В этой статье я собрал почти всё самое интересное, что мы знаем о чёрных дырах. Начиная от истории появления, заканчивая невероятными эффектами квантовой-механики и излучением чёрных дыр. И начать своё повествования я хочу с релятивистского введения:
Что из себя представляют Чёрные дыры и с чем их едят?
В нынешней культуре большинство людей так или иначе слышали о чёрных дырах и о их удивительных свойствах. И в правду, во всей Вселенной больше не найдётся ни одно типа объектов, сравнимого с чёрными дырами по «абсурдности». Но давайте начнём повествования об этих невероятных объектах Вселенной с общего понятия.
Что же мы называем чёрными дырами?
Чёрные дыры - это сверх массивные объекты с невероятной гравитацией, не позволяющей даже фотону, самому быстрому объекту, обладающим массой в природе, преодолеть своё гравитационное поле! Именно по этому их и называют чёрными.
При желании чёрную дыру можно сделать из чего угодно. Главное - выбранный вами материальный объект сжать до невероятной плотности. Тем самым заставив его материю провалиться саму в себя, и образовать сингулярность.
К примеру, нашу Землю придётся сжать до размеров одного сантиметра, а Солнце - до 3 километров. По сути, мы имеем дело с объектом, который напрямую нарушает все писаные и не писаные законы природы и физики, при этом абсолютно не противореча им. С этой неопределенностью мы обязательно разберёмся. Но сначала давайте окунёмся в историю того, как в умах учёных зародилась идея о таких фантастических объектах.
История Чёрных Дыр начинается в далёком 1783 году, когда английский священник Д. Мичел предположил теоретическое существование удивительных объектов с колоссальной массой и не имеющих никакого излучения. По его расчётам, если сжать пространство до радиуса 3 км, должна образовываться настолько большая сила гравитации, что даже свет не сможет её покинуть. Данные выводы были сделаны на основе недавно появившейся Ньютоновской теории гравитации. И, забегая вперёд, они были невероятно близки к правде.
Но на серьезном уровне о чёрных дырах вспомнили только в 1916 году, когда немецкий астроном Карл Шварцшильд получил удивительное частное решение вышедшей годом ранее Общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которое показывало на то, что во Вселенной должны существовать объекты с бесконечно плотностью и бесконечной кривизной пространства (Сингулярность).
Чёрные дыры Шварцшильда — являются простейшими сферически симметричными и неподвижными областями пространства-времени. И по начальной теории состоят такие объекты только из сингулярности, фотонной сферы и горизонта событий (Радиуса Шварцшильда). Формируются они из умирающей неподвижной звезды, у которой отсутствует электрический заряд и магнитное поле. В принципе, поэтому считалось, что сами они не движутся и не вращаются.
Но чёрная дыра Шварцшильда имела один недостаток, который противоречили наблюдениям и логическим соображениям других учёных. Этой проблемой стало отсутствие какого либо вращения у чёрной дыры Шварцшильда. Ни для кого не секрет, что во Вселенной все объекты и вся материя движется и вращается. И логично подумать, что чёрные дыры тоже должны обладать такими свойствами. И тогда была выдвинута новая модель, которой стала «Чёрная дыра Кера».
Это означает, что подавляющее большинство чёрных дыр должны быть дырами Керра, а не дырами Шварцшильда. Или комбинированными дырами Нордстрёма и Керра, имеющими небольшой электрический заряд и большой вращательный момент. В случае отсутствия вращения пропадает большое количество эффектов, которые мы наблюдаем у реальных чёрных дыр, что делает модель Шварцшильда не полной.
Название «Чёрная дыра» вошло в обиход только в конце 1967 года, когда американский физик Джон Арчибальд Уилер впервые назвал такой тип объектов черными дырами. (Скорее всего, термин был придуман одним из студентов Арчибальда, но этот факт доподлинно не известен). Новый термин полюбился физикам и привел в восторг журналистов, которые разнесли его по всему миру.
Из - за большого количества художественных произведений. Многие люди считают, что чёрные дыры обязательно должны иметь колоссальные размеры, в десятки, а то и в сотни раз превышающие в размерах любую звезду во Вселенной. Но на самом деле это не совсем так.
На данный момент принято выделять три основных типа чёрных дыр:
- Чёрные дыры звёздной массы
- Сверх массивные чёрные дыры
- Первичные чёрные дыры
По своей сути данные типы различаются только процессом образования той или иной чёрной дыры, а так же их размером. Но в общем случаем мы получаем один и тоже объект с колоссальным гравитационным полем, поглощающим безвозвратно в себя всю внешнюю материю.
Но давайте теперь разберёмся с каждым классом более подробно и по отдельности.
Первичные чёрные дыры:
Первичными чёрными дырами — называют гипотетический тип чёрных дыр, которые образовывалась не за счёт гравитационного коллапса крупной звезды, а в результате коллапса сверхплотной материи в начальных этапах эволюции Вселенной. Согласно модели Большого взрыва, после так называемой «планковской эпохи» давление и температура во Вселенной были сверх критическими. В этих условиях простые колебания в плотности материи были достаточно значительными, чтобы способствовать возникновению чёрных дыр.
Но данные объекты являются гипотетическими, и прямых доказательств их существования у нас нет. Это вызвано тем, что такие чёрные дыры должны быть очень маленькими, что делает их обнаружение почти невозможным даже при очень большом количестве во Вселенной.
Сверх массивные чёрные дыры:
Это, пожалуй ,самый доступный для изучения тип чёрных дыр. Это связанно с их колоссальными размерами. Каждый отдельный объект имеет массу от десятков миллионов масс, заканчивая триллионами масс Солнца (M ☉ ). При этом верхней границы по их размеру и массе, как говорит нам Общая теория относительности, нет.
Такие чёрные дыры рождаются в центрах галактик в результате гравитационного коллапса большого количества материи и энергии. Со временем каждая такая чёрная дыра увеличивается в своих размерах, питаясь материей из своих окрестностей. Если материи достаточно, то образуются «Квазары» активные ядра галактик и по совместительству одни из ярчайших объектов во всей Вселенной.
На данный момент самый большой Квазар, известный учёным TON 618, содержит одну из самых массивных известных черных дыр с оценочной массой в 66 миллиардов солнечных масс (M ☉ ). Скорость его вращения около 7000 км/сек, а размер TON 618 составляет около - 2600 астрономических единиц.(а.е. = 150 млн. км.) в поперечнике.
Для сравнения: черная дыра «Стрелец А*» в центре нашей Галактики имеет диаметр 90 астрономических единиц. Но данная сверх массивная чёрная дыра интересна другим, а именно её реальный снимок является самым детальным из когда-либо полученных:
Данное изображение, полученное телескопом «Горизонт Событий», показывает сильные магнитные поля, расходящиеся по спирали от края черной дыры (Стрельца A*). Это изображение сделано в поляризованном свете, подтверждая предполагаемые черты черных дыр, такие как мощные джеты, вырывающихся из из «плюсов» и наличие поляризованных аккреционных дисков. Несмотря на проблемы с получением изображений (Стрелец A*), технологические достижения обещают улучшение наблюдений в ближайшем будущем.
Чёрные дыры звёздной массы:
Самый распространенный тип чёрных дыр и по совместительству самый популярный из всех. Чёрные дыры звёздной массы рождуются в результате коллапса массивных звёзд (Более детально о данном процессе я расскажу ниже). Cредняя масса таких объектов колеблется он 8 до 80 масс Cолнца (M ☉). Такие чёрные дыры на ровне с обычными звезда, являются частями более крупных систем (Галактик). Они так же как звёзды, могут иметь планетарные системы вокруг себя, подобные нашей Солнечной.
Строение и эволюция чёрных дыр:
Теперь давайте более подробно углубимся в процесс появления чёрных дыр во Вселенной. Самым распространённым способом является коллапс массивных звёзд. И для более точного понимая этого процесса, немного поговорим о строении самих звёзд.
Процесс, из - за которого могут существовать чёрные дыры, напрямую связан с причиной того, что позволяет звёздам сохранять стабильную форму "сферы". он заключается в прицепе, из - за которого звезды имеют свойство светится. Внутри каждой звезды протекает термоядерный синтез, в результате которого водород обращается в гелий, высвобождая огромное количество энергии, которую мы видим как свет. Именно эта реакция сопротивляется дальнейшему сжатию и обращению звезды в чёрную дыру.
В какой-то момент гравитационные силы уравновешиваются процессами, происходящими внутри звезды, что делает её стабильной до тех пор, пока звездное топливо не израсходуется. Именно из-за термоядерного синтеза со временем меняется химический состав звёзд, и происходят эволюционные изменения.
На конечной стадии эволюции, в зависимости от массы, звезда либо сбрасывает лишнюю материю, становясь белым карликом, либо превращается в сверхновую звезду, после взрыва которой остаётся либо нейтронная звезда, либо чёрная дыра, в зависимости от массы ядра исходного объекта.
Но какая масса нужна для того, что бы звезда в коне своей эволюции стала именно чёрной дырой?
И тут нужно уточнить, что стоит говорить не о массе самой звезды, а о массе её ядра. Именно оно подвергается коллапсу. Если масса исходного ядра превышает примерно 3 массы Солнца (M ☉ ), то силы внутренних процессов звезды недостаточно, чтобы остановить коллапс, и она становится чёрной дырой. Эта критическая масса не позволяет давлению вещества, находящегося в процессе термоядерного синтеза в ядре массивной звезды, сопротивляться гравитации верхних слоёв. Они коллапсируют (падают) на нижние, что приводит к быстрому росту температуры и плотности.
В случае же с сверх массивными чёрными дырами происходить точно такой же процесс коллапса, но материя и масса для него берётся не из одной звезды, а из большого количества космической пыли и материи в центре галактик. Когда в одной точке достигается её критическое значение, тогда и производит коллапс, который приводит к образованию чёрных дыр.
И так, в результати того или иного пути мы получаем чёрную дыру. И теперь давайте разберемся с её физическими свойствами и условным строением.
Важно понимать, что на больших расстояниях воздействие Чёрной дыры ничем не отличается от любой другой звезды. Всё самое интересно начинается в момент, когда вы пытаетесь приблизится к ней. Давайте представим космический корабль, который приближается к окрестностям Чёрной дыры. И последовательно разберём все физические процессы, с которыми столкнётся экипаж по пути к её центру.
Предел статичности:
Первым эффектом, с которым столкнётся наш космический корабль, будет придел статичности. Предел статичности — это граница области пространства - времени, внутри которой любое тело уже не может находиться в состоянии покоя. В данной области гравитационное воздействие чёрной дыры становится значительным и любому телу требуется приобрести импульс, что бы выйти на стабильную орбиту вокруг чёрной дыры, чтобы удерживаться от падения.
фотонная сфера:
Но мы не будем выходить на орбиту и продолжим наше падение к центру. И следующей границей, которую нам придётся преодолеть, станет фотонная сфера. Эта область пространства-времени вблизи вращающейся чёрной дыры, расположенная между горизонтом событий и пределом статичности. На данном этапе воздействие чёрной дыры на вас возрастает на несколько порядков. Любой объект, находящиеся в пределах фотонной сферы, неизбежно начнёт вращаться вместе с чёрной дырой в одноимённую сторону. Эта сила настолько велика, что даже фотоны неспособны сопротивляться данному эффекту. И при условии, если они изначально двигались против вращения чёрной дыры, то она заставит их остановятся и изменить вектор своего движения на попутный себе.
Объект, попавший в фотонную сферу, ещё может вырваться наружу, приложив колоссальную энергию, в нашем случае - совершив сильный реактивный импульс. Объекты, находящиеся в фотонной сфере, могут двигаться по спиральной траектории, постепенно сближаясь с горизонтом событий и уходя в конце концов в него, или по спиральной траектории, постепенно сближаясь с пределом статичности и выходя за него в обычное пространство Вселенной.
Аккреционный диск:
Говоря о фотонной сфере, стоит так же рассказать и о самом красивом эффекте чёрных дыр - Аккреционном диске. Именно из - за свойств фотонной сферы в ней может накапливаться большое количество материи, которая приводит к появлению невероятно красивого явления.
Аккреционный диск является структурой, возникающей в результате падения материала, обладающего вращательным моментом, на массивную чёрную дыру или в редких случаях звезду. Аккреционные диски возникают вокруг звёзд, в тесных двойных системах, во вращающихся галактиках и в протопланетных образованиях. На большенсве иллюстраций чёрные дыры представляют именно с отчётливыми яркими аккреционными дисками. Такое свечение достигается в результате сжатие вещества, а также выделения большого количества тепла в результате трения дифференциально вращающихся слоёв материи. Это приводит к разогреву аккреционного диска и появлению характерного движения.
Горизонт событий:
Пожалуй, самый известный эффект, связанный с чёрными дырами. Горизонт событий является условной границей, перейдя за которую гравитационно притяжение чёрной дыры становится настолько сильным, что любой объект не именуемо провалится в сингулярность. Эта условная граница просто показывает тот момент, когда обратного пути уже нет.
Временные парадоксы:
Я думаю, многие из читателей знают о том, что чем массивнее тело, тем больше оно искре влияет пространство-время, тем самым в его блези время замедляется. И в случае с чёрными дырами данный эффект возведён в абсолют. Чем ближе вы приближаетесь к чёрной дыре, тем больше замедляется ваше персональное время. Но, пройдя за горизонт событий, начинается уж совсем «фантастический» сценарий. Ваше время буквально заканчивается.
Одна секунда для вас будет равняться времени жизни всей Вселенной. И есть очень убедительные доказательства утверждать, что в момент падения в сингулярность вы увидите гибель самой Вселенной. Да, к сожалению, наш мозг не способен представить такое, и для нас это кажется невероятным и фантастическим. Но такова физика гравитации и времени. Мы, живя на Земле, пользуясь чёткими временными и пространными границами, просто не можем представить бесконечное время или бесконечное пространно.
Сингулярность:
И вот мы подошли к эпицентру чёрной дыры и по совместительству самому загадочному физическому явлению - сингулярности. В науке понятие сингулярности используется в совершенно разных интерпретациях, начиная от «математической сингулярности» заканчивая «технологической сингулярностью». Но в этом случае я более подробно остановлюсь на сингулярностях, описанных в (ОТО) и гипотетически находящихся в центрах чёрных дыр.
Гравитационная сингулярность - это точка в пространстве-времени, внутри черной дыры, где искривление пространства-времени бесконечно велико. В таких областях становится неприменимым базовое приближение большинства физических теорий, для пространственно - временного континуума. Часто в гравитационной сингулярности величины, описывающие гравитационное поле, становятся бесконечными или неопределёнными. К таким величинам относятся, например, кривизна или плотность.
В (ОТО) сингулярности обязательно возникают при формировании чёрных дыр под горизонтом событий. Из - за этого появляется принцип «космической цензуры», не позволяющий её увидеть наблюдателю из вне. Из - за всего это мы просто не можем никак ни описать, ни представить сингулярность.
В данный момент все наши теории, начиная от (ОТО) заканчивая квантовой-механикой не в состоянии объяснить и хоть сколько приблизить наше понимание процессов происходящих в этой точке бесконечного пространства-времени. Даже сам факт, что в одну точку можно уместить бесконечное количество материи и пространства, поражает.
Излучение Хокинга:
Излучение Хокинга является невероятно сложным процессом, и любое его релятивистское представление будет не точным. Если сильно упрощать, его можно объяснить следующим образом: это квантовый процесс теплового излучения, спонтанно испускаемого черными дырами. Когда он происходит, масса черных дыр и их энергия вращения постепенно уменьшаются. В результате они могут полностью исчезнуть. Поэтому эту теорию иногда называют испарением черных дыр.
Квантовая-механика говорит нам о том, что во Вселенной непрерывно возникают пары частицы и античастицы, и в результате мгновенного контакта они аннигилируют и исчезают из нее. Если такая пара - частицы и античастицы, появляются рядом с горизонтом событий черной дыры, есть вероятность, что частицы не успеют провзаимодействовать. Один из объектов может попасть в черную дыру до момента его уничтожения. Тогда другая частица ускользнет под действием излучения Хокинга и вырывается в межзвёздное пространство.
Мы познакомились с основными эффектами и свойствами чёрных дыр. Но важно подметить, что в связи с невозможностью объяснить многие процессы простым языком, в описаниях, представленных выше, могут содержаться неточности.
Теперь давайте поговорим об интересных концепциях, связанных с чёрными дырами.
Белые дыры:
Сейчас мы знаем, что у каждого действия есть противодействие: у плюса - минус, у частицы анти - частица и так далее. Исходя из этого, встаёт логичный вопрос. Если есть объект, который всё притягивает к себе, то в теории должен быть противоположный ему объект, который только излучает? И вправду, в теоретической физике существуют такие объекты и называют их белыми дырами.
Белая дыра является противоположностью черной дыры. Ничто не может войти в неё, однако энергия и материя необъяснимым образом устремляются наружу. Согласно теории гравитации Эйнштейна, существование белых дыр предсказано. Хотя на данный момент эти странные объекты являются чисто гипотетическими.
Чтобы понять белые дыры, первым делом нужно понять природу чёрных дыр. На данный момент мы далеки от этого, и вряд ли в ближайшее время сможем разобраться в этом. Главной проблемой является понимание сингулярности. При этом есть только одна небольшая проблема с фундаментальными принципами второго закона термодинамики. Которые - противоречия белым дырам. Материя и энергия выбрасываются наружу, вызывая уменьшение энтропии вместо увеличения. Чего быть не может.
Червоточины - кротовые норы- мост Эйнштейна, Розена:
Предложенная Альбертом Эйнштейном и Натаном Розеном в 1935 году, эта теоретическая конструкция представляет собой удивительную возможность благодаря искривлению пространства-времени, находить кратчайшие пути через огромные космические расстояния, разделяющие небесные объекты или даже галактики.
Объект Эйнштейна-розена, широко известный как червоточина, представляет собой гипотетическую структуру, соединяющую две отдельные точки пространства-времени. Эта концепция возникла из уравнений поля Эйнштейна в общей теории относительности.
Самым популярным примером червоточины могу назвать фильм "Интерстеллар". По сюжету которого главные герои попадают в окружности Чёрной дыры "Гаргантюа" как раз через подобную "Кротовую нору". На орбите Сатурна.
Подробно об этом я уже писал в данном канале. Если тема интересна, то можете ознакомиться с ней более подробно.
Чёрные дыры невероятны как с точки зрения природы, так и истории. Сначала их существование казалось гипотетическим и крайне мало вероятным, но сейчас, благодаря развитию наших технологий, мы имеем реальные фотографии этих невообразимых объектов Вселенной. Но, несмотря на весь прогресс нашей техники, в совокупности с невероятными физическими теориями и моделями, мы не в состоянии точно понять природу чёрных дыр. Весьма вероятно, что со временем некоторые наши сегодняшние теории полностью изменятся, и мы получим совершенно новые открытия, которые еще больше прольют свет на природу нашей Вселенной.
Хочу выразить благодарность каждому, кто дочитал до конца. Я как автор, попытался собрать для вас самое интересное, что я знаю о чёрных дырах. и надеюсь, данная статья вам понравилась.
Ещё больше интересного о космосе вы можете прочитать в моём небольшом Телеграмм канале: RSC.News