в массовой культуре наверное самым опасным объектов в нашей Вселенной считаются «черные дыры». эти загадочные объекты разгуливают на просторах космоса и пожирают все на своем пути от планет до звезд. о черных дырах снимают фильмы, пишут песни.
на в самом деле все не совсем так. «черные дыры» хотя что-то пожрать и могут, и вылететь даже из галактики, но галактики большие, а дыр не так много и они не сосут все в подряд из пространства. т.е. в ряд ли вы с ней встретитесь, а если даже встретитесь то достаточно не приближаться достаточно близко и все будет хорошо. что же это все таки такое «черная дыра»?
в сущности ничего особенного это объект с сильной гравитацией сосредоточенный в небольшой области пространства - хочется добавить "времени" - но там не все так просто. черная дыра уникальное место где встречаются теория относительности и квантовая механика, а как известно эти теории очень плохо дружат.
когда-то подобные объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары», а также «застывшие звёзды». автор термина «черная дыра» достоверно не известен, однако это обозначение довольно быстро прижилось, т.к. хорошо описывает суть объекта. «дыра» потому что все туда проваливается, но ничего не может выйти, а «черная» потому что ничего не излучает. правда по современным представлениям это не совсем так, но на тот исторический момент считалось, что черные дыры ничего не излучают.
впервые описание массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что вторая космическая скорость, превышает скорость света, впервые была высказана еще в рамках ньютоновской механики в 1784 году Джоном Мичеллом. таким образом даже свет не сможет покинуть это тело. т.е. это объект ничего не излучает. Мичелл предположил, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов. далее Лаплас упоминал эту идею в своих трудах. именно благодаря Лапласу эта мысль получила некоторую известность.
но время идет и в 1905 году А. Эйнштейн предложил свою специальную теорию относительности (СТО), в рамках которой скорость света оказалась максимальной скоростью, которую может развить физическое тело, что изменило значение чёрных дыр в физике. вскоре появилась и общая теория относительности которая дала возможность точно описывать такие объекты.
и в 1916 году Карл Шварцшильд получил точные решения уравнений Эйнштейна для такого объекта. в том числе определил гравитационный радиус или радиус Шварцшильда — радиус, определяющий «горизонт событий» черной дыры. кроме решений Шварцшильда существуют еще решения для более общих случаев, но решение Шварцшильда было исторически первым.
«горизонт событий» — думаю хорошо известное слово сочетание. обозначает воображаемую сферу в пространстве, попав под которую любой объект не сможет выйти за пределы этой сферы. тут становится понятным, что «черная дыра» довольно специфический объект у него нет границы в обычном понимании этого слова. т.е. нет поверхности — падая в черную дыру вы не заметите, что пересекли «горизонт событий».
как же устроена «черная дыра» по современным представлениям? вообще говоря ответа на этот вопрос нет. в каком-то приближении можно считать, что это сингулярность прикрытая «горизонтом событий» т.е. сингулярность это «дно» «черной дыры» куда все падает? нет — дна у «черной дыры» нет. сингулярность это такая точка пространстве-вемени где не применимы обычные представления, там не работают физические теории.
т.е. черная дыра это такая область пространства-времени, в которую масса искривила настолько, что ничто даже свет не может выйти от туда. т.е. то что попало в «черную дыру» навсегда останется под горизонтом событий.
кроме горизонта событий и сингулярности, есть и то что можно наблюдать, хоть это и не является непосредственной частью «черной дыры» это аккреционный диск — он образован материей, падающей в чёрную дыру. ускоряясь и раскаляясь, вещество активно излучает.
конечно вокруг черной дыры формируются еще видимые области «фотонная сфера», «релятивистские струи» и т.п. но я не буду на этом останавливаться подробно.
выделяют несколько причин образования черных дыр.
- «черные дыры» появились вследствие сжатия очень массивной звезды под действием гравитационных сил. т.е. на последней стадии жизни звезды, когда внутри её ядра прекращаются термоядерные реакции, уже не что не противостоит силе сжатия под действием гравитации. если звезда проскочила состояние «белого карлика» ядро звезды сжимается в нейтронную звезду. если в свою очередь масса нейтронной звезды достаточна, то она сжимается дальше до состояния «черной дыры». (про эволюцию звезд я немного писал здесь)
- по второй гипотезе «схлопывается» под собственным весом не отдельная звезда, а часть галактики.
- также эти небесные тела могли появится после Большого Взрыва из-за расширения Вселенной. такие объекты еще называют первичными черными дырами.
- ну и самый экзотический вариант, что маленькая черная дыра может возникнут в результате столкновения частиц с очень большими энергиями. нечто похожие происходит например на большом адронном коллайдере. однако по крайней мере пока в черную дыру нас не затянуло.
принципе любое тело может стать «черной дырой» если сосредоточить его массу в достаточно небольшом объеме. т.е. если например сжать нашу Землю до диаметра около 2 сантиметров — она тоже станет черной дырой.
черная дыра характеризуется прежде всего своей массой. т.е. неважно что вы туда бросили кота или кирпич — важна только масса.
до недавнего времени считалось что черные дыры ничего не излучают. но с появлением квантовой механики стало возможным обосновать излучение «черных дыр»
излучение Хокинга — гипотетический процесс излучения «чёрной дырой» разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов.
упрошенное описание эффекта дал сам Хокинг, хотя объяснение не совсем правильное, но я все таки воспользуюсь этой упрощенной версией т.к. она везде в википеди в популярных лекциях и т.п.
в квантовой механике вакуум не пустой в нем с катастрофической скоростью рождаются и исчезают большое число частиц. эти частицы еще называют виртуальными. т.е. вакуум не ноль, а он колеблется около нулевой отметки.
представим себе что пара частиц и античастица возникли вблизи горизонта событий. одна частица сумела улететь за горизонт событий, а другая попала под него. раз частицы разъеденные они больше не виртуальные т.е. они не могут друг-друга уничтожить. одну частичку мы увидим, а вторая античастица попадет в черную дыру, где с аннигилирует с другой частицей. т.е. излучение как-бы берет в займы энергию у пространства, расплачиваться потом приходится массой «черной дыры».
кривость объяснения видна сразу:
- почему излучают лучше маленькие «черные дыры». черные дыры большой массы практически ничего не излучают.
- почему излучение Хокинга сотоит приимущественно из фотонов?
- куда девались античастицы? ведь частицы образуются равномерно относительно горизонта событий, значит античастицы должны долетать до наблюдателя.
на второй вопрос можно попробовать дать ответ, что фотон безмассовый т.е. его скорость максимальна и может существовать лишь двигаясь со скоростью света т.е. шансы покинуть горизонт событий у фотона максимальный.
что же с остальными вопросами, то так просто на них не ответить. т.е. правильное объяснение ссылается на кривизну пространства-времени, но я не настолько хорошо понимаю процесс, чтобы дать хорошее простое объяснение.
пока будем считать, что черные дыры такие вот странные объекты — фонят тем больше чем они меньше. обычно наоборот если железку нагреть она начинает фонить в тепловом диапазоне, но теряет энергию и остывает, а черные дыры наоборот. теоретически испаряясь большая черная дыра в начале процесса очень холодная, а в конце, когда становится маленькой, очень горячая.
т.к. «чёрная дыра» задаётся фактически одним параметром — своей массой. то если бросить в «чёрную дыру» тело определённой массы, то неважно, что это было за тело. свойства чёрной дыры после поглощения тела будут зависеть только от её новой массы.
т.е. если вы что-то бросили в «черную дыру» вы увеличили её массу. а излучение Хокинга наоборот «поедает» массу «черной дыры». т.е. если «черная дыра» вернулась к состоянию до сбрасывания тела, получается неважно что вы туда кинули — «черная дыра» переработала это в излучение, а сама при этом не изменилась — вернулась к прежней массе. еще говорят «у чёрной дыры нет волос» (теорема об отсутствии волос), то есть все невращающиеся и незаряженные чёрные дыры одинаковой массы неотличимы друг от друга. эту проблему принято называть «исчезновением информации в черной дыре».
некоторые горячие головы увидели в этом концепцию сингулярного реактора (коллапсарный реактор). а по сути здорово, что не брось превратится в энергию излучения. здорово конечно было бы — утилизировать можно все и вся, но это пока весьма гипотетически. само излучение Хокинга это все еще гипотеза.
- тут кстати можно немного пофантазировать. возьмем две простые формулы эту и эту. и задаться вопросом: энергия столкновения частиц может стать достаточной для образования чёрной дыры? понятно что расчет очень примитивный, но все же мой ответ «нет» энергии нужно ну очень много, но можно самому посчитать. хотя можно взять частицы по-меньше например электроны, они кроме всего прочего бесструктурные и точный их размер не известен... но думаю все равно «нет». так что вот определение размера электрона — будет образовываться «черная дыра » или нет — бугагашенька. электронная «черная дыра».
еще один эффект про который любят говорить, когда вспоминают «черную дыру» это замедление времени. т.е. если вы будите наблюдать за тем как кто-то падает в черную дыру, приближаясь к горизонту событий он будет двигаться всё медленней и медленней, т.е. с вашей точки зрения время у падающего замедляется, пока он не остановится на «горизонте событий», покраснеет и исчезнет. для падающего картина будет иная. он не заметит когда пересечет «горизонт событий», время у него будет течь обычным образом и с ним будет все хорошо, пока приливные силы достаточно не нарастут и не разорвут на части. чаще говорят спагеттификация т.е. вытянет в макаронину.
занятный сценарий. только вот сами черные дыры существуют? может её можно «сфотографировать»? только как, если она практически ничего не излучает. был же даже проект «телескоп горизонта событий»... ну логично предположить, что «сфотографировали» аккреционный диск, который достаточно сильно фонит. вообще это довольно сложный процесс и видимо для создания качественных изображений нужны новые инструменты.
с точки зрения Эйнштейновской теории гравитации «чёрная дыра» — объект неуничтожимый. Она может только расти, но не может ни уменьшиться, ни исчезнуть совсем. однако если излучение Хокинга существует, то черная дыра рано или поздно испариться. излучение Хокинга — главный аргумент учёных относительно распада (испарения) небольших «чёрных дыр», которые теоретически могут возникнуть в ходе экспериментов на БАК.