Перед прочтением
Приведенные в статье иллюстрации были сделаны не мной. Я только делаю информационную сборку от интересующихся для интересующихся людей. Ссылки на источники см. в конце. Статья будет редактироваться и дополняться. Конструктивная критика крайне приветствуется:]
Содержание:
- Методы исследования и поиска черных дыр
- Принцип появления и поведения черных дыр
- Что о черных дырах говорит общая теория относительности (ОТО)
- Объяснение внешнего вида черной дыры на примере цифровой модели
- Условия падения
- Разбор падения в черную дыру глазами человека
- Разбор падения в черную дыру глазами наблюдателя
- Определения
- Приложения (крайне рекомендую к ознакомлению)
- Ссылки
Методы исследования и поиска черных дыр:
Впервые существование черных дыр предсказала общая теория относительности Эйнштейна, хотя прямые доказательства этому появились лишь недавно. На данный момент ученые обнаруживают черные дыры по таким признакам как:
- Вокруг черных дыр часто вращаются кольца газа и пыли (аккреционные диски), которые излучают свет во многих диапазонах длин волн, включая рентгеновское излучение.
- Сильная гравитация сверхмассивной чёрной дыры может заставить звёзды вращаться вокруг неё особым образом. Астрономы однажды проанализировали орбиты нескольких звёзд у центра Млечного Пути, и пришли к выводу, что там находится сверхмассивная чёрная дыра.
- Ускорение крайне массивных объектов в пространстве порождает гравитационные волны (колебания в структуре пространства-времени). Некоторые из них учёные могут обнаружить по их воздействию на детекторы.
- Массивные объекты, такие как чёрные дыры, могут искривлять траекторию движения и искажать свет от более отдалённых объектов, что называется гравитационным линзированием.
В связи с особенностями работы и удаленности подобных объектов их исследования ограничиваются в основном наблюдением, теоретизацией и моделированием.
Принцип появления и поведения черных дыр:
Сначала стоит отметить, что черной дырой может стать любой объект, если сжать его до определенного размера (радиус Шварцшильда*). Две важнейшие черты, присущие чёрным дырам в модели Шварцшильда - горизонт событий и сингулярность*, причём чем массивнее черная дыра, тем меньше ее средняя плотность. Таким образом, чёрную дыру можно получить не только сжатием имеющегося объёма вещества, но и накоплением огромного количества материала. Среди возможных причин образования черной дыры отмечают:
- Конечный этап эволюции звезд с массой более трех масс Солнца. По завершению термоядерных реакций внутри таких звезд они начинают ускоренно сжиматься и если давление газа не может компенсировать гравитационные силы, то коллапс продолжается, в результате чего материя сжимается в черную дыру.
Причем это сжатие происходит крайне неравномерно, в результате чего образуется БХЛ-сингулярность, при приближении к которой человек испытал бы не спагеттификацию*, а более непредсказуемый эффект (его вероятно можно было бы сравнить с мгновенным распадом на мельчайшие частицы), образующийся из-за постоянного изменения кривизны пространства самой сингулярностью.
- Сжатие межзвездного газа, находящегося на стадии превращения в галактику или какое-то скопление. В случае недостаточного внутреннего давления для компенсации тех же гравитационных сил может возникнуть черная дыра.
Что о черных дырах говорит общая теория относительности (ОТО)
ОТО утверждает, что материя искажает пространство-время. Если в достаточно маленькой области пространства достаточно материи, это настолько сильно искажает пространство, что всё будущее в этой области указывает внутрь. Всё, что находится в этой области, не сможет избежать того, чтобы в будущем оказаться ближе к «центру» этой области.
Объяснение внешнего вида черной дыры на примере цифровой модели:
Чёрные дыры наблюдаются именно так благодаря наличию аккреционного диска. На расстоянии примерно в 2,6 раза больше горизонта событий начинается стабильная орбита яркого горящего газа. Именно эта структура позволяет увидеть эффекты чёрной дыры на снимках.
Свет от задней части аккреционного диска, которая скрыта от нас горизонтом событий, летит по криволинейной траектории. Свет огибает черную дыру и доходит до нас со стороны, которая должна быть не видна. В результате, помимо самого аккреционного диска, вокруг горизонта событий мы видим также его заднюю часть отображающуюся одновременно и сверху, и снизу.
По этой же причине вокруг изображений черной дыры часто можно заметить странный световой эффект, искажающий свет, летящий от удаленных объектов вокруг черной дыры - гравитационное линзирование.
Кроме того, в реальности вблизи черной дыры свет от отдаленных объектов будет смещён в синюю часть спектра, т.к. из-за гравитации черной дыры для нас течение времени замедляется, свет летит быстрее, а его волны укорачиваются.
Вживую внешний вид черной дыры серьёзно отличается от ее фотографий и симуляций, без фильтров ничего не увидеть. Цвета показывают только физические эффекты, но не видимое изображение.
А облако газа недостаточно оптически прозрачно, чтобы мы напрямую могли рассмотреть что-то, кроме яркого пятна.
Из-за эффекта Доплера* свет движущегося на наблюдателя газа будет ярче и более синим, а отдаляющегося — темнее и более красным.
Условия падения:
Вокруг черной дыры вращается диск плазмы, разогреваемой трением от его вращения, который испускает мощное ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Поэтому будем считать, что падающий человек находится в скафандре способном защитить от настолько высоких температур и вредного излучения. Кроме того, для рассмотрения аккреционного диска необходимо, чтобы у скафандра был светофильтр.
Разбор падения в черную дыру глазами человека:
Из-за аберрации света первое время движения лучи света собираясь спереди будут создавать эффект, будто черная дыра отдаляется от нас.
По приближению свет впереди будет казаться ярче, в свою очередь свет позади будет тусклее, а движение корабля будет выглядеть медленнее, т.к. двигаясь с высокой скоростью мы быстрее сталкиваемся со встречным светом, а догоняющий свет достигает нас медленнее (эффект Доплера*)
В какой-то момент мы достигнем точки, где заканчивается аккреционный диск, потому что гравитация в этом радиусе уже достаточно сильна, чтобы материя больше не могла стабильно вращаться и быстро попадает в черную дыру по спирали.
В 1.5 радиусах горизонта событий начинается фотонная сфера. С этого момента весь попавший сюда свет неминуемо упадет на сингулярность, хотя точно на её границе свет даже может вращаться вокруг черной дыры.
Пересечения горизонта событий мы не заметим, так как свет, упавший вместе с нами, все еще может попадать нам в глаза, но из-за аберрации света теперь кажется, что темная сфера черной дыры перед нами уменьшается, а корабль позади увеличивается, хотя его время для нас все еще замедляется. Хотя стоит отметить, что на тему выживания в после пересечения горизонта событий так-же активно ведутся споры.
Глобально пространство искривлено черной дырой, но локально оно практически плоское, из-за чего объекты пока ведут себя как обычно.
Но по мере приближения к сингулярности в какой-то момент мы ощутим спагеттификацию* (сила, растягивающая объект в близи сингулярности из-за разности притяжения ближней и дальней его точками).
При свободном падении в черную дыру человек разгонится до огромной скорости, из-за которой для него создастся эффект замедления времени. В свою очередь из-за гравитации время снаружи черной дыры будет ускоряться. При наложении эффекты практически компенсируют друг друга. Но если попытаться удержатся на месте находясь на границе горизонта событий, то есть шанс, что без влияния эффекта замедления времени из-за скорости, возможно будет увидеть ускоренные события во внешней вселенной.
Чтобы попытаться увидеть конец вселенной - гравитации вне горизонта событий будет недостаточно, чтобы ускорить время настолько сильно, а за горизонтом событий удержаться на месте не удастся в теории, но это может получиться если попробовать удерживаться на месте ровно на линии горизонта событий. Хотя по мимо проблемы с точным определением его границы, на ней гравитация становится достаточно сильной, что даже свет, пытающийся вырваться наружу, замирает, что значит, что для удержания на месте понадобится энергия необходимая для разгона до скорости света, что так-же невозможно.
Кроме того, если все-таки попытаться, то при ускорении вселенной вне черной дыры - световые волны будут лететь с повышенной частотой, из-за чего сместятся сначала в ультрафиолетовый, а далее в рентген и гамма-диапазоны.
Разбор падения в черную дыру глазами наблюдателя:
Если наблюдатель с корабля будет смотреть за падающим человеком, то сначала он будет ожидаемо удалятся с определенным ускорением, но по мере приближения к горизонту событий космонавт в его глазах он будет замедляться, пока не остановится, а излучаемый от него свет сместится сначала к инфракрасной части спектра, а далее в радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания. По мере приближения человека к черной дыре свету будет все труднее вырваться, поэтому световые волны растягиваются, пытаясь преодолеть гравитацию, а сторонний наблюдатель никогда не увидит, как человек пересечет горизонт событий.
Определения:
Спагеттификация* — астрофизический термин, обозначающий сильное растяжение объектов по вертикали и горизонтали, вызванное большой приливной силой в очень сильном неоднородном гравитационном поле.
Гравитационная сингулярность* – это точка, в которой искривление пространства-времени бесконечно.
Эффект Доплера* - изменение частоты и длины волны излучения, воспринимаемое наблюдателем, вследствие движения источника излучения относительно наблюдателя.
Радиус Шварцшильда* или гравитационный радиус - это физический параметр, который соответствует радиусу, определяющему горизонт событий черной дыры Шварцшильда.
Приложения (крайне рекомендую к ознакомлению):
- NASA симуляция полета вокруг черной дыры VR 360° - https://youtu.be/dGEIsnBRWGs?si=QAuXpblvIQAbYzK-
- Падение в черную дыру VR 360° - https://youtu.be/17tEg_uTF_A?si=_BnFIn_5i04qggDT
- Взгляд на черную дыру вблизи и при падении 360° - https://www.gregegan.net/PLANCK/Tour/TourApplet.html
Ссылки:
- https://dzen.ru/a/ZUGvFysCWAC_OrXi
- https://youtu.be/DYq774z4dws?si=tEAVGpMET7wzasks