Чёрные дыры одни из самых интересных объектов во Вселенной. Долгое время они считались лишь гипотезой, пока их существование не было доказано астрономами экспериментально.
Что такое чёрная дыра?
Чёрная дыра - это очень сильно сжатая материя. Согласно закону всемирного тяготения, сила притяжения масс обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Чем больше сжатие, тем меньше размер материи, тем ближе к ней можно приблизиться и тем сильнее сила притяжения, а следовательно и гравитация. Когда гравитация становится такой силы, что даже свет не может покинуть поверхность объекта, он становится чёрной дырой.
Сфера, которая ограничивает область с гравитацией такой силы, что даже свет не в состоянии её преодолеть, называется горизонтом событий. Потому что какие бы события внутри этой сферы не произошли, внешний наблюдатель о них никогда не узнает. Поверхность сферы - это точка невозврата, за пределами которой из чёрной дыры ничего не может вырваться. Эта сфера и считается границей чёрной дыры. Что находится внутри чёрной дыры? Этого мы не знаем. Какая-то энергия или материя в какой-то форме. Типа бозонов или ещё какой. Пока существуют лишь не очень доказанные гипотезы.
Радиус сферы называется радиусом Шварцшильда, по имени немецкого учёного, - астронома и физика, - теоретически предсказавшего существование чёрных дыр в 1916 году. У любой массы есть свой радиус Шварцшильда. Если материю с определённой массой, например яблоко, сжать до её радиуса Шварцшильда, она превратится в чёрную дыру. Но к нашему счастью, такие силы существовали только во время Большого взрыва. А сейчас ею обладает только сверхмощная гравитация. Или, теоретически, некоторые ядерные реакции. При этом отдельные безответственные учёные пытаются создать микроскопическую чёрную дыру на Большом адронном коллайдере 🙂
Ядро чёрной дыры называется сингулярностью. В нём плотность и гравитация становятся бесконечными. Некоторые фантазёры считают, что это “червоточины” через которые можно мгновенно перемещаться в любую точку Вселенной.
Вообще, следует помнить, что всё это физические и математические модели, принятые учёными в настоящее время. Существуют теории, объясняющие чёрные дыры без всяких сингулярностей с их бесконечностями. Но эти теории сейчас не общепризнаны 🙂
Как образуются чёрные дыры?
Чёрные дыры образуются тремя основными способами.
- Коллапс массивной звезды. Массивные звёзды обладают огромной массой и огромной гравитацией, способной сжать всю их материю в объект небольшого размера. Но пока звезда горит, силы, возникающие при горении, препятствуют этому сжатию. Другое дело, когда всё горючее в звезде сгорает. Звезда обрушивается внутрь себя.
Вообще, звёзды заканчивают своё существование тремя способами:
a) Небольшие в конце своей жизни становятся белыми карликами и постепенно остывают, превращаясь в чёрный карлик.
b) Если масса звезды превышает массу Солнца в 10 раз, звезда схлопывается и взрывается, превращаясь в сверхновую. При взрыве внешняя оболочка отбрасывается в космос и в сухом остатке остаётся нейтронное ядро, которое теперь называется нейтронной звездой. Нейтронныe звезды тоже очень плотные, их масса сравнима с массой Солнца, при этом они имеют диаметр километров десять. Но всё же их плотность недостаточная для черной дыры.
c) Если масса звезды превышает массу Солнца в 20 раз, то она также превращается взрывом в сверхновую, а затем в нейтронную звезду. Но если масса нейтронной звезды превышает массу Солнца в 3 раза, происходит дальнейшее сжатие, и она превращается в чёрную дыру. Кстати, если столкнутся две нейтронные звезды и их общая масса превысит три солнечные, они тоже превратятся в чёрную дыру. - Коллапс центра галактики или огромных объёмов газа в центре галактики. Таким способом образуются сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД), которые есть в центре всех галактик. Сверхмассивная чёрная дыра в нашей галактике Млечный Путь называется Стрелец A*. Образуются подобные сверхмассивные чёрные дыры во время образования галактик.
- Квантовые чёрные дыры. Образуются в результате некоторых ядерных реакций. Как раз эти дыры физики сейчас и пытаются воспроизвести на Большом адронном коллайдере.
Это основные способы образования чёрных дыр. Хотя есть гипотеза, что существуют чёрные дыры, созданные во время Большого взрыва. Способ гипотетический и теоретический, вообще никак не доказанный. Предполагается, что в момент Большого взрыва были такие давления, что могло образоваться большое количество достаточно небольших чёрных дыр.
Можно ли увидеть чёрные дыры?
Чёрные дыры, как и планеты, не светятся, поэтому их и обнаруживают примерно так же, как и планеты - на фоне чего-то светлого. Если рядом с чёрной дырой находится, например, звезда, дыра может начать затягивать в себя газообразное вещество звезды. Причём, этот газ не затягивается сразу в дыру, а начинает кружить вокруг неё, образуя так называемый аккреционный диск. Слои диска от трения разогреваются и начинают светиться. Вот на фоне этого свечения и можно увидеть тёмную тень чёрной дыры.
Сколько живут чёрные дыры?
Считаются, что чёрные дыры ничего не излучают, однако это не так. Чёрные дыры излучают некоторые частицы, тем самым теряя массу. Излучение происходит за счёт огромной гравитации чёрной дыры с образованием материи и антиматерии, так что никакого парадокса здесь нет. Это излучение, называемое испарением, идёт очень медленно и зависит от массы. Большие чёрные дыры испаряются за 10 в семидесятой степени и более лет. А дыры в несколько тонн, например, испарятся за считанные секунды с выделением огромной энергии.
Опасны ли чёрные дыры?
Не очень. Чёрные дыры не летают по вселенной и не поглощают все звёзды и планеты на своём пути. Вообще, огромная гравитация действует на достаточно небольших расстояниях. Если вместо Солнца поместить чёрную дыру, то ничего не изменится. Станет темно и холодно, но планеты продолжат вращаться точно так же, как и при Солнце, дыра их не поглотит.
Сможет ли сверхмассивная чёрная дыра поглотить всю галактику, в центре которой она находится? Если вселенная начнёт сжиматься, то может и поглотит. Но точного ответа на этот вопрос нет. В любом случае это произойдёт очень и очень нескоро.
10 интересных фактов о чёрных дырах
- Если человек упадёт ногами вперёд в чёрную дыру, то его тело растянется как макаронина. Это связано с тем, что гравитация в чёрных дырах меняется очень сильно на небольших расстояниях. Процесс так и называется - спагеттификация.
- Чёрные дыры видны только тогда, когда взаимодействуют с находящейся неподалёку материей. Во всех остальных случаях они недоступны для наблюдения.
- В 2019 году был опубликован первый в истории снимок сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики M 87. Снимок был сделан с помощью Телескопа горизонта событий. Это специальный проект, объединяющий множество радиотелескопов по всей Земле. Проект был создан для наблюдения за СМЧД.
- Самая маленькая из открытых чёрных дыр находится в созвездии Единорог. Её масса примерно равна трём массам Солнца.
- Самая маленькая дыра Единорог пока является и ближайшей к нам. Расстояние до неё составляет 1500 световых лет. Кстати, СМЧД в центре нашей галактики, Стрелец А*, находится от нас на расстоянии 26 тысяч световых лет. Её масса равна 4 миллионам масс Солнца. Своё название она получила потому, что визуально находится в созвездии Стрельца.
- Теоретически могут существовать белые дыры, которые являются полной противоположностью чёрных дыр. Из чёрных дыр ничего не может выйти, в белые дыры ничего не может зайти.
- В Млечном Пути более 100 миллионов чёрных дыр.
- Термин “чёрные дыры” придумала и ввела в обиход американская журналистка Энн Эвинг в 1964 году.
- Cygnus X-1 (Лебедь X-1) первая обнаруженная чёрная дыра. Это произошло в 1964 году.
- Чёрные дыры замедляют время. Чем вы к ним ближе, тем медленнее оно течёт.