Черные дыры. Факты и теория

Существует три типа черных дыр: обычные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры

0

Черные дыры – одни из самых странных и увлекательных объектов во Вселенной. Они являются телами с чрезвычайно высокой плотностью и таким сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может убежать от их чудовищных объятий.

Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование черных дыр в 1916 году в своей общей теорией относительности. Термин «черная дыра» был придуман в 1967 году американским астрономом Джоном Уилером, и впервые был использован в 1971 году.

Существует три типа черных дыр: обычные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.

Обычные черные дыры – небольшие, но смертельные

Когда звезда сжигает свое последнее топливо, она сильно уменьшается в размерах. Небольшие звезды, имеющие массы примерно в три раза больше массы Солнца, превращаются в нейтронные звезды или белые карлики. Но когда коллапсирует звезда побольше, она продолжает сжиматься и создает обычную черную дыру.

Черные дыры, образованные коллапсом отдельных звезд относительно невелики, но имеют невероятную плотность. Такой объект содержит три массы Солнца в области размером с небольшой город. Это приводит к возникновению колоссального гравитационного поля. Черные дыры поглощают пыль и газ из пространства вокруг себя, и от этого растут в размерах.

Согласно данным исследования Гарвардско-Смитсоновского Центра астрофизики, наша галактика Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов черных дыр.

Супермассивные черные дыры – рождение гигантов

Маленьких черных дыр достаточно много во Вселенной, однако доминируют в пространстве дыры побольше. Супермассивные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее, чем Солнце, но имеют радиус, близкий к радиусу ближайшей звезды к Земле. Считается, что такие черные дыры лежат в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.
Ученые пока до конца не определились, как именно возникают такие крупные черные дыры. Как только они рождаются, они, возможно, начинают собирать свою массу из пыли и газа вокруг них, то есть материала, который изобилует в центре галактик. И это позволяет им расти до огромных размеров.

Супермассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч небольших черных дыр. Большие газовые облака также могут быть вовлечены в этот процесс, и позволять черным дырам быстро наращивать массу. Третий вариант – крах звездного кластера, когда группа звезд коллапсирует одновременно.

Промежуточные черные дыры – застрявшие посередине

Ученые когда-то считали, что черные дыры имеют только малые и большие размеры, но недавние исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (IMBH). Такие тела могут образовываться, когда звезды в кластере сталкиваются по цепной реакции. Некоторые из этих звезд, образующиеся в одной и той же области пространства, в конечном итоге могут коллапсировать вместе в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили объект, оказавшийся черной дырой промежуточной массы, который находился в рукаве спиральной галактики.

Теория черных дыр – как они работают

Черные дыры невероятно массивны, но занимают только небольшую область пространства. Из-за взаимосвязи между массой и гравитацией это означает, что они обладают чрезвычайно сильным гравитационным полем. Практически ничто не может уйти от них – в классической физике даже свет попадая в черную дыру, не может покинуть ее.

Такое сильное притяжение создает проблему наблюдения, когда дело доходит до черных дыр – ученые просто не могут «видеть» их так, как они могут видеть звезды и другие объекты в космосе. Для обнаружения этих объектов ученые полагаются на излучение, которое испускается, когда пыль и газ поглощается черной дырой. Супермассивные черные дыры, лежащие в центре галактики, могут оказаться окутаны пылью и газом, находящимися вокруг них, что может блокировать контрольные выбросы.

Иногда, когда материя двигается к черной дыре, она рикошетом покидает горизонт событий и вылетает наружу, а не втягивается внутрь. Создаются яркие струи материала, движущегося с практически релятивистскими скоростями. Хотя сама черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно увидеть с больших расстояний.

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

Горизонт событий черной дыры – это граница вокруг нее, то место, где свет теряет способность к «бегству». Когда частица пересекает горизонт событий, она уже не может покинуть объект. На горизонте событий гравитация постоянна.

Внутренняя область черной дыры, где содержится ее масса, известная как сингулярность – единственная точка в пространстве – времени, где сосредоточена масса черной дыры.

По представлениям классической механики и физики ничто не может выйти из черной дыры. Однако, когда к уравнению добавляется квантовая механика, все немного меняется. В квантовой механике для каждой частицы имеется античастица, частица с одинаковой массой и противоположным электрическим зарядом. Когда они встречаются, пара частица-античастица  может аннигилировать.

Если пара частица-античастица  создается вне досягаемости горизонта событий черной дыры, одна может упасть в черную дыру, а другая быть вытолкнута. В результате масса черной дыры уменьшается. Этот процесс называется излучением Хокинга. И черная дыра может начать распадаться, что отвергается классической механикой.

Ученые все еще работают над тем, чтобы создать уравнения, с помощью которых можно было понять, как функционируют черные дыры.

Сияющий свет двойных черных дыр

В 2015 году астрономы, использующие гравитационно-волновую обсерваторию лазерного интерферометра (LIGO), впервые обнаружили гравитационные волны. С тех пор с помощью этого инструмента наблюдалось несколько других подобных инцидентов. Гравитационные волны, замеченные LIGO, возникли от слияния небольших черных дыр.

Наблюдения LIGO также дают представление о направлении вращения черной дыры. Когда пара черных дыр вращаются по спирали вокруг друг друга, они могут вращаться в одном направлении или направления могут быть совершенно разными.

Существует две теории о том, как образуются бинарные черные дыры. Первый предполагает, что они образовались примерно в одно и то же время, от двух звезд, которые родились вместе и погибли примерно одновременно. Звезды-компаньоны имели бы такую же ориентацию спина, поэтому черные дыры, которые они оставили, тоже вращались бы подобным образом.

По второй модели черные дыры в звездном кластере опускаются в центр кластера и соединяются. У этих компаньонов были бы случайные ориентации спина по сравнению друг с другом. Наблюдения, черных дыр с различной ориентацией спина, произведенные с помощью LIG, дают более убедительные доказательства этой теории образования.

Интересные факты о черных дырах

Ваша смерть наступит прежде, чем вы достигнете сингулярности. Исследование 2012 года предполагает, что квантовые эффекты приведут к тому, что горизонт событий будет действовать как стена огня, мгновенно сжигая вас до смерти.
Черные дыры не «засасывают». Всасывание вызвано выталкиванием чего-то в вакуум, которым массивная черная дыра определенно не является. Вместо этого объекты просто попадают в них.
Первым объектом, считающимся обнаруженной черной дырой, является Cygnus X-1. С В 1971 году ученые обнаружили радиоизлучение, исходящие от Cygnus X-1, и был обнаружен массивный скрытый объект, который был идентифицирован как черная дыра.
Cygnus X-1 был предметом товарищеского спора 1974 года между Стивеном Хокингом и физиком – теоретиком Кипом Торном который утверждал, что этот источник был черной дырой. В 1990 году Хокинг свое признал поражение.
Миниатюрные черные дыры могли образоваться сразу после Большого взрыва. Быстро расширяющееся пространство, возможно, сжало некоторые свои области в крошечные плотные черные дыры, менее массивные, чем Солнце.
Если звезда проходит слишком близко к черной дыре, она сможет быть ей поглощена.
По оценкам астрономов, в Млечном Пути от 10 миллионов до миллиарда черных дыр с массами, примерно в три раза превышающими массу Солнца.
Теория струн предполагает больше типов массивных гигантских черных дыр, чем обычная классическая механика.
Черные дыры остаются потрясающим материалом для научно-фантастических книг и фильмов. Фильм Интерстеллар в значительной степени полагался на теоретического физика Кипа Торна, чтобы привнести настоящую науку в продукт Голливуда. Фактически, работа со спецэффектами для блокбастера привела к улучшению научного понимания того, как могут выглядеть далекие миры, когда они расположены вблизи быстро вращающейся черной дыры.

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

Комментировать

Войти с помощью: 

Этот сайт использует куки. Вы можете отказаться, если хотитеПринятьПрочитать больше

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: