этого целого, заключена не в той или иной частице, а во взаимосвязи между ними.

Идея, выдвинутая AMPS, звучит следующим образом. Предположим, Анна берет частицу поблизости от горизонта событий – назовем ее частицей A.

Если ее версия произошедшего с вами соответствует действительности, то есть вас убило излучение Хокинга с внешней стороны черной дыры, значит, частица A должна быть взаимосвязана с другой частицей – B, которая также должна находиться с внешней стороны горизонта событий.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Черные дыры могут притягивать к себе материю близлежащих звезд

Если действительности соответствует ваше видение событий, и вы живы-здоровы с внутренней стороны, тогда частица A должна быть взаимосвязана с частицей C, находящейся где-то внутри черной дыры.

Прелесть этой теории заключается в том, что каждая из частиц может быть взаимосвязана только с одной другой частицей. Это значит, что частица A связана или с частицей B, или с частицей C, но не с обеими одновременно.

Итак, Анна берет свою частицу A и пропускает ее через имеющуюся у нее машинку для расшифровки запутанности, которая дает ответ – связана ли эта частица с частицей B или с частицей C.

Если ответ – C, ваша точка зрения восторжествовала в нарушение законов квантовой механики. Если частица A связана с частицей C, находящейся в недрах черной дыры, то информация, описывающая их взаимозависимость, оказывается навсегда утерянной для Анны, что противоречит квантовому закону, согласно которому информация никогда не теряется.

Если же ответ – B, то, вопреки принципам общей теории относительности, права Анна. Если частица A связана с частицей B, вас действительно испепелило излучение Хокинга. Вместо того, чтобы пролететь сквозь горизонт событий, как того требует теория относительности, вы врезались в стену огня.

Итак, мы вернулись к вопросу, с которого начинали – что произойдет с человеком, попавшим внутрь черной дыры? Пролетит ли он сквозь горизонт событий целым и невредимым благодаря реальности, которая удивительным образом зависит от наблюдателя, или врежется в огненную стену (black holes firewall, не путать с компьютерным термином firewall, “брандмауэр”, программным обеспечением, защищающим ваш компьютер в сети от несанкционированного вторжения – Ред.)?

Никто не знает ответа на этот вопрос, один из самых спорных вопросов теоретической физики.

Уже свыше 100 лет ученые пытаются примирить принципы общей теории относительности и квантовой физики в надежде на то, что в конце концов та или другая возобладает. Разрешение парадокса “огненной стены” должно ответить на вопрос, какие из принципов взяли верх, и помочь физикам создать всеобъемлющую теорию.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

А может, в следующий раз отправить в черную дыру Анну?

Решение парадокса исчезновения информации может крыться в дешифровальной машинке Анны. Определить, с какой именно другой частицей взаимосвязана частица A, чрезвычайно трудно. Физики Дэниэл Харлоу из Принстонского университета в Нью-Джерси и Патрик Хайден, который сейчас работает в калифорнийском Стэнфордском университете в Калифорнии, задались вопросом, сколько на это потребуется времени.

В 2013 г. они подсчитали, что даже при помощи наибыстрейшего компьютера, который возможно создать в соответствии с физическими законами, Анне потребовалось бы чрезвычайно много времени на то, чтобы расшифровать взаимосвязь между частицами – настолько много, что к тому моменту, как она получит ответ, черная дыра давным-давно испарится.

Если это так, вероятно, Анне просто не суждено когда-либо узнать, чья точка зрения соответствует действительности. В этом случае обе истории останутся одновременно правдивыми, реальность – зависящей от наблюдателя, и ни один из законов физики не будет нарушен.

Кроме того, связь между сверхсложными вычислениями (на которые наш наблюдатель, по всей видимости, не способен) и пространственно-временным континуумом может натолкнуть физиков на какие-то новые теоретические размышления.

Таким образом, черные дыры – не просто опасные объекты на пути межзвездных экспедиций, но и теоретические лаборатории, в которых малейшие вариации в физических законах вырастают до таких размеров, что ими уже невозможно пренебречь.

Если где-то и таится истинная природа реальности, искать ее лучше всего в черных дырах. Но пока у нас нет четкого понимания того, насколько безопасен для человека горизонт событий, наблюдать за поисками безопаснее все же снаружи. В крайнем случае можно в следующий раз отправить в черную дыру Анну – теперь ее очередь.

Опровергнута знаменитая теория Стивена Хокинга о черных дырах

Исследователи из Массачусетского технологического института (США) в новом исследовании доказали, что черные дыры не имеют так называемых “волос”, о которых утверждал Стивен Хокинг, а являются простыми и “лысыми”.

Как сообщает Live Science, речь идет о теории знаменитого британского физика-теоретика Стивена Хокинга. Он считал, что у черных дыр есть “мягкие волосы” – фотоны с почти нулевой энергией, благодаря которым часть информации просачивается из черных дыр наружу, а не поглощается ими полностью.

Долгое время считалось, что энергия таких частиц света настолько мала, что ее практически невозможно зафиксировать приборами. Однако в 2017 году была зарегистрирована гравитационная волна, которая прокатилась по всей Земле.

Ее зафиксировал лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Эта волна была результатом столкновения двух черных дыр в далеком космосе. Спустя два года ученые заново исследовали ее и пришли к вводу, что черные дыры являются “лысыми”.

“Когда физики говорят, что у черных дыр нет “волос”, то они имеют в виду, что эти астрофизические объекты очень просты, – говорит ведущий автор исследования Максимилиано Изи, физик из Массачусетского технологического института. – Теоретически черные дыры отличаются друг от друга только тремя факторами: скоростью вращения, массой и электрическим зарядом. Но в реальном мире их отличие сводится, в основном, только к массе и скорости. Физики называют такие “лысые” объекты “керровскими черными дырами”.

По его словам, отсутствие “волос” делает черные дыры практически уникальными – этим они отличаются от почти всех других объектов во Вселенной. В качестве примера ученый приводит колокол.

Его звон зависит от ряда факторов, например, от материала, из которого он изготовлен, от его формы и размера. А черные дыры, согласно теории об отсутствии “волос”, – это все однородные сингулярности.

“Секрет всего этого заключается в том, что форма волны – паттерн растяжения и сжатия – кодирует информацию об источнике, который и произвел эту гравитационную волну”, – говорит Изи.

Простейшая часть изученной формы волны возникла после того, как две черные дыры слились в одну большую черную дыру. Она продолжала “звенеть” некоторое время, посылая избыточную энергию в космос в виде гравитационных волн – это то, что астрофизики называют “процессом отбоя”.

Данные гравитационно-волновых наблюдений в результате сошлись с прогнозом о строении черных дыр, который ранее был предложен сторонниками теории “лысых” черных дыр.

Ученые получили первое в истории фото черной дыры: почему это важно | Громадское телевидение

«Представьте, что вы с Земли пытаетесь сфотографировать апельсин, который лежит на Луне», — примерно так описала съемки черной дыры участница международной группы исследователей, которые 10 апреля обнародовали первое в истории фото черной дыры.

Проект под названием Event Horizon Telescope (Телескоп горизонта событий, EHT) использовал восемь радиотелескопов, расположенных на 3 континентах, чтобы сфотографировать черную дыру в центре галактики Messier 87 (M87), в созвездии Девы на расстоянии около 55 млн световых лет от Земли.

Эта черная дыра считается одной из самых тяжелых среди тех, которые известны ученым, ее масса превышает массу Солнца в 6,5 млрд раз, астрономы в шутку называют ее «монстром» и «чемпионом в тяжелом весе». В чем заключается важность этого фото, выясняло Громадское.

Что увидели ученые

Если быть точными, ученым удалось сфотографировать не саму черную дыру, а ее «тень» — то, как дыра выглядит на фоне диска из яркой и раскаленной материи, которая его окружает. Эта материя состоит из газа. Но сама черная дыра — это часть пространства-времени, которая, по своей природе, не может быть заметна: у нее настолько мощная сила гравитации, что ее не может покинуть ни один объект, даже свет. Словом, черная дыра затягивает все, что в нее попадает, ее граница — «горизонт событий», точка невозврата.

Как «фотографировали»

Непосредственно наблюдения за черной дырой продолжались несколько суток в апреле 2017 года. При этом астрофизикам повезло: во всех точках планеты, где расположены обсерватории, была хорошая погода.

Участники проекта изначально планировали получить изображение сверхмассивной черной дыры в ядре Млечного Пути. Эта черная дыра под названием «Стрелец А*», относительно маленькая: ее масса превышает солнечную всего в 4 млн раз. Впрочем, команда ученых решила пойти дальше и исследовать черную дыру в галактике M87, поскольку она является одной из крупнейших и наиболее близко расположенных к Земле. Кроме того, за ней оказалось гораздно проще наблюдать, чем за «Стрельцом А*».

Фото черной дыры получили не с помощью оптического телескопа, а благодаря интерферометрии — процесса, который сочетает данные одновременного наблюдения из нескольких радиотелескопов. Астрономы привлекли шесть обсерваторий в Мексике, США (штаты Аризона и Гавайи), Чили и Испании, и направили восемь мощных радиотелескопов в центр галактики M87. Собранные одновременно данные исследовали, затем объединили и получили долгожданное изображение.

Опережая время

Как объяснил Пол Херц, директор астрофизического отдела в штаб-квартире NASA в Вашингтоне, еще несколько лет назад ученые считали, что для этого исследования им придется построить очень большой космический телескоп.

«Но благодаря тому, что радиотелескопы по всему миру работали слаженно, как один инструмент, команда EHT достигла этого на десятилетие раньше», — объяснил ученый.

Эйнштейн был прав

Обнародованное учеными изображение черной дыры фактически подтверждает теорию гравитации и общую теорию относительности, предложенную Альбертом Эйнштейном в 1915 году: именно она предполагала существование черных дыр. Об этом Громадскому рассказал Богдан Гнатик, украинский ученый-астрофизик, доктор физико-математических наук, научный сотрудник Астрономической обсерватории КНУ имени Тараса Шевченко.

Черные дыры до недавнего времени существовали как гипотетические объекты. Лишь в последние 10-15 лет ученые-астрофизики позволяли себе заявлять об их существовании, поскольку доказывали это экспериментально. Ведь черная дыра — это объект, наличие которого нельзя подтвердить «материально».

К примеру, открыв новую планету, можно запустить на нее спутник, взять пробы почвы и доставить на Землю. С черной дырой так сделать нельзя, объясняет Гнатик: это часть пространства-времени, из которой к нам сигналы не доходят. Мы можем получать сигнал только из окрестности черной дыры — так называемого горизонта событий, что, собственно, и сделали ученые.

«Впервые нам удалось заглянуть так близко, до самого горизонта событий, в так называемую поверхность черной дыры, и опять же подтвердить, что общая теория относительности Эйнштейна — справедливая, такие объекты есть, и их свойства действительно соответствуют характеристикам, которые предсказывает общая теория относительности. Оказывается, эйнштейновская теория выдерживает все испытания и остается правильной», — объяснил астрофизик.

Важно ли именно визуальное изображение?

Нет. Как объяснил ученый, чего-то «качественно нового» это открытие не принесло. Ведь ученые и раньше моделировали вид и строение черных дыр, а теперь только подтвердили предыдущие моделирования.

«Фото нам реально показало то, что есть. Грубо говоря, вы сейчас взяли лучший микроскоп и увидели более подробно, скажем, клетку», — рассказал ученый.

Наиболее подробным изображением черной дыры в массовой культуре считается образ черной дыры «Гаргантюа», которая изображена в голливудской ленте «Интерстеллар». За ее визуализацию отвечал американский астрофизик Кип Торн, который получил Нобелевскую премию за открытие гравитационных волн.

Черная дыра – что это, как выглядит, описание, строение, характеристики, фото и видео

Автор Кирилл Шевелев На чтение 15 мин. Опубликовано 26.09.2020 Обновлено 26.09.2020

Черная дыра – удивительное явление, встречающееся во Вселенной. Оно представляет большой интерес для ученых, однако в процессе его изучения они сталкиваются со многими трудностями. Тем не менее, современные технологии позволяют не только построить теории об устройстве черных дыр, но и проверить их на практике. Более того, в 2019-ом году ученым даже удалось сделать первую в мире фотографию, на которой изображен данный космический объект.

Что такое черная дыра?

Изображение черной дыры с четко выраженным горизонтом событий

Это может показаться странным, но черные дыры являются самыми простыми объектами во Вселенной в плане характеристик. У них есть лишь два параметра: скорость вращения и масса. В астрофизике считается, что они являются финальным этапом эволюции звезд. Когда жизненный цикл светила подходит к концу, оно взрывается, а его центр превращается в черную дыру.

Поверхность новообразованного небесного тела называется горизонтом событий. Но нужно понимать, что у черной дыры отсутствует физическая оболочка. Под данным термином подразумевается лишь пространство на определенном расстоянии от центра, где заканчивается действие силы притяжения. Когда объект или свет пересекает горизонт событий, он уже не может выбраться из черной дыры, поскольку оказывается в сильном гравитационном поле.

Интересный факт: чтобы покинуть черную дыру, объект должен двигаться навстречу времени, т.е. перемещаться в прошлое, что в принципе невозможно.

Почему черные дыры так называются?

Изначально данные космические объекты назывались коллапсарами. Однако в XX веке журналисты научных изданий начали использовать словосочетание “черная дыра”. Оно так сильно понравилось физику Джону Уиллеру, что он вывел его на уровень официального обозначения.

Черные дыры получили такое название, поскольку полностью поглощают свет, из-за чего их нельзя увидеть. Разглядеть объект можно лишь в том случае, если вокруг горизонта событий находится оболочка из определенного вещества, например, газа. Также черная дыра хорошо заметна, если она впитывает вещество и энергию из расположенной рядом звезды. В противном случае обнаружить ее не удасться, поскольку она будет невидима для человеческого глаза и приборов.

Черная дыра вокруг звездного скопления

Хоть данные объекты и поглощают свет полностью, никак его не отражая, есть гипотеза, что они могут обладать излучением. Во время своего существования черная дыра способна испускать в пространство разные простейшие частицы, большую часть которых составляют фотоны. С физической точки зрения этот процесс напоминает постепенное испарение. На данный момент это явление не доказано, и существует лишь гипотетическая модель. Ученые называют его излучением Хокинга.

Видимыми черные дыры становятся, когда сталкиваются друг с другом. От них в пространство начинают исходить заметные гравитационные волны.

Как появляются черные дыры?

Появление черных дыр напрямую зависит от их массы. По этому параметру они разделяются на две категории: околосолнечные – их вес равен нескольким Солнцам, и массивные – у них данный параметр в миллионы раз больше.

Как черные дыры участвуют в формировании космоса

Интересный факт: размеры черной дыры пропорциональны ее массе. Чем она больше весит, тем шире горизонт событий.

Исследования показывают, что околосолнечные черные дыры имеют большой возраст и скорее всего появились на ранних этапах формирования Вселенной. Они образовались в результате сжатия звезд, размеры которых в 25-70 раз превышают габариты Солнца. Когда светило прекращало уменьшаться, оно взрывалось, а его центр превращался в черную дыру.

Массивные объекты в большинстве случаев образуются из гигантских газовых облаков. Массы последних как раз хватает, чтобы сформировалась черная дыра больших размеров, которая весит в миллионы раз больше Солнца. На территории Млечного Пути существует одна из таких под названием Стрелец А*. Она находится в 26 тысячах световых лет от Солнечной системы. Эта черная дыра появилась примерно в то же время, что и галактика, и располагается в ее центре. Основным материалом для нее послужило газовое облако, которое сжалось до малых размеров. Также есть версия, что черная дыра в Млечном Пути появилась после взрыва звезды гигантских размеров.

На протяжении своего существования оба вида объектов притягивают из пространства вещества, которые пересекают их горизонт событий. Из-за этого габариты черной дыры постепенно увеличиваются. Более того, если поглощение происходит лишь с одной стороны, она начинает вращаться в определенную сторону.

Какой формы черная дыра?

Все черные дыры вращаются вокруг своей оси. И от скорости напрямую зависит их внешний вид. Если движение происходит медленно, то форма объекта будет сферической. Но когда черная дыра вращается с большой скоростью, ее полюса сплющиваются, из-за чего она становится овальной.

Черные дыры бывают круглыми или овальными

На данный момент современных технологий хватает на то, чтобы определить форму объекта. Но ученым до сих пор не удается узнать, что находится в центре черной дыры. Известно, что там не действуют физические законы, а кривизна пространства стремится к бесконечности. Пока самым распространенным мнением считается, что внутри черной дыры находится сингулярность.

Структура и физика черных дыр

Схема строения черной дыры

Любая черная дыра имеет два основных элемента. Горизонт событий – границу, при пересечении которой объект гарантированно окажется в гравитационном поле, и сингулярность. Последняя наполняет внутреннюю область. Ученые до сих пор не могут определить, что именно находится в ней. Известно, что внутри искажается время и пространство, не действуют законы физики.

Когда черная дыра вращается, вокруг горизонта событий появляется эргосфера. Находящиеся в этой области объекты также движутся в этом направлении. Однако притяжение действует недостаточно сильно, чтобы затягивать их в сингулярность. Соответственно, объекты могут покинуть эргосферу.

Интересный факт: чем больше весит черная дыра, тем меньше ее плотность. Это связано с тем, что с увеличением веса ее объем растет большими темпами.

https://www.youtube.com/watch?v=Z621_h_NijI

Виды черных дыр

Изучение Вселенной позволило ученым выявить четыре вида черных дыр, обладающих определенными особенностями.

Черные дыры звездных масс

Черная дыра звездной массы

Этот вид черных дыр появляется после выгорания топлива в звезде. Когда термоядерная реакция внутри светила прекращается, оно начинает остывать и сжиматься из-за сильной гравитации. Если на определенном этапе процесс остановится, то объект превратится в нейтронную звезду. Но если он продолжится, то в конечном итоге из-за гравитационного коллапса светило станет черной дырой.

Сверхмассивные черные дыры

Сверхмассивная черная дыра

Представители данного класса обладают гигантскими размерами и большой массой. Не так давно американские ученые доказали, что данные объекты обладают гораздо большим весом, чем считалось ранее. Например, по предварительным оценкам, масса черной дыры, расположенной в центре галактики М87, равнялась трем миллиардам солнечных. Но более детальные исследования показали, что этот параметр значительно выше. Для того, чтобы черная дыра способствовала вращению звезд в галактике, она должна весить 6,5 млрд солнечных масс.

Интересный факт: в большинстве случаев сверхмассивная черная дыра располагается в центре галактики и выполняет роль ядра.

Сверхмассивные черные дыры могут появляться как из звезд, так и из газовых облаков. При этом они поглощают большое количество материала из пространства, продолжая наращивать вес и габариты.

Первичные черные дыры

Один из вариантов изображения первичной черной дыры

Существование первичных черных дыр во Вселенной пока не доказано. Считается, что если на ранних этапах формирования космоса в гравитационных полях возникали колебания и появлялись сильные отклонения в их однородности, это могло способствовать образованию подобных объектов.-5 г, что делает максимон самой тяжелой элементарной частицей.

Сколько черных дыр в нашей галактике?

Галактика Млечный Путь

Обнаружение черных дыр – довольно сложный процесс, требующий долгого наблюдения за космосом и сбора множества данных. Более того, многие подобные объекты остаются незаметными до тех пор, пока не начнут поглощать вещество, находящееся в близлежащем пространстве.

На территории Млечного Пути обнаружено в районе десяти черных дыр, за которыми регулярно ведется наблюдение. Однако внутри галактики могут существовать миллионы подобных небесных тел, причем среди них будут встречаться как небольшие, так и сверхмассивные.

Интересный факт: в Млечном Пути находится примерно 400 млн звезд, которые обладают достаточной массой, чтобы превратиться в черную дыру.

В 2005-ом году была обнаружена неоднородная область, которая постепенно перемещается вокруг центра галактики. Полученные данные указывают на то, что в этом участке Млечного Пути может находиться до 20-ти тысяч черных дыр.

Несколько лет назад японские астрономы открыли объект, расположенный возле Стрельца А*. Его масса равна 100 тыс. солнечным, а диаметр составляет 0,3 световых года. Он также может являться черной дырой.

Самая большая черная дыра

Сравнение размеров самой крупной черной дыры и Солнечной системы (в центре)

Самая крупная черная дыра, известная человечеству, носит название FSRQ блазар, находится в галактике S5 0014+81 и выполняет роль ее ядра. Объект отдален от Солнечной системы на 12 млрд световых лет.

Вес небесного тела составляет 40 млрд солнечных масс, а диаметр примерно 0,026 световых лет. Возраст FSRQ блазар равен примерно 12 млрд лет. Это означает, что она появилась всего лишь спустя полтора миллиарда лет с момента появления Вселенной.

Изучив небесное тело, ученые пришли к выводу, что его ресурсов хватит для того, чтобы просуществовать до эпохи черных дыр и стать одним из последних объектов в космосе. Под данной эпохой подразумевается один из сценариев развития будущего Вселенной, когда практически все звезды галактик погаснут, и большинство из них превратится в черные дыры.

Зачем изучают черные дыры, и сколько их открыто?

Первое фото черной дыры, сделанное в 2019-ом году. На нем изображена сверхмассивная черная дыра галактики M87.

Ученые занимаются изучением черных дыр, поскольку множество свойств Вселенной связано с этими объектами. Они служат центрами галактик и способствуют их вращению. Столкновение черных дыр образует гравитационные волны. Отдельный интерес представляет пространство внутри, которое не подчиняется законам физики. Изучение черных дыр позволяет лучше понять принципы устройства космоса.

На данный момент астрономами обнаружено и изучено в районе десяти дыр. Также ведется наблюдение за большим количеством объектов, которые обладают похожими свойствами. Но имеющейся информации недостаточно, чтобы доказать их принадлежность к классу черных дыр.

Что будет, если попасть в черную дыру?

Если человек окажется в черной дыре, то ничего хорошего с ним явно не случится. Когда любой объект проходит через горизонт событий, он оказывается под влиянием сильного гравитационного поля. Из-за этого с одной стороны его начинает сильно растягивать, а с другой – сплющивать. Данный процесс будет продолжаться до тех пор, пока предмет не разделится на атомы и не сольется с сингулярностью.

Изображение космонавта, затягиваемого в черную дыру

Интересный факт: в некоторых научных фильмах, книгах и компьютерных играх черные дыры выполняют роль порталов, однако в действительности с их помощью нельзя переместиться в иное измерение или другую точку пространства.

Могут ли черные дыры столкнуться друг с другом?

Столкновение черных дыр

Черные дыры могут столкнуться, но для этого требуется, чтобы они оказались на небольшом расстоянии друг от друга. Чаще всего данный процесс можно наблюдать после угасания двойной звезды. Когда оба светила, расположенных на небольшом расстоянии, превращаются в черные дыры, последние начинают сближение и сталкиваются.

Также это явление возможно при слиянии галактик. Во время этого процесса две дыры из разных звездных скоплений могут оказаться рядом и столкнуться. Но такое явление происходит редко, примерно раз в несколько миллиардов лет.

Когда черные дыры сталкиваются друг с другом, начинается процесс слияния, который длится несколько десятков лет. Во время него объекты становятся единым целым, сингулярность внутри них также смешивается. Фактически, после столкновения черных дыр получается одна, но обладающая гораздо большими размерами.

Белые дыры

Изображение белой дыры

Белая дыра является полной противоположностью черной. Ее главная особенность заключается в том, что за ее горизонт событий невозможно проникнуть. Белые дыры также принято называть “безмассовыми сингулярностями”, поскольку внутри них отсутствует материя, а сами они ничего не весят.

Впервые о данных объектах заговорили в 1970-х годах, и с тех пор астрофизики не оставляют надежд найти хотя бы один в космическом пространстве. На данный момент ученые еще ни разу не наблюдали белые дыры, поэтому их существование обусловлено лишь теоретическими данными.

Если черные поглощают свет и не дают ему выбраться за горизонт событий, то белые наоборот, выбрасывают его в пространство с такой силой, что сквозь излучение невозможно прорваться и оказаться внутри. Если такой объект существует в реальности, то он обладает большой яркостью, во много раз превышающей тот же параметр у звезд.

Также есть несколько причин, указывающих на невозможность существования белых дыр. Во-первых, на протяжении своей “жизни” этот объект должен из сингулярности постепенно формироваться в звезду. Получается, он будет испускать в пространство большое количество энергии, но при этом, также и накапливать ее. Это то же самое, если бы горячий объект нагревал пространство вокруг, но и сам сохранял температуру без посторонней помощи. На данный момент такой процесс считается невозможным. Во-вторых, сингулярность внутри белой дыры должна образоваться самостоятельно, а не появиться в результате угасания звезды. Ее спонтанное формирование также считается маловероятным.

Но во вселенной встречаются и намеки на существование белых дыр. К числу таких можно отнести гамма-всплеск. Это явление, во время которого в пространство излучается большое количество энергии.

Интересный факт: за одну секунду гамма-всплеск может выделить в пространство столько же энергии, сколько Солнце испускает за 1 миллиард лет.

Как исчезают черные дыры

Иллюстрация медленного испарения черной дыры

На данный момент ученые еще ни разу не наблюдали процесс исчезновения черной дыры, поэтому неизвестно, если ли у данного объекта срок существования. Стивен Хокинг выдвинул теорию, в которой попытался объяснить, как может проходить это явление. Оно получило название “испарение черной дыры”.

Суть теории Хокинга строится на появлении виртуальных частиц. Это попарные микроскопические объекты, которые регулярно появляются в вакууме. И если виртуальные частицы образуются на границе горизонта событий, то они разорвутся. Одна полетит к центру черной дыры, а вторая – в сторону от нее. При этом, первая частица будет обладать отрицательной энергией. Это означает, что черная дыра потеряет количество массы, равное ее весу.

И если такая “бомбардировка” будет продолжаться регулярно, то постепенно небесное тело полностью утратит массу и исчезнет. Но данный процесс займет много времени. Однако у данной теории есть противники, поскольку если черная дыра теряет массу при поглощении объекта, утрата должна компенсироваться весом попавшего внутрь вещества.

Почему черная дыра не засасывает галактику

Рендер изображения черной дыры

Черные дыры, расположенные в центре галактики, постепенно поглощают находящееся вокруг вещество и увеличивают свой объем. Но еще не зарегистрировано ни одного случая, чтобы хотя бы один объект данного типа полностью засосал внутрь себя целое звездное скопление.

Полное поглощение галактики не происходит из-за закона всемирного тяготения и ряда других причин. Черная дыра обладает гравитационным притяжением, но чем дальше от нее находится объект, тем слабее он ощущает на себе его влияние. Также все небесные тела, расположенные в галактике, вращаются по кругу, что замедляет процесс поглощения. Фактически, в этой ситуации черная дыра выступает в роли Солнца, а галактика – это планеты, которые вращаются вокруг него, но на определенном расстоянии.

Если теория “испарения” верна, то она также может объяснить, почему черная дыра не засасывает все вокруг. Впитав достаточно вещества и энергии, она должна такое же количество выбрасывать в пространство. Соответственно, появляется баланс, при котором поглощение прекращается. Некоторые вещества вблизи черной дыры по-прежнему могут затягиваться внутрь, но большая часть галактики не будет ощущать на себе влияние гравитации.

Почему черная дыра не излучает свет

Черные дыры обладают настолько большими массой и гравитацией, что пространство и время внутри них искривляются. Из-за этого ни один объект, пересекший горизонт событий, не способен выбраться наружу, в том числе и свет. Поэтому у черных дыр отсутствует какое-либо излучение.

Интересное видео о черных дырах

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Черная дыра. Что это такое?

Черные дыры, темная материя, темное вещество… Это, несомненно, самые странные и загадочные объекты в космосе. Их причудливые свойства могут бросить вызов законам физики Вселенной и даже природе существующей действительности. Чтобы понять, что же такое черные дыры, ученые предлагают “сменить ориентиры”, научиться думать нестандартно и применить немного фантазии. Черные дыры образуются из ядер супер массивных звёзд, которые можно охарактеризовать как область пространства, где огромная масса сосредоточенна в пустоте, и ничего, даже свет не может там избежать гравитационного притяжения. Это та область, где вторая космическая скорость превышает скорость света: И чем более массивен объект движения, тем быстрее он должен двигаться для того, чтобы избавиться от силы своей тяжести. Это известно как вторая космическая скорость.

Энциклопедия Кольера называет черными дырами область в пространстве, возникшую в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность называют “горизонтом событий”.

История открытия

Черные дыры, предсказанные общей теорией относительности (теорией гравитации, предложенной Эйнштейном в 1915) и другими, более современными теориями тяготения, были математически обоснованы Р.Оппенгеймером и Х. Снайдером в 1939. Но свойства пространства и времени в окрестности этих объектов оказались столь необычными, что астрономы и физики в течение 25 лет не относились к ним серьезно. Однако астрономические открытия в середине 1960-х годов заставили взглянуть на черные дыры как на возможную физическую реальность. Новые открытия и изучение может принципиально изменить наши представления о пространстве и времени, проливая свет на миллиарды космических тайн.

Образование черных дыр

Пока в недрах звезды происходят термоядерные реакции, они поддерживают высокую температуру и давление, препятствуя сжатию звезды под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься. Расчеты показывают, что если масса звезды не превосходит трех масс Солнца, то она выиграет “битву с гравитацией”: ее гравитационный коллапс будет остановлен давлением “вырожденного” вещества, и звезда навсегда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса и она быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой.

Черная дыра – дырка от бублика?

То, что не излучает свет, заметить непросто. Одним из способов поиска черной дыры является поиск областей в открытом космосе, которые обладают большой массой и находятся в темном пространстве. При поиске подобных типов объектов астрономы обнаружили их в двух основных областях: в центрах галактик и в двойных звездных системах нашей Галактики. Всего же, как предполагают учёные, существует десятки миллионов таких объектов.

В настоящее время единственный достоверный способ отличить чёрную дыру от объекта другого типа состоит в том, чтобы измерить массу и размеры объекта и сравнить его радиус с гравитационным радиусом

В ЦЕРНе начнут охоту за темной материей

Структура черной дыры

Хотя черные дыры бывают разных масс и размеров, все их структуры похожи. Вся масса черной дыры сосредоточена в почти бесконечно малой и плотной точке, называемой сингулярностью. Эта точка окружена горизонтом событий – расстоянием от сингулярности, на котором его космическая скорость превышает скорость света. А вращающаяся черная дыра окружена эргосферой, областью, в которой черная дыра сама увлекает пространство.

Сингулярность образуется, когда материя сжимается настолько сильно, что никакая другая сила природы не может ее уравновесить. В “нормальной” звезде, такой как Солнце, притяжение внутреннего притяжения уравновешивается внешним давлением ядерных реакций в ее ядре. В коллапсирующих звездах, известных как белые карлики или нейтронные звезды, другие силы предотвращают окончательный коллапс.

Однако, если в данном объеме слишком много массы, объект достигает критической плотности, при которой ничто не может предотвратить его окончательное коллапс с образованием черной дыры.

Поскольку гравитация преодолевает другие силы природы, сингулярность следует своим собственным причудливым правилам физики. Время и пространство, какими мы их знаем, перестают существовать, а гравитация становится бесконечно сильной.

По мере удаления от особенности убегающая скорость уменьшается. Скорость эвакуации – это скорость, с которой объект должен двигаться, чтобы уйти. Для Земли космическая скорость составляет около семи миль (11 км) в секунду. Другими словами, космический корабль должен двигаться как минимум с такой скоростью, чтобы избежать гравитационного притяжения Земли и отправиться на другую планету.

На определенном расстоянии от сингулярности скорость убегания падает до скорости света (около 186 000 миль / 300 000 км в секунду). Это расстояние известно как радиус Шварцшильда в честь Карла Шварцшильда, который первым определил его. Этот радиус зависит от массы черной дыры. Радиус черной дыры такой же массивной, как Солнце, составляет около 2 миль (3 км). На каждую дополнительную солнечную массу радиус увеличивается на две мили.

Этот радиус охватывает сингулярность в зоне черноты – другими словами, он делает черную дыру черной.Это дает черной дыре видимую поверхность, известную как горизонт событий. Однако это не твердая поверхность. Это просто «точка невозврата» для всего, что приближается к черной дыре. Как только любой объект – от звездолета до частицы света – пересекает этот горизонт, он не может выйти обратно. Он заперт внутри черной дыры.

Все, что попадает в черную дыру, увеличивает ее массу. По мере увеличения массы увеличивается и горизонт событий. Так что если накормить черную дыру, она станет толще!

Если черная дыра не вращается, то ее гравитационное влияние на окружающую среду просто.Если же черная дыра вращается, то ее гравитационные эффекты более сложны. Он фактически тянет за собой ткань пространства-времени – эффект, называемый перетаскиванием кадра. Эта область известна как эргосфера. В поперечном сечении она имеет овальную форму, а область влияния простирается дальше в космос на экваторе черной дыры, чем на ее полюсах.

черных дыр: факты, теория и определение

Черные дыры – одни из самых странных и интересных объектов в космосе.Они чрезвычайно плотные, с таким сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может ускользнуть от их хватки, если подойдет достаточно близко.

Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование черных дыр в 1916 году в своей общей теории относительности. Термин «черная дыра» был введен много лет спустя в 1967 году американским астрономом Джоном Уилером. После десятилетий, когда черные дыры были известны только как теоретические объекты, первая физическая черная дыра была обнаружена в 1971 году.

Затем, в 2019 году коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) выпустила первое когда-либо зарегистрированное изображение черной дыры . .EHT увидел черную дыру в центре галактики M87, когда телескоп исследовал горизонт событий или область, мимо которой ничто не может покинуть черную дыру. Изображение отображает внезапную потерю фотонов (частиц света). Это также открывает совершенно новую область исследований черных дыр, теперь, когда астрономы знают, как выглядит черная дыра.

На данный момент астрономы определили три типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.

Звездные черные дыры – маленькие, но смертоносные

Когда звезда прожигает остатки своего топлива, объект может схлопнуться или упасть внутрь себя. Для более мелких звезд (которые примерно в три раза больше массы Солнца) новое ядро ​​станет нейтронной звездой или белым карликом. Но когда большая звезда коллапсирует, она продолжает сжиматься и создает звездную черную дыру.

Черные дыры, образованные коллапсом отдельных звезд, относительно малы, но невероятно плотны. Один из этих объектов включает в себя диаметр города, более чем в три раза превышающий массу Солнца.Это приводит к сумасшедшей гравитационной силе, притягивающей объекты вокруг объекта. Затем звездные черные дыры поглощают пыль и газ из окружающих их галактик, что способствует их увеличению.

По данным Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, «Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов» звездных черных дыр.

Сверхмассивные черные дыры – рождение гигантов

Маленькие черные дыры населяют Вселенную, но их кузены, сверхмассивные черные дыры, доминируют.Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но примерно такого же размера в диаметре. Считается, что такие черные дыры находятся в центре практически каждой галактики, включая Млечный Путь.

Ученые не уверены, как возникают такие большие черные дыры. После того, как эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг себя, материала, которого много в центре галактик, что позволяет им вырасти до еще более огромных размеров.

Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр.Большие газовые облака также могут быть ответственны за их коллапс и быстрое увеличение массы. Третий вариант – это коллапс звездного скопления, группы звезд, падающих вместе. В-четвертых, сверхмассивные черные дыры могут возникнуть из больших скоплений темной материи . Это вещество, которое мы можем наблюдать через его гравитационное воздействие на другие объекты; однако мы не знаем , из чего состоит темная материя , потому что она не излучает свет и не может быть непосредственно наблюдаемой.

Иллюстрация молодой черной дыры, такой как два далеких беспыльных квазара, недавно обнаруженных космическим телескопом Спитцера. Больше фотографий черных дыр Вселенной (Изображение предоставлено NASA / JPL-Caltech)

Ученые когда-то думали, что черные дыры бывают только малых и больших размеров, но недавние исследования показали возможность того, что черные дыры среднего или среднего размера (IMBHs) ) могло существовать. Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в цепной реакции. Несколько из этих ЧДПМ, образующихся в одной и той же области, могут в конечном итоге упасть вместе в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили черную дыру средней массы в рукаве спиральной галактики.

«Астрономы очень пристально искали эти черные дыры среднего размера», – говорится в заявлении соавтора исследования Тим Робертс из Даремского университета в Великобритании. «Были намеки на то, что они существуют, но IMBH действуют как давно потерянные родственники, которые не заинтересованы в том, чтобы их нашли».

Более новое исследование, проведенное в 2018 году, показало, что эти IMBH могут существовать в сердце карликовых галактик (или очень маленьких галактик).Наблюдения за 10 такими галактиками (пять из которых были ранее неизвестны науке до этого последнего обзора) выявили рентгеновскую активность – обычную для черных дыр – предполагающую наличие черных дыр массой от 36 000 до 316 000 солнечных. Информация поступила из обзора Sloan Digital Sky Survey , который исследует около 1 миллиона галактик и может обнаруживать свет, который часто наблюдается от черных дыр, собирающих близлежащие обломки.

Как выглядят черные дыры?

Черные дыры – это странные области, где гравитация достаточно сильна, чтобы искривлять свет, искажать пространство и искажать время.Посмотрите, как работают черные дыры, в этой инфографике SPACE.com. (Изображение предоставлено Карлом Тейтом, соавтором SPACE.com)

Черные дыры имеют три «слоя»: внешний и внутренний горизонт событий и сингулярность.

Горизонт событий черной дыры – это граница вокруг устья черной дыры, мимо которой свет не может выйти. Как только частица пересекает горизонт событий, она не может уйти. Гравитация постоянна на всем горизонте событий.

Внутренняя область черной дыры, где находится масса объекта, известна как ее сингулярность, единственная точка в пространстве-времени, где сосредоточена масса черной дыры.

Ученые не могут видеть черные дыры так, как они видят звезды и другие объекты в космосе. Вместо этого астрономы должны полагаться на обнаружение излучения, которое испускают черные дыры, когда пыль и газ втягиваются в плотные существа. Но сверхмассивные черные дыры, расположенные в центре галактики, могут быть покрыты плотной пылью и газом вокруг них, что может блокировать контрольные выбросы.

Иногда, когда материя притягивается к черной дыре, она рикошетом отскакивает от горизонта событий и выбрасывается наружу, а не втягивается в пасть.Создаются яркие струи материала, движущиеся с почти релятивистскими скоростями. Хотя черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно увидеть с большого расстояния.

Изображение черной дыры в M87 , полученное телескопом Event Horizon (выпущенное в 2019 году), было огромным усилием, потребовавшим двух лет исследований даже после того, как изображения были сделаны. Это потому, что совместная работа телескопов, охватывающая многие обсерватории по всему миру, дает поразительный объем данных, который слишком велик для передачи через Интернет.

Со временем исследователи надеются получить изображения других черных дыр и создать репозиторий того, как выглядят эти объекты. Следующая цель, вероятно, – Стрелец A *, черная дыра в центре нашей галактики Млечный Путь. Стрелец A * интригует, потому что он тише, чем ожидалось, что может быть связано с магнитными полями, подавляющими его активность , говорится в исследовании 2019 года. Другое исследование в том же году показало, что ореол холодного газа окружает Стрельца A * , что дает беспрецедентное представление о том, как выглядит среда вокруг черной дыры.

Телескоп «Горизонт событий», состоящий из восьми наземных радиотелескопов планетарного масштаба, созданных в результате международного сотрудничества, сделал это изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87 и ее тени. (Изображение предоставлено EHT Collaboration)

Сияющий свет на двойных черных дырах

В 2015 году астрономы с помощью гравитационно-волновой обсерватории с лазерным интерферометром (LIGO) обнаружили гравитационные волны от сливающихся звездных черных дыр.

«У нас есть еще одно подтверждение существования черных дыр звездных масс, которые превышают 20 солнечных масс – это объекты, о существовании которых мы не знали до того, как их обнаружила LIGO», – Дэвид Шумейкер, представитель LIGO Scientific Collaboration ( LSC), говорится в сообщении.Наблюдения LIGO также дают представление о направлении вращения черной дыры. Когда две черные дыры вращаются по спирали вокруг друг друга, они могут вращаться в одном или в противоположном направлении.

Есть две теории образования двойных черных дыр. Первый предполагает, что две черные дыры в двойной форме примерно в одно и то же время, от двух звезд, которые родились вместе и умерли взрывоопасно примерно в одно время. Звезды-компаньоны имели бы ту же ориентацию вращения, что и две оставшиеся черные дыры.

Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении опускаются в центр скопления и объединяются в пары. Эти спутники будут иметь случайные ориентации спинов по сравнению друг с другом. Наблюдения LIGO над сопутствующими черными дырами с разной ориентацией спина являются более убедительным доказательством этой теории образования.

«Мы начинаем собирать реальную статистику по двойным системам черных дыр», – сказала ученый LIGO Кейта Кавабе из Калифорнийского технологического института, работающая в обсерватории LIGO в Хэнфорде.«Это интересно, потому что некоторые модели образования двойных черных дыр в некоторой степени предпочтительнее других даже сейчас, и в будущем мы можем еще больше сузить этот диапазон».

Странные факты о черных дырах

• Теория давно предполагает, что если вы упадете в черную дыру, гравитация растянет вас, как спагетти, хотя ваша смерть наступит до того, как вы достигнете сингулярности. Но исследование 2012 года, опубликованное в журнале Nature, показало, что квантовые эффекты заставят горизонт событий действовать так же, как стена огня, которая мгновенно сожжет вас насмерть.
• Черные дыры не отстой. Всасывание вызывается втягиванием чего-либо в вакуум, чего определенно не является для массивной черной дыры. Вместо этого объекты падают в них так же, как они падают на все, что действует гравитационно, например, на Землю.
• Первым объектом, который считается черной дырой, является Cygnus X-1. Лебедь X-1 был предметом дружеской пари в 1974 году между Стивеном Хокингом и коллегой-физиком Кипом Торном, причем Хокинг сделал ставку на то, что источником не была черная дыра. В 1990 году Хокинг признал поражение.
• Миниатюрные черные дыры могли образоваться сразу после Большого взрыва. Быстро расширяющееся пространство могло сжать некоторые области до крошечных плотных черных дыр, менее массивных, чем Солнце.
• Если звезда проходит слишком близко к черной дыре, звезда может разорваться на части.
• По оценкам астрономов, в Млечном Пути есть от 10 миллионов до 1 миллиарда звездных черных дыр, масса которых примерно в три раза больше массы Солнца.
• Черные дыры остаются отличным кормом для научно-фантастических книг и фильмов.Посмотрите фильм «Интерстеллар», в котором Торн во многом использовал науку. Работа Торна с командой по созданию спецэффектов позволила ученым лучше понять, как могут выглядеть далекие звезды, если их увидеть рядом с быстро вращающейся черной дырой.

Дополнительные ресурсы:

Эта статья была обновлена ​​11 июля 2019 года участником Space.com Элизабет Хауэлл.

черная дыра | Определение, формирование и факты

• Узнайте о черной дыре

  Черные дыры образуются, когда умирают массивные звезды.Их мощная гравитационная сила никуда не ускользнет.

  Создано и произведено QA International. © QA International, 2010. Все права защищены. www.qa-international.com Посмотрите все видео по этой статье

Черная дыра , космическое тело с чрезвычайно сильной гравитацией, из которого ничто, даже свет, не может вырваться. Черная дыра может образоваться в результате смерти массивной звезды. Когда такая звезда исчерпает внутреннее термоядерное топливо в своем ядре в конце своей жизни, ядро ​​становится нестабильным и гравитационно коллапсирует внутрь себя, а внешние слои звезды сдуваются.Сокрушающий вес составляющей материи, падающей со всех сторон, сжимает умирающую звезду до точки нулевого объема и бесконечной плотности, называемой сингулярностью.

Британская викторина

Все в космосе в 25-минутной викторине

Вы когда-нибудь хотели посетить все космическое пространство всего за 25 минут? Теперь вы можете это сделать с помощью этой викторины, которая перенесет вас от планет к черным дырам и искусственным спутникам.Если вы можете закончить его менее чем за 15 минут, вы – властелин вселенной!

Детали структуры черной дыры рассчитаны на основе общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Сингулярность составляет центр черной дыры и скрыта за «поверхностью» объекта, горизонтом событий. Внутри горизонта событий убегающая скорость (то есть скорость, необходимая для выхода материи из гравитационного поля космического объекта) превышает скорость света, так что даже лучи света не могут выйти в космос.Радиус горизонта событий называется радиусом Шварцшильда в честь немецкого астронома Карла Шварцшильда, который в 1916 году предсказал существование коллапсирующих звездных тел, не излучающих излучения. Размер радиуса Шварцшильда пропорционален массе коллапсирующей звезды. Для черной дыры с массой в 10 раз больше массы Солнца радиус будет 30 км (18,6 мили).

Только самые массивные звезды – звезды с массой более трех солнечных – становятся черными дырами в конце своей жизни.Звезды с меньшей массой эволюционируют в менее сжатые тела, будь то белые карлики или нейтронные звезды.

Черные дыры обычно не наблюдаются напрямую из-за их небольшого размера и того факта, что они не излучают свет. Однако их можно «наблюдать» по воздействию их огромных гравитационных полей на близлежащую материю. Например, если черная дыра является членом двойной звездной системы, материя, текущая в нее от своего компаньона, сильно нагревается, а затем обильно излучает рентгеновские лучи, прежде чем войти в горизонт событий черной дыры и исчезнуть навсегда.Одна из составляющих звезд двойной рентгеновской системы Cygnus X-1 – черная дыра. Обнаруженная в 1971 году в созвездии Лебедя, эта двойная система состоит из голубого сверхгиганта и невидимого спутника, в 14,8 раз превышающего массу Солнца, которые обращаются друг вокруг друга за 5,6 дней.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Некоторые черные дыры, по-видимому, имеют незвездное происхождение. Различные астрономы предполагали, что большие объемы межзвездного газа собираются и коллапсируют в сверхмассивные черные дыры в центрах квазаров и галактик.Масса газа, быстро падающая в черную дыру, по оценкам, выделяет в 100 раз больше энергии, чем выделяется такое же количество массы в результате ядерного синтеза. Соответственно, коллапс миллионов или миллиардов солнечных масс межзвездного газа под действием силы тяжести в большую черную дыру мог бы объяснить огромный выход энергии квазаров и некоторых галактических систем.

пылевой диск вокруг черной дыры в NGC 4261

Космический телескоп Хаббла изображение спиралевидного пылевого диска шириной 800 световых лет, питающего массивную черную дыру в центре галактики NGC 4261, расположенной в 100 миллионах световых лет от нас в сторону созвездия Девы.

Л. Феррарез (Университет Джона Хопкинса) и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства

Одна такая сверхмассивная черная дыра, Стрелец A *, существует в центре Галактики Млечный Путь. Наблюдения за звездами, вращающимися вокруг Стрельца A *, демонстрируют наличие черной дыры с массой, эквивалентной более чем 4 000 000 Солнц. (За эти наблюдения американский астроном Андреа Гез и немецкий астроном Рейнхард Гензель были удостоены Нобелевской премии по физике 2020 года.) Сверхмассивные черные дыры были обнаружены и в других галактиках. В 2017 году телескоп Event Horizon получил изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87. Эта черная дыра имеет массу, равную шести с половиной миллиардам Солнц, но ее диаметр составляет всего 38 миллиардов километров (24 миллиарда миль). Это была первая черная дыра, получившая прямое изображение. О существовании еще более крупных черных дыр, каждая из которых имеет массу, равную 10 миллиардам Солнц, можно сделать вывод из энергетического воздействия на газ, закрученный с чрезвычайно высокими скоростями вокруг центра NGC 3842 и NGC 4889, галактик около Млечного Пути.

Существование еще одного типа незвездной черной дыры было предположено британским астрофизиком Стивеном Хокингом. Согласно теории Хокинга, многочисленные крошечные первичные черные дыры, возможно, с массой, равной или меньшей, чем у астероида, могли быть созданы во время большого взрыва, состояния чрезвычайно высоких температур и плотности, в котором Вселенная возникла 13,8 миллиарда лет. тому назад. Эти так называемые мини-черные дыры, как и более массивные разновидности, со временем теряют массу из-за излучения Хокинга и исчезают.Если определенные теории Вселенной, требующие дополнительных измерений, верны, Большой адронный коллайдер может произвести значительное количество мини-черных дыр.

Черная дыра

Черная дыра Черная дыра :

Черная дыра – это космическое тело с чрезвычайно сильной гравитацией, из которого ничего не выходит. даже не свет, может убежать. Черная дыра образуется, когда материя гаснет. экстремальные нагрузки, такие как смерть массивной звезды. Когда такая звезда исчерпал свое внутреннее термоядерное топливо в конце своего срока службы, он становится нестабильным и гравитационно схлопывается внутрь на себя.В дробящая масса падающих со всех сторон составляющих сжимает умирающей звезды в точку нулевого объема и бесконечной плотности, называемую необычность. Детали структуры черной дыры вычисляются из Общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Необычность составляет центр черной дыры и скрыт объектом «поверхность», горизонт событий. Внутри горизонта событий убегающая скорость (т.е. скорость, необходимая для того, чтобы материя покинула гравитационный поле космического объекта) превышает скорость света, так что даже лучи света могут уходить в космос.Радиус горизонта событий называется радиусом Шварцшильда, в честь немецкого астронома Карла Шварцшильд, который в 1916 году предсказал существование схлопнувшейся звездной тела, не излучающие излучения. Размер радиуса Шварцшильда составляет считается пропорциональным массе коллапсирующей звезды. Для черного дыры с массой в 10 раз больше, чем у Солнца, радиус будет 30 км (18,6 миль).

Черные дыры трудно наблюдать из-за их небольшого размера. и тот факт, что они не излучают света.Однако их можно “наблюдать” влияние их огромных гравитационных полей на близлежащую материю. Для Например, если черная дыра является членом двойной звездной системы, материя попадая в него от своего спутника, сильно нагревается, а затем обильно излучает рентгеновские лучи, прежде чем войти в горизонт событий черного дыра и исчезает навсегда. Многие исследователи считают, что одним из Компонент звезды двойной рентгеновской системы Cygnus X-1 – черная дыра. Обнаруженный в 1971 году в созвездии Лебедя, этот двоичный файл состоит из синий сверхгигант и невидимая звезда-компаньон, которые вращаются вокруг одного другой в период 5.6 дней.

Некоторые черные дыры, по-видимому, имеют незвездное происхождение. Различные астрономы предположили, что большие объемы межзвездного газа собираются и коллапсировать в сверхмассивные черные дыры в центрах квазаров и пекулярные галактики (например, галактические системы, которые кажутся взрывающимися). А масса газа, быстро падающего в черную дыру, по оценкам, испускает более чем в 100 раз больше энергии, чем выделяется такое же количество массы за счет ядерного синтеза. Соответственно, крах миллионов или миллиарды солнечных масс межзвездного газа под действием силы тяжести в большую черную дыру объясняет огромный выход энергии квазары и некоторые галактические системы.В 1994 году космический телескоп Хаббла предоставили убедительные доказательства существования сверхмассивного черного дыра в центре галактики M87. Имеет массу, равную двум-трем. миллиардов Солнц, но не больше Солнечной системы. Черная дыра существование может быть строго выведено из его энергетического воздействия на Оболочка из газа кружится вокруг нее с чрезвычайно высокими скоростями.

Было высказано предположение о существовании другого вида незвездной черной дыры британского астрофизика Стивена Хокинга.По словам Хокинга теория, многочисленные крошечные первичные черные дыры, возможно, с массой, равной до астероида или меньше, могли быть созданы во время большого взрыв, состояние чрезвычайно высоких температур и плотности, в котором Считается, что Вселенная возникла примерно 10 миллиардов лет назад. Эти так называемые мини-черные дыры, в отличие от более массивной разновидности, теряют массу со временем и исчезнут. Субатомные частицы, такие как протоны и их античастицы (т. е. антипротоны) могут образовываться очень близко к мини-черному отверстие.Если протон и антипротон избегают его гравитационного притяжения, они уничтожают друг друга и при этом генерируют энергию – энергию, которая они фактически вытекают из черной дыры. Если этот процесс повторяется снова и снова черная дыра испаряется, потеряв всю свою энергию и, следовательно, его масса, поскольку они эквивалентны.

Выдержка из Британской энциклопедии без разрешения.

Черная дыра

Содержание

Введение
Структура черных дыр
Классификация черных дыр
Аккреционные диски и струи
Раздел вопросов и ответов о черной дыре

Введение

Черная дыра – чрезвычайно массивный объект относительно небольших размеров.Черная дыра так сильно деформирует пространство-время, что создает настоящую дыру в самом пространстве, из которой ничто из того, что однажды упало в нее, больше никогда не сможет вырваться. Самая большая из известных черных дыр находится в центре галактики под названием Holmberg 15A. Его колоссальная масса составляет примерно 40 миллиардов солнечных масс. В мае 2020 года астрономы обнаружили черную дыру, которая находится всего в 1000 световых годах от нас. Она находится в созвездии Telescopium и является ближайшей к Земле черной дырой. Однако с массой в 4 Солнца это относительно небольшая черная дыра.

Изображение черной дыры, сделанное художником. Фото: NASA / ESA и Дж. Бэкон (STScI).

Структура черных дыр

Черная дыра так сильно деформирует ткань пространства вокруг себя, что создает дыру в самом пространстве. Таким образом, ничто не может вырваться из черной дыры, даже свет – поэтому мы никогда не сможем что-либо измерить внутри черной дыры. Для астрономов единственными тремя измеримыми физическими свойствами, полностью определяющими характеристики черной дыры, являются ее масса, заряд и угловой момент.

1. Заряд не очень важен для астрономов; если бы черная дыра имела определенный заряд, она притягивала бы частицы с противоположным зарядом, чтобы нейтрализовать себя.
2. Угловой момент можно измерить, но мы не будем здесь вдаваться в подробности. Поскольку угловой момент всегда сохраняется, можно ожидать, что черная дыра будет вращаться; действительно, астрономы обнаружили, что черная дыра с именем GRS 1915 + 105, кажется, вращается 1150 раз в секунду, что близко к теоретическому верхнему пределу.
3. Масса черной дыры определяет ее размер: радиус ее горизонта событий (также называемый радиусом Шварцшильда). Горизонт событий – это граница между черной дырой и внешней частью космоса, поэтому все, что находится внутри горизонта событий, больше никогда не сможет убежать (вы можете назвать горизонт событий «точкой невозврата»). Любая материя за пределами горизонта событий может – по крайней мере теоретически – ускользнуть. Хорошее приближение для радиуса горизонта событий составляет 3 км для каждой солнечной массы.Итак, черная дыра с массой 10 Солнца имеет горизонт событий 30 км. Самая большая из известных черных дыр с массой 17 миллиардов Солнца имеет горизонт событий 51 миллиард км, или, другими словами, ее радиус составляет около 2 световых дней. Черная дыра (теоретическая, но на самом деле несуществующая) с массой Луны имела бы диаметр менее одной десятой миллиметра.

А что внутри горизонта событий? На самом деле никто не знает. Общая теория относительности Эйнштейна описывает сингулярность; вся материя и энергия помещены в бесконечно малое пространство.Или может быть кварковая звезда: подобно нейтронной звезде, она может состоять из кварков. Вы можете прочитать наши статьи о сверхновых или нейтронных звездах, чтобы лучше понять концепцию.

Классификация черных дыр

Астрономы выделяют четыре основных типа черных дыр:

1. Сверхмассивные черные дыры (SMBH)
   Эти чудовищные черные дыры живут в центрах массивных галактик. Практически каждая массивная галактика имеет в центре сверхмассивную черную дыру.Сверхмассивные черные дыры могут иметь массу от сотен тысяч до нескольких миллиардов солнечных масс. Ближайшая к вам сверхмассивная черная дыра находится на расстоянии 27000 световых лет и имеет массу 4,3 миллиона солнечных масс. Эта сверхмассивная черная дыра находится в центре нашего Млечного Пути. Образование этих сверхмассивных черных дыр до сих пор является предметом постоянных исследований. Однако ученые согласны с тем, что если черная дыра существует в центре галактики, она является зародышем возникающей сверхмассивной черной дыры.Первоначальная черная дыра начинает процесс слияния с другими черными дырами и аккреции вещества, которое падает в черную дыру в течение миллиардов лет эволюции, становясь, таким образом, все более и более массивным.
   Кстати: сверхмассивные черные дыры не могут срастаться с материей так быстро, как им хочется. Если приток превышает определенный предел (называемый светимостью Эддингтона или предел Эддингтона), радиационное давление сверхсветового аккреционного диска достаточно велико, чтобы сдуть материю дальше наружу.Таким образом астрономы могут объяснить наблюдаемую светимость квазаров.
В центре Галактики Сомбреро находится сверхмассивная черная дыра. Авторы и права: Висент Перис (OAUV / PTeam), MAST, STScI, AURA, НАСА.
2. Черные дыры средней массы
   Черные дыры средней массы имеют массу около 1000 солнечных масс и могут существовать в центре более мелких галактик или звездных скоплений. Они редки, и ни одна черная дыра средней массы еще не подтверждена, но некоторые сильные кандидаты были обнаружены и могут быть подтверждены в ближайшее время.


3. Черные дыры звездной массы
   Черные дыры звездной массы – самые многочисленные среди всех типов черных дыр. Их массы колеблются от 3 до нескольких сотен масс Солнца. Они являются результатом сверхновых, гибели массивных звезд (подробнее вы можете прочитать в нашей статье о сверхновых). Их радиус Шварцшильда равен размерам меньшего астероида, обычно от 10 до 100 км. В непосредственной близости от нашей солнечной системы есть несколько звездных черных дыр – под “окрестностями” мы подразумеваем несколько тысяч световых лет от нас.Они никогда не смогут каким-либо образом взаимодействовать с нашей солнечной системой.


4. Микро черные дыры
   Это гипотетическая форма черной дыры, которая могла быть создана на самой ранней стадии Вселенной, вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная была еще очень плотной. Вот почему их еще называют исконными черными дырами. Они еще не открыты, и их существование – всего лишь предположение. Однако, если они существуют, они очень малы (порядка размера атома и меньше, их горизонт событий составляет всего несколько нанометров), и они будут весить как астероид среднего размера.Они пройдут сквозь Землю почти без какого-либо эффекта менее чем за одну минуту. Некоторые исследования Института Макса Планка в Германии показали, что черная микродыра массой в миллиард тонн может проникнуть через Землю, вызывая небольшие землетрясения магнитудой 4. Форма волн будет уникальной и отличаться от всех обычных форм. землетрясение могло вызвать. Измерение таких волн было бы убедительным доказательством существования такой черной дыры. На данный момент мы не можем полностью исключить возможность того, что эти первичные черные дыры могут быть даже самой известной темной материей.Но пока не появятся новые доказательства, этот сценарий кажется очень маловероятным.

Аккреционные диски и форсунки

Впечатление художника от черной дыры Cygnus X-1 Материя – в основном в виде газовых и пылевых облаков – находящаяся поблизости от черной дыры, выйдет на орбиту вокруг черной дыры. Поскольку черная дыра относительно мала по сравнению с размером падающих облаков, почти никакое вещество не падает прямо в черную дыру. В непосредственной близости от горизонта событий вещество образует аккреционный диск, который сильно нагревается трением.Трение переносит часть углового момента наружу, сужая радиус вращающейся материи до более близкого радиуса вокруг черной дыры до точки, где она, наконец, падает в нее. Потенциальная энергия, выделяющаяся при уменьшении радиуса орбиты, нагревает падающий газ, который может достигать температуры от десятков миллионов до даже более ста миллионов кельвинов. Мы никогда не сможем напрямую увидеть черную дыру, но мы можем обнаружить эти горячие аккреционные диски. Аккреционный диск излучает очень сильное излучение в виде электромагнитных волн, от радиоволн до рентгеновских лучей (подробнее см. Электромагнитный спектр).Рентгеновское излучение является самым сильным из всех излучаемых длин волн, поэтому мы можем обнаруживать черные дыры, наблюдая за небом в рентгеновских лучах. Процессы в аккреционном диске преобразуют около 10% массы падающего вещества в энергию (согласно E = mc ² ), что довольно много по сравнению с 0,5–0,7%, которые выделяются в случае ядерного синтеза. , процесс, при котором высвобождается почти вся энергия, излучаемая звездами. Центавр А с двумя релятивистскими джетами Если большая масса падает на сверхмассивную черную дыру в центре галактики; эти галактики становятся так называемыми активными галактиками.Ярким примером активной галактики является Центавр A. Центавр A испускает два релятивистских джета с излучением в рентгеновском и радиоволновом диапазонах, длина каждого из которых составляет около 30000 световых лет. Внутри этих струй вещество движется со скоростью примерно половину скорости света. Далее вещество сталкивается с газом, который окружает галактику, создавая частицы высокой энергии. В чем может быть причина такого всплеска энергии в окрестностях сверхмассивной черной дыры? Скорее всего, это столкновение Центавра A с меньшей спиральной галактикой.

Обязательно загляните в наш раздел вопросов и ответов о черных дырах!

Все тексты и статьи, опубликованные Sun.org, находятся под лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Что такое черная дыра?

Черные дыры – это точки в космосе, которые настолько плотны, что создают глубокие гравитационные опускания. За пределами определенной области даже свет не может избежать мощного притяжения гравитации 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.

Черные дыры 101

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

На заключительной стадии огромные звезды гаснут с мощными 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 испарились. 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: «Когда 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.

Заглядывать внутрь реалистичных черных дыр

Обычный человек не тратит много времени на размышления о черных дырах, поэтому существует такое место, как Инициатива черной дыры (BHI).Основанный в 2016 году при Гарвардском университете, это первый в мире академический центр, посвященный исключительно изучению этих фантастических, загадочных объектов.

После семинара BHI в прошлом году астрофизик из Гарварда Рамеш Нараян поговорил с некоторыми коллегами – физиком Полом Чеслером и философом и физиком Эриком Куриелом – о внутренней структуре черных дыр, которые, как считается, засоряют Вселенную. Их разговор привел к вопросам, которые слишком часто задают в BHI: что произойдет, если вы упадете в такую ​​черную дыру? Куда бы вы пошли и, что более важно, где бы вы умерли?

Что отличало эту дискуссию от большинства в BHI, так это то, что на этот раз Нараян, Чеслер и Куриэль решили найти ответы на эти непреходящие вопросы.

Что произойдет, если вы упадете в черную дыру? Куда бы вы пошли и, что более важно, где бы вы умерли? (Предоставлено: Composite, Элисон Макки / Discover; Black Hole, ESO / M. Kornmesser; Astronaut, Lia Koltyrina / Shutterstock)

Награды за черные дыры

Они ни в коем случае не были первыми, кто вник в эту проблему. В 1915 году Альберт Эйнштейн представил свою общую теорию относительности, заключенную в 10 исключительно сложных уравнений. Они показывают, как распределение материи и энергии во Вселенной влияет на ее геометрию или кривизну, и как эта кривизна, в свою очередь, проявляется как гравитация.

Менее чем через год Карл Шварцшильд опубликовал первое решение (одно из многих) этих уравнений. Он предоставил явное описание гравитационного поля идеальной конфигурации материи: идеально сферической, электрически нейтральной и не вращающейся. Шварцшильд обнаружил, что если бы эта масса была достаточно компактной, центр сферы обладал бы странным свойством: ее кривизна и плотность были бы бесконечными, что привело бы к так называемой сингулярности, буквальной складке в ткани космоса.

Физики считают такой объект, который теперь называют черной дырой Шварцшильда, идеализированной концепцией. Фактический материал во Вселенной, включая черные дыры, всегда вращается и имеет другие недостатки.

Только в 1963 году, почти полвека спустя, математик и физик Рой Керр придумал собственное решение уравнений Эйнштейна, которое описывает пространство и гравитационное поле, окружающее реальную вращающуюся черную дыру. впоследствии окрестили черной дырой Керра.Однако когда другие физики, опираясь на результат Керра, попытались исследовать сумасшедшую физику в этих вращающихся водоворотах, они обнаружили некоторые любопытные особенности.

К ним относятся, по словам Куриэля, кротовые норы, которые могут вывести вас из черной дыры в другую вселенную, а также «замкнутые временноподобные кривые» – петляющие пути в пространстве-времени, которые в конечном итоге вернут путешественника во время и место, где она начала. Это звучало как научная фантастика, но уравнения Эйнштейна и Керра предполагали, что это были реальные возможности.

Не все были на борту с такими причудливыми чертами, скрывающимися в черных дырах. Фактически, большинство физиков считали их «патологиями решения Керра», – говорит Чеслер, – настолько нестабильными, что практически бессмысленными. «Как карандаш, стоящий на кончике, если вы хоть немного потревожите черную дыру, эти черты исчезнут».

Это, по крайней мере, было предположением, когда он и его коллеги решили провести первое подробное численное моделирование недр черных дыр Керра, опираясь на работы других специалистов в этой области.Если повезет, они точно поймут, что происходит внутри.

Поскольку законы физики в черных дырах нарушаются, необычные условия могут привести к путешествию во времени. (Кредит: Эстебан Де Армас / Shutterstock)

Приступая к работе

У них была огромная работа. «Хотя уравнения Эйнштейна существуют уже более 100 лет, их чрезвычайно сложно решить, – говорит Чеслер. Куриэль называет их «вероятно, самыми математически сложными уравнениями физики».”

В отличие от неподвижных, идеально округленных черных дыр Шварцшильда, вращающиеся черные дыры имеют выпуклости на экваторах (как Земля и Солнце). Поскольку им не хватает симметрии сферы, их моделирование становится задачей, требующей гораздо больших вычислительных затрат.

«Самое важное, что мы сделали, чтобы сделать задачу выполнимой, – это потратить гораздо больше времени на размышления о решении проблемы, чем на ее решение», – говорит Чеслер.

Это означало определение оптимального выбора координат и системы координат, которые они использовали бы для описания моделируемой черной дыры – буквально, как они будут измерять, моделировать и перемещаться в пространстве вокруг нее.Вспомните математику средней школы: вы можете использовать декартовы координаты, когда удобно представлять точки по их широте и долготе (или положениям x и y). Но иногда легче идентифицировать точки по их полярным координатам – их расстоянию и направлению от общего начала.

Выбор правильных координат и системы координат аналогичен выбору наилучшего направления и карты перед отправлением в путешествие и знанию того, какие ориентиры следует отслеживать по пути.Плохой выбор координат может сделать физическую проблему неразрешимой, так же как неправильное направление может не привести вас к месту назначения. С другой стороны, хороший выбор координат может значительно облегчить выполнение вычислительной работы.

Заложив основу, исследователи были готовы приступить к собственно моделированию. «Мы начинаем с уравнений общей теории относительности, – объясняет Чеслер, – определяя некоторые начальные условия, а затем смотрим, как все будет развиваться по мере нашего движения вперед во времени.«Моделирование проработало геометрию пространства-времени внутри черной дыры Керра – примерно так же, как определение гравитационного поля, согласно теории Эйнштейна. Как только геометрия была определена, моделирование могло описывать траекторию входящих световых лучей, по сути раскрывая внутреннюю структуру черной дыры. Все вычисления проводились на стандартном ноутбуке без специального оборудования. Чеслер называет это «превосходными вычислениями, а не суперкомпьютерами».

Внутренняя правда

Итак, что эта работа – большая часть ее описана в статье Physical Review D – раскрывает внутренности черной дыры Керра? Подобно невращающейся разновидности, черная дыра Керра имеет центральную сингулярность и невидимый горизонт событий – сферическую поверхность, откуда нет возврата, из которой материя и энергия никогда не могут убежать.Но вращающаяся черная дыра, в отличие от своего стационарного аналога, также имеет «внутренний горизонт» – вторую поверхность невозврата, также сферическую и невидимую, лежащую где-то между горизонтом событий и центральной сингулярностью. Чем быстрее вращается черная дыра, тем ближе внутренний горизонт к горизонту событий.

Чтобы визуализировать внутренний горизонт, рассмотрите этот мысленный эксперимент: представьте, что вы можете войти во вращающуюся черную дыру и пересечь горизонт событий, держа в руках фонарик, направленный наружу.Этот свет в конечном итоге замерзал вдоль или внутри сферической поверхности. Чеслер объясняет, что это внутренний горизонт: точка, в которой гравитация черной дыры достаточно сильна, чтобы не дать свету уйти, но недостаточно сильна, чтобы перетащить его полностью в центр. Захваченный свет становится настолько заряженным, что превращается в брандмауэр излучения, сжигающий все, что проходит через него.

Внутренний горизонт важен еще по одной причине, заключила команда BHI. Если бы вы были безрассудны или неудачливы, чтобы попасть в черную дыру Керра, «там вы бы умерли», – говорит Чеслер.Он сравнивает пересечение внутреннего горизонта с «закрытием глаз и врезанием в кирпичную стену». Только в этом случае это стена чрезвычайно искривленного пространства-времени, огромных гравитационных сил и экстремального излучения. Для бесстрашного путешественника внутренний горизонт представляет собой конец линии – место, где вас мгновенно разорвут на части и зажжут, а ваш прах разнесет почти со скоростью света к центральной сингулярности. «Это не закончится благополучно», – отмечает Чеслер. Но это быстро закончится.

А как насчет гипотетических червоточин и другой экзотики, о которой размышляли некоторые исследователи? Червоточины, как объясняет Чеслер, «будут закрыты безгранично большой кривизной пространства-времени внутри черной дыры.«Это как если бы наша Вселенная была гигантским продолговатым воздушным шаром, который скручивается до тех пор, пока в середине не образуется узел, который является своего рода сингулярностью. «Если бы вы жили на одной стороне узла, вы не смогли бы перейти на другую сторону, чтобы попасть в другую вселенную», – говорит Чеслер. Фактически, не было бы никакого способа узнать, существует ли другая вселенная или что-то еще за этой точкой. Он фактически отмечает конец самой геометрии. Путешествие во времени также будет исключено в этой все более приземленной картине внутренней части черной дыры.

Хотя это может разочаровать поклонников научной фантастики, брандмауэр, обнаруженный трио BHI, сам по себе является драматическим приспособлением – тем, который может стать грандиозным финалом для многих историй о космических исследованиях. Кроме того, он, наконец, дает ответ на знакомый вопрос: что произойдет, если вы упадете в черную дыру?

---

Стив Надис, редактор журнала Discover and Astronomy, играет в гандбол и волейбол в Кембридже, штат Массачусетс, где он живет со своей женой, двумя дочерьми и непослушной собакой.Изначально эта история была напечатана как «Решающий шаг».