глава 5. Как она выглядит снаружи?
Раз мы уже упомянули, какие тайны она может скрывать в своём сердце, расскажем её внешние причуды:
1. Само собой, самая главная деталь – это тень чёрной дыры, которая превышает размер горизонта событий в 2,6 раза.
2. Горизонт событий. Его уже описывали(см. часть 1).
3. Эргосфера (только у вращающихся чёрных дыр). Это такая зона вокруг вращающейся чёрной дыры, где пространство-время «закручивается» вместе с ней. Это область находится снаружи горизонта событий, а значит попав в неё, ещё можно будет выбраться обратно.
4. Фотонная сфера— это область вокруг чёрной дыры, где фотоны (частицы света) могут двигаться по круговым орбитам. Благодаря фотонам, которые удаляются от чёрной дыры, наблюдатель может увидеть в области тени узкое светящееся кольцо, соответствующее фотонной сфере.
5. Самая яркая деталь – аккреционный диск. Это кольцевидное образование вокруг чёрной дыры, он состоит из газа и пыли, которые разогреты до миллионов градусов ввиду того, что под действие гравитации чёрная дыра разгоняет их до околосветовых скоростей, создавая при этом трение между ними. Диск излучает свет в разных диапазонов, включая рентгеновский и радиодиапазон, благодаря чему мы и смогли их увидеть.
Многое, что мы способны разглядеть у чёрной дыры – искривлено из-за её сильной гравитации.
6. Релятивистские лучи (джеты). Это очень мощные потоки плазмы, которые выбрасывает чёрная дыра из своих полюсов (как и нейтронные звёзды, квазары и т. д.). В этих джетах частицы могут двигаться на околосветовой скорости. Они возникают из-за магнитного поля (ускоряет частицы), механизма Блендфорда–Знаека (это основная причина появления джетов, он связан с извлечением энергии из вращающейся чёрной дыры через её магнитное поле). Джеты могут быть очень протяжёнными, например у галактики М87 его длина равна около 5 тысяч световых лет, а у объекта «Порфирион» длина оценивается в 23 млн. световых лет.
Вблизи чёрной дыры можно встретить гравитационное красное смещение(свет от объектов, которые находятся около неё, смещается в красную часть спектра из-за гравитационного поля), спагеттификацию(тоже упомянутую в 1 части), гравитационное линзирование(искривление пространства-времени вокруг чёрной дыры искажает свет от фоновых объектов, создавая дуги, кольца или множество изображений), а также замедление времени.
глава 6. Почему замедление?
Замедление времени на планете около чёрной дыры Гаргантюа в фильме «Интерстеллар», где за один час на планете проходит семь земных лет кажется фантастическим и нереальным, но это – чистая правда.
Начнём издалека.
Возьмём двух братьев-близнецов, один вырастет и станет космонавтом и полетит на МКС, где проведёт неопределённое время(несколько лет), пока его брат живёт на Земле.
Когда близнец-космонавт вернётся на поверхность планеты, он будет на миллисекунду младше того, который всё это время был на поверхности Земли.
Почему он стал младше?
И снова мы возвращаемся к теории относительности. Чем больше сила гравитации, тем сильнее искривление пространства-времени.
Не стоит забывать, что и сама гравитация – это искривленное пространство-время.
Кажется, что искривление над поверхностью земли очень незначительны, однако даже GPS-спутники, летающие на высоте 20 000 километров над поверхностью Земли из-за этого искривления спешат примерно на 40 мкс(микросекунд) в сутки, если не учитывать этот эффект навигация ошибалась бы на километры.
Теперь мы подошли к самой чёрной дыре.
Возьмём космический корабль, который подлетел к чёрной дыре, в окошко которого махал какой-нибудь человек, чем ближе он был к ней, тем мы всё медленнее видели эти махи, а потом и вовсе он и корабль застыли на месте, пока последние фотоны света от него не долетят до ваших глаз.
Так происходит, потому что корабль пересёк горизонт событий и свет, испускаемый им уже не способен покинуть его из-за гравитации.
Однако стоит заметить, что это замедление характерно только для наблюдателя, а для того, кто находится в этом корабле время идёт своим чередом.
Самое главное, почему чёрная дыра замедляет время заключается в том, что чем массивнее объект, тем он сильнее искривляет пространство-время, вспомните например ч.д. TON – 618 массой около 66 млрд масс солнца.
Вот почему вблизи чёрных дыр происходит замедление времени. Чем брльше гравитация, тем сильнее искривлено пространство-время.
глава 7. Смерть.
Если мы сказали, что черная дыра замедляет время, возникнет вопрос, сколько же могут жить эти гиганты?
Основной ответ на этот вопрос дал английский космолог Стивен Хокинг, который доказал, что дыры могут постепенно уменьшать свои размеры, испаряясь.
Сам этот процесс, называемый излучение Хокинга, который довольно сложен в объяснении.
Если просто – это квантовый процесс теплового излучения, спонтанно испускаемого чёрными дырами. Чёрные дыры испаряются, теряя свою массу и энергию.
Стивен Хокинг предложил свою теорию испарения в 1974 году, что привело некоторых учёных в негодование, из-за того, что для них чёрные дыры были идеальными объектами, которые ничего не испускали из себя.
В основе излучения Хокинга лежит процесс рождения и аннигиляции(проще говоря аннигиляция – это процесс столкновения частиц и античастиц, при этом они не уничтожаются полностью, а превращаются в энергию или другие элементарные частицы ) виртуальных пар частиц и античастиц в вакууме. Если виртуальная пара «частица — античастица» образуется в непосредственной близости от горизонта событий чёрной дыры, то одна из частиц может быть поглощена чёрной дырой, уйдя под горизонт. Такая частица уже не может покинуть горизонт событий и, следовательно, не аннигилирует со своим партнёром, оставшимся снаружи. Поэтому вторая частица удаляется от чёрной дыры, став реальной частицей. В силу закона сохранения энергии эта частица унесёт с собой часть энергии чёрной дыры, которую гравитационное поле затратило на разделение пары. Таким образом формируется поток энергии от чёрной дыры, сопровождающийся потерей её массы.
Этот процесс очень долгий, некоторые чёрные дыры будут испаряться больше, чем возраст нынешней вселенной.
Например для тех, что находятся в центре галактик возраст испарения равен около триллиона лет, учтите, что возраст вселенной всего около 13,8 млрд лет.
Гипотетические микроскпические чёрные дыры, массой 1000 тон испарятся всего за 84 секунды. Выделив энергию, сравнимую с энергией взрыва 10 млн атомных бомб.
А дыры звёздной массы испарятся за 10^60 – 10^70 лет.
Вообще излучение Хокинга значительно влияет только на маленькие чёрные дыра, в отличие от массивных и сверхмассивных, где оно почти незаметно.
В итоге чёрная дыра «умирает», выделив при этом колоссальную энергию.
глава 8
Тогда как же эта чёрная дыра повлияла до своей «смерти» на вселенную?
1. В центре почти каждой галактики есть сверхмассивная чёрная дыра, как например в нашей галактике - Стрелец А*. Они помогают «удерживать» звёзды и газ, влияют на орбиты объектов вокруг себя, могут ускорять или замедлять образование новых звёзд.
2. Перерабатываю материю. Они поглощают вещество, которое может мешать образованию звёзд и других космических объектов. Также они перерабатывают материю, возвращая её в космос в новом виде.
3. Участвуют в «круговороте» вещества во вселенной. Они накапливают массу, при слиянии друг с другом образуют гравитационные волны, через миллиарды лет возвращают энергию в космос в виде излучения Хокинга.
Можно сказать, что если бы не Стрелец А*, то мы бы скорее всего как явление не появились, потому что она влияет на процессы, которые также сильно влияют на появление жизни.
Чёрные дыры играют одну из важнейших ролей во вселенной.
Конец.
Подведя итоги, можно сказать, что чёрные дыры это не просто гигантские шары с сильной гравитацией, а одни из самых удивительных объектов во вселенной, которые скрывают столько загадок, которые, к сожалению, наверное нам не суждено разгадать никогда.