Черные дыры – пожалуй, самые таинственные и загадочные астрономические объекты в нашей Вселенной, которые с момента своего открытия привлекают внимание учёных и будоражат фантазию писателей-фантастов. Многие учёные говорили на уровне гипотез о теоретическом существовании объектов, гравитация которых настолько велика, что даже свет не может преодолеть её. Хотя и с момента полного математического доказательства существования чёрных дыр прошло более ста лет, за которые наука достигла невообразимых высот, учёные до сих пор не уверенны в своих догадках о возникновении, составе и свойствах этих загадочных объектов нашей вселенной. В конце концов мы можем лишь предполагать о истине этих гипотез и возможностях математики и физики описать чёрные дыры.
Так что же такое чёрная дыра и почему они так называются?
Чёрная дыра – это область пространства времени с настолько сильным притяжением, что ничего, включая свет, не может из неё выбраться.
Чёрная дыра – удивительное явление, встречающееся во Вселенной. Оно представляет большой интерес для учёных, 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 учёным даже удалось сделать первую в мире фотографию, на которой изображён данный космический объект.
Это может показаться странным, но черные дыры являются самыми простыми объектами во Вселенной в плане характеристик. У них есть лишь три параметра: скорость вращения, масса и заряд. Вообще существует гипотеза «Об отсутствии волос у чёрной дыры», которая гласит, что при поглощении чёрной дырой любых объектов она всё равно будет обладать только тремя параметрами. Но нужно понимать, что у чёрной дыры отсутствует физическая оболочка. Под данным термином подразумевается лишь пространство на определённом расстоянии от центра, где заканчивается действие силы притяжения. Когда объект или свет пересекает горизонт событий, он уже не может выбраться из чёрной дыры, поскольку оказывается в сильном гравитационном поле.
Изначально данные космические объекты назывались коллапсарами. Однако в XX веке журналисты научных изданий начали использовать словосочетание “чёрная 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 определённого вещества, например, газа. Также чёрная дыра хорошо заметна, если она впитывает вещество и энергию из расположенной рядом звезды. В противном случае обнаружить её не удастся, поскольку она будет невидима для человеческого глаза и приборов. Хотя данные объекты и поглощают свет полностью, никак его не отражая, есть гипотеза, что они могут обладать излучением. С физической точки зрения этот процесс напоминает постепенное испарение. На данный момент - это явление не доказано, и существует лишь гипотетическая модель.
Виды чёрных дыр
Как и большинство космических объектов чёрные дыры были теорией. Их описывали «область пространства-времени, которую ни материя, ни свет не могут покинуть из-за слишком сильного гравитационного притяжения». То, что подобные объекты возможны, стало ясно сразу же после того, как в 1915 году были сформулированы уравнения Эйнштейна.
Уже в январе 1916 года Карл Шварцшильд предложил точное решение уравнений, которое описывает кривизну пространства-времени, вокруг не вращающегося сферически-симметричного массивного объекта. Это решение допускает возможность существования черных дыр и фактически вводит понятие горизонта событий — поверхности, расположенной на определённом расстоянии (которое называют радиусом Шварцшильда) от центра объекта и разделяющей две области пространства-времени.
Но вернёмся к Шварцшильду. Долгое время большинство физиков, включая Эйнштейна, скептически относились к возможности того, что такие конфигурации материи могут существовать в реальной Вселенной. Но теперь мы понимаем, что любая достаточно тяжёлая не вращающаяся звезда, как бы ни были сложны её форма и внутреннее строение, исчерпав ядерное топливо, неизбежно коллапсирует и превращается в идеально сферическую шварцшильдовскую чёрную дыру. Радиус R горизонта событий чёрной дыры зависит только от её массы; он определяется по формуле:
R = 2GM/C2, где G — гравитационная постоянная Ньютона; М — масса чёрной дыры; с — скорость света. Чёрная дыра с такой же массой, как у Солнца, будет иметь радиус всего 3 км.
Современная астрофизика рассматривает три типа черных дыр во Вселенной: звёздные, сверхмассивные и реликтовые.
Звёздные черные дыры:
Это черные дыры со звёздными массами. Они возникают как результат жизни массивных звёзд. Отметим, что черные дыры образуются только из звёзд, масса которых превышает массу Солнца в 20-40 раз.
Другой вариант образования звёздной чёрной дыры - аккреция газа. Аккреция - это падение вещества из окружающего пространства на космическое тело. Газ "падает" на нейтронную звезду до тех пор, пока масса последней не превзойдёт максимально возможной массы для нейтронных звёзд. В таком случае нейтронная звезда коллапсирует в маломассивную чёрную дыру.
Сверхмассивные черные дыры
Предполагают, что такие черные дыры находятся в центрах галактик. Их масса может составлять до 10 в девятой степени масс Солнца. Эти выводы сделаны на основании анализа движения звёзд около центров галактик.
Существует также гипотеза, согласно которой сверхмассивные черные дыры находятся в центрах квазаров – малоизученных и самых далёких из тех космических объектов, которые можно наблюдать с Земли. Квазары представляют собой ядра галактик и в своём центре имеют чёрную дыру.
Квазары обладают невероятно сильной светимостью и небольшими размерами, их можно наблюдать на расстоянии в 10 млрд световых лет. Эти объекты выделяют огромную энергию во всех областях спектра электромагнитных волн, а особенно - в инфракрасной области.
Первичные или реликтовые черные дыры
Самые маленькие черные дыры, образование которых происходило на ранних стадиях развития Вселенной. Появившиеся вследствие неоднородности Большого Взрыва сгустки вещества могли сжиматься до состояния черных дыр, пока остальная часть вещества расширялась.
Чёрная дыра - это не всегда что-то очень большое и тяжёлое. Учёные предполагают, что размер некоторых первичных черных дыр может быть значительно меньше размера протона.
Как появляются чёрные 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
Исследования показывают, что околосолнечные черные дыры имеют большой возраст и скорее всего появились на ранних этапах формирования Вселенной. Они образовались в результате сжатия звёзд, размеры которых в 25-70 раз превышают габариты Солнца. Когда светило прекращало уменьшаться, оно взрывалось, а его центр превращался в чёрную дыру. Массивные объекты в большинстве случаев образуются из гигантских газовых облаков. Массы последних как раз хватает, чтобы сформировалась чёрная 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 чёрная дыра появилась примерно в то же время, что и галактика, и располагается в её центре. Основным материалом для неё послужило газовое облако, которое сжалось до малых размеров. Также есть версия, что чёрная 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 чёрной дыры постепенно увеличиваются. Более того, если поглощение происходит лишь с одной стороны, она начинает вращаться в определённую сторону.
Структура, физика и форма Чёрных дыр
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 чёрная дыра вращается с большой скоростью, её 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 учёным до сих пор не удаётся узнать, что находится в центре чёрной дыры. Известно, что там не действуют физические законы, а кривизна пространства стремится к бесконечности. Пока самым распространённым мнением считается, что внутри чёрной дыры находится сингулярность.
Схема строения чёрной дыры: Любая чёрная дыра имеет два основных элемента. Горизонт событий – границу, при пересечении которой объект гарантированно окажется в гравитационном поле, и сингулярность. Последняя наполняет внутреннюю область. Учёные до сих пор не могут определить, что именно находится в ней. Когда чёрная 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.
Интересные факты
- чтобы покинуть чёрную дыру, объект должен двигаться навстречу времени, т.е. перемещаться в прошлое, что в принципе невозможно.
- размеры чёрной дыры пропорциональны её массе. Чем она больше весит, тем шире горизонт событий.
- чем больше весит чёрная дыра, тем меньше её плотность. Это связано с тем, что с увеличением веса её объем растёт большими темпами.
- Чёрные дыры -- это объекты, плотность которых наибольшая из известных во вселенной.
- Чёрные дыры в конечном итоге cжимaютcя дo paзмepa, мeньшeгo, чeм paзмep элeктpoнa (cубaтoмнaя чacтицa). Ha этoм этaпe oн дocтигaeт paзмepa, кoтopый извecтeн кaк длинa Плaнкa. Этa длинa нa caмoм дeлe являeтcя пpeдeлoм квaнтoвoгo paзмepa. Teopeтичecки ничтo нe мoжeт cтaть мeньшe, чeм этo, и нa caмoм дeлe нeт дocтупныx инcтpумeнтoв, кoтopыe мoгут измepить длину Плaнкa. Знaчeниe длины Плaнкa cocтaвляeт 1,61619926 x 10 в минуc З5 cтeпeни мeтpoв.
- Сущecтвуют нeкoтopыe нaучныe уpaвнeния, кoтopыe в кoнeчнoм итoгe пpeдпoлaгaют, чтo кaждaя чepнaя дыpa coдepжит oдну Bceлeнную. Ecли этo пpaвдa (этo eщe нe дoкaзaнo), вce, чтo мы знaeм o Чёpныx Дыpax, измeнитcя. И, ecли этo пpaвдa, мы ceйчac живeм в Чepнoй дыpe.
- Чёpнaя дыpa, кoтopaя нaxoдитcя ближe вceгo к нaшeй Зeмлe, нaxoдитcя в 16 квaдpиллиoнax килoмeтpoв oт нaшeй плaнeты. Ha caмoм дeлe этo 1600 cвeтoвыx лeт.
