В 1784 году Джон Митчел , на основе теории тяготения Ньютона, предсказал существование черных дыр. Он рассчитал, что если звезда сжимается до определённого радиуса, то её свет не сможет покинуть её поверхность из-за сильного гравитационного притяжения. Чтобы что-то изучить, надо внимательно рассмотреть. С черной дырой (ЧД) это правило не работает. Огромные сгустки гравитации в космосе не выпускают свет за свои пределы. Понять, что в них происходит невозможно. Тем не менее исследователям удалось получить достаточно знаний, чтобы найти ЧД во Вселенной. Только В 2015 году группа исследователей из Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) Барри Бэриш, Кип Торн и Райнер Вайсс обнаружили гравитационные волны. Они возникли от слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечных в одну гигантскую черную дыру массой 62 солнечных. За десятые доли секунды энергия гравитационного излучения составила эквивалент около 3 масс Солнца. Расстояние до источника гравитационных волн было 1,3 миллиарда световых лет.
Черная дыра есть область космоса, где гравитация настолько сильна, что ничто не может покинуть эту область, даже свет. ЧД есть субстанция с плотностью атомного ядра. Черные дыры образуются в результате гравитационного коллапса, когда давление газа в звезде не может уравновесить её гравитационное сжатие. ЧД образуется, когда массивная звезда исчерпывает свое топливо и взрывается, оставляя после взрыва плотное ядро. ЧД существуют разных размеров, от микроскопических до сверхмассивных. Некоторые исследователи Космоса считают, что Большой Взрыв есть процесс образования ЧД, а за пределами нашей Вселенной существует Мета-вселенная, наполненная такими же ЧД. И чтобы покинуть пределы нашего горизонта событий, понадобится энергия, превышающая мощность Большого взрыва.
Свойства и явления черных дыр
- горизонт событий и гравитационный радиус есть граница черной дыры, за которой ни одна частица не сможет вернуться, включая фотоны света. Радиус горизонта событий зависит от массы черной дыры. В 1916 году Шварцшильд, на основании теории Эйнштейна, посчитал гравитационный радиус для простого горизонта событий в виде сферы. Например для Солнца радиус Шварцшильда (РШ) есть примерно 3 км, а для Земли РШ равен около 1 см.
- сингулярность есть точечная область в центре черной дыры, где сила гравитации становится бесконечной, а размерность пространства-времени нулевой. Эта область где сжатие материи и энергии становятся необратимыми и все физические законы перестают работать. Мы не можем наблюдать сингулярность, так как свет и информация не выходят за горизонт событий ЧД. Поэтому свойства ЧД: масса, вращение, заряд и излучение мы можем наблюдать только через взаимодействие с другими космическими объектами.
- сплющивание есть эффект, когда любые космические объекты, приближающиеся к ЧД растягиваются вдоль одного направления и сжимаются вдоль другого. Это происходит из-за разницы в гравитации между разными частями объекта. Сплющивание влияет на форму, размер и вращение ЧД. Чем быстрее вращается ЧД, тем сильнее она сплющивается и тем больше искривляется её горизонт событий.
- замедление времени около ЧД. Время не является абсолютным и одинаковым для всех наблюдателей, а зависит от скорости и гравитации. ЧД настолько искривляет пространство-время вокруг себя, что время замедляется при приближении к ЧД. Это называется гравитационным красным смещением или гравитационной дилатацией времени. Для наблюдателя, находящегося вдали от ЧД, время текущее внутри ЧД, кажется замороженным. Для наблюдателя падающего в ЧД, время будет течь нормально, но он не сможет вернуться обратно. Свет излучаемый объектами удаляющимися от наблюдателя смещается в сторону длинных или красных волн.
Сверхмассивные Черные Дыры
есть ЧД с массой от 10^5 до 10^11 масс Солнца. В 2019 году впервые была «сфотографирована» сверхмассивная ЧД в центре галактики Messier 87, расположенной на расстоянии 54 миллионов световых лет от Земли. Они всегда существуют в центре галактик. Сверхмассивные ЧД являются источниками мощных явлений, таких как квазары, активные галактические ядра, реактивные струны и гравитационные волны. На сегодня (2024 год) самая массивная ЧД является TON 618, которая имеет массу около 66 миллиардов масс Солнца. Эта ЧД находится в центре квазара TON 618, который расположен на расстоянии около 10,4 миллиарда световых лет от Земли. TON 618 была открыта в 1957 году во время исследования белых карликов за пределами Млечного Пути. А сверхмассивная ЧД в центре нашего Млечного Пути известна как Стрелец А* (Sgr A*), имеет массу около 4 миллионов масс Солнца и находится на расстоянии около 26 тысяч световых лет от Земли. Она окружена горячим газовым облаком, в котором зарождаются и умирают массивные звезды.
В 2023 году орбитальный телескоп «Джеймс Уэбб» разглядел самую далекую активную сверхмассивную ЧД в галактике CEERS 1019. Её масса составляет всего 9 миллионов солнечных масс.
Реликтовые черные дыры
есть гипотетические черные дыры, которые образовались в начале рождения Вселенной из-за неоднородностей плотности материи во время Большого Взрыва. Они могут быть очень маленькими, даже меньше размеров протона, и иметь массу порядка наклона. Реликтовые ЧД могут быть кандидатами на роль темной материи, так как они слабо взаимодействуют с обычной материей и излучением. Но до сих пор существование реликтовых ЧД экспериментально не подтверждено и их обнаружение является одной из задач современной гравитационно-волновой астрономии.
Испарение ЧД или излучение Хоукинга
Стивен Хоукинг предложил гипотезу: ЧД все же может излучать некоторые частицы за свои пределы. Гравитационное поле в ЧД воздействует на вакуум, это дает парное рождение частиц и античастиц. Одни из них поглощаются ЧД, а другие улетают в пространство. Вылетающие частицы образуют излучение Хокинга, а падающие в ЧД частицы имеют отрицательную энергию. То есть эта энергия забирается у ЧД. Так Хоукинг доказал, что ЧД теряет свою массу и энергию, а значит через миллиарды лет исчезнет.
Причем, чем меньше ЧД, тем быстрее она исчезнет. Время жизни ЧД пропорционально третьей степени её массы и стремиться к бесконечности для сверх массивных ЧД. Так, время жизни ЧД сравнимой с массой Солнца, примерно равна 10^67 лет. А для ЧД массой около двух килограмм время жизни составляет не больше 16 секунд.
На галактическом уровне ЧД теряют настолько незначительное количество энергии, что этим можно пренебречь. А если ЧД микроскопическая, то возможно создание сингулярного реактора, в котором источником энергии будут компактные ЧД. Но до сих пор излучение Хоукинга никто не наблюдал.
Белые дыры
есть гипотетические физические объекты во Вселенной, из которых материя и энергия могут выходить, но в область которых ничто не может войти. Белые Дыры ( БД) являются временной противоположностью ЧД и предсказываются решениями уравнений Эйнштейна для сферически симметричных или вращающихся БД. Во Вселенной БД могут проявляться как яркие источники излучения, например, гамма-всплески. Однако такие сигналы могут иметь и другие объяснения.
БД могут быть связаны с ЧД через гипотетические проходы в пространстве-времени, называемые червоточинами. Другими словами, БД могут служить выходами из ЧД или входами в другие Вселенные. Однако такие сценарии нарушают причинность во времени и законы термодинамики,
поэтому большинство исследователей считают, что существование белых дыр в природе невозможно или крайне маловероятно. До сих пор никаких убедительных экспериментальных доказательств существования БД не найдено.
Черные и Белые дыры есть одни из самых загадочных и захватывающих объектов во Вселенной. Они представляют собой предел нашего понимания Космоса.
«Вселенная есть большая черная дыра, которая постоянно рождает новые Вселенные» - Александр Зеленый.