С точки зрения науки черные дыры

Сегодня день рождения

Чёрные дыры — области плотного вещества в пространстве, которые имеют настолько сильное притяжение, что никакие объекты, попавшиеся в поле тяготения черной дыры, не могут его покинуть. Черные дыры притягивают к себе даже свет, который проходит мимо. О том, что думает наука о существовании черных дыр и пойдет речь в нашей статье.

Границами черных дыр называются «горизонт событий», а ее величина – «гравитационный радиус».

Черные дыры, как и многие другие физические явления, сперва были открыты лишь в теории. Возможность их существования вытекает из некоторых уравнений Эйнштейна, они сходятся с теорией гравитации (но неизвестно, насколько она верна), которая, опять же теоретически, подтверждает их наличие.

В наше время возможность образования черных дыр подтверждает экспериментально проверенная общая теория относительности (ОТО). Регулярно появляются новые данные, которые анализируют и интерпретируют в рамках вышеназванной теории, которая подтверждает существование некоторых астрономических объектов, частично совпадающих с признаками чёрных дыр с массой 105—1010 масс Солнца. Следовательно, готовить о стопроцентном существовании черных дыр нельзя.

На сегодняшний день существует 2 реалистичных и 2 гипотетических варианта создания черных дыр: катастрофически быстрое сжатие массивной звезды или центра части галактики; и, соответственно, сотворение чёрных дыр как последствия Большого Взрыва и возникновение в ядерных реакциях высоких энергий.

Черные дыры не вечны. На первый взгляд кажется, что эти объекты лишь втягивают в себя все окружающее, но согласно квантовой теории тяготения, чёрная дыра, поглощая, должна непрерывно излучать, теряя при этом свою энергию. Чем больше «энергии-массы» потеряно, тем больше температура и скорость излучения, что в итоге приводит к взрыву. Остается что потом от черной дыры или нет, неизвестно, но ответ на этот вопрос даст квантовая теория гравитации, над которой собираются хорошенько поработать в ближайшие пару десятков лет.

Три теории существования черных дыр

Существует три интересные теории существования черных дыр:

• Черных дыр во Вселенной конечное количество, они находятся в каждой галактике, следовательно, они могут являться способом перемещения в пространстве, своеобразным телепортом – зашел в эту черную дыру, вышел из другой. Причем можно «регулировать» не только место, в которое попадешь, но и время.
• Согласно теории множественности миров Хью Эверетта, количество Вселенных бесконечно. Благодаря этому появилась гипотеза, что черные дыры являются проходом в другую Вселенную. Физические законы во всех Вселенных могут различаться, но лишь проходные пункты – черны дыры – незыблемы, хоть и не вечны.

• Черные дыры поглощают все находящееся в поле тяготения. Если на черную дыру будет падать человек – внутренний наблюдатель, и за ним кто-то будет смотреть – внешний наблюдатель, то в теории может случиться такая ситуация: падающий на черную дыру человек увидит, как время для него замедляется и останавливается на вечность, а «окружающее» время, согласно теории английского математика и физика-теоретика Пенроуза, время развития Вселенной, увеличивается с такой скоростью, что он, внутренний наблюдатель, успевает увидеть и коллапс нашего пространства, и все существующие реальности, и все объекты, которые когда-то попались в черную дыру. С точки зрения внешнего наблюдателя, внутренний подлетит к черной дыре и остановится, словно чего-то ожидая. Вселенная, согласно теории, не допускает существования внутренних и внешних наблюдателей одновременно. Спустя минуту субъективного времени прыгнувшего на черную дыру человека, но спустя миллиарды лет с точки зрения внешнего наблюдателя, падающий с удивлением увидит, как в его дыру начинают попадать его сильно постаревшие «внешние» приятели, а его «родная» чёрная дыра начнет сливаться со всеми другими черными дырами… Следовательно, все внешние наблюдатели одновременно станут внутренними, и вот они уже все вместе летят к Коллапсу Вселенной.

С учетом вышеназванных фактов существования черных дыр, есть и те, кто их опровергает. Профессора физики Лаура Марсини-Хоутон из Северной Каролины утверждает, что черных дыр просто не может быть. Аргументирует она это тем, что прямых доказательств их существования нет, а косвенные могут быть ошибочными. Впрочем, пока это лишь теория.

На данном этапе развития наука не в состоянии ни подтвердить или опровергнуть существование черных дыр. Остается ждать новых наблюдений, их анализа и каких-то последующих ответов на эти вопросы.

Астрофизики и космологи о том, что из показанного в популярном фильме Кристофера Нолана не соответствует истине

После премьеры фильма «Интерстеллар», который до попадания на большие экраны активно продвигался своим достоверным изображением различных космических явлений, многие СМИ опубликовали тщательные разборы показанного в картине, пригласив настоящих учёных в качестве консультантов.

TJournal публикует подборку цитат астрофизиков и космологов о том, что из показанного в фильме не соответствует действительности, а также реакцию самого режиссёра Кристофера Нолана на подобную критику.

Миф №1: «Бесплатная» кротовая нора

Необходим объект огромной массы, чтобы создать гравитационное поле, достаточное для того, чтобы согнуть пространство и время пополам, и показанный в фильме вариант эквивалентен сотне миллионов наших Солнц. В зависимости от расположения тела такой массы во вселенной оно может создать серьёзный беспорядок в окружающем пространстве, но в фильме этого не происходит. Ричард Готт, космолог

Миф №2: Радиопередача изнутри чёрной дыры

Общепринятое представление о чёрной дыре заключается в том, что гравитационное сжатие в ней является настолько сильным, что из неё не может выбраться даже свет — именно так она получила своё название. Но даже в физике есть лазейки, одна из которых называется излучением Хокинга, обнаруженным понятно кем. Когда частица попадает в чёрную дыру, она создаёт ещё одну форму отрицательной энергии. Но природа ненавидит, когда у неё в бумагах непорядок — минус без ответного плюса всё равно что дебет без кредита. Поэтому чёрная дыра испускает частицу, чтобы сохранить баланс. Огромное число этих частиц создаёт исходящие потоки энергии, которая в теории может нести в себе закодированную информацию для связи. Это не то же самое, что связаться с Хьюстоном по радио из чёрной дыры, но это хотя бы шаг в верном направлении. Из материала Time

Миф №3: В чёрную дыру и обратно

Как отмечает Time, учёные соревнуются в выборе наилучшего термина, который мог бы описать, что произойдёт с человеком, прошедшим через так называемый горизонт событий чёрной дыры. Космолог и автор нескольких бестселлеров Брайан Грин считает, что человеческое тело будет «спагеттифицировано» — растянуто на ультра-тонкие нити протоплазмы.

Большинство людей согласится, что человек, который попал в чёрную дыру, обречён. Но если вы попадёте в достаточно большую чёрную дыру, вы будете спагеттифицированы не сразу. Брайан Грин, космолог

Миф №4: Люди-исследователи

Больше всего с точки зрения науки мне хочется поворчать о том, что происходит, когда экипаж прибывает в другую галактику. Они посещают планеты самостоятельно, даже если не имеют достаточного количества топлива, чтобы приземлиться на каждой из них. Это создаёт интересные дискуссии между членами экипажа о том, какие планеты посетить и в каком порядке. Время имеет существенное значение, потому что некоторые из этих небесных тел находятся глубоко в гравитационном колодце чёрной дыры (что с точки зрения науки нелепо). Более медленное относительное течение времени означает, что во время посещения этих планет экипаж будет стареть куда медленнее, чем люди на Земле. Это рождает моральные дилеммы, ведь речь идёт о спасении человечества. В реальности будущие астронавты просто развернули бы телескопы для изучения планет издалека. Используя спектральный анализ, они могли бы более быстро и эффективно определить, какие миры окажутся наиболее перспективными для расселения людей. Роберт Найи, редактор Sky & Telescope

Миф №5: Пригодные для жизни планеты рядом с чёрной дырой

В действительности настолько близкие к этим «зверям» путешествия были бы смертельными. В фильме [рядом с чёрной дырой] показан светящийся аккреционный диск газа, хотя рядом нет очевидных источников для аккреции вещества (процесс падения частиц на космическое тело — TJournal). В любом случае мощные рентгеновские лучи от диска буквально поджарили бы экипаж корабля и людей на близлежащих планетах. Роберт Найи, редактор Sky & Telescope

Миф №6: Ответы внутри чёрной дыры

В фильме неплохое изображение математики: например показанные уравнения из общей теории относительности вполне пригодны для удовлетворения научного гика. Впоследствии авторы предполагают, что уравнения не работают из-за того, что учёные не понимают, как гравитация и квантовая механика взаимодействуют между собой, и это тоже весьма правдоподобно. Но в фильме этот вопрос решают, посылая робота в чёрную дыру за «квантовыми данными», что на самом деле не имеет никакого смысла. Это звучит так, словно они придумали сюжетный ход, никак не подкреплённый физикой. Роберто Тротта, астрофизик

Нолан о критике

К моим фильмам всегда применяются особо высокие требования в тех вопросах, которые прощаются другим картинам, и я не против этого. Научная часть фильма готова выдержать оборону, у Кипа (Торна — физика-консультанта, работавшего над сценарием и спецэффектами, TJournal) есть книга о том, что в фильме настоящее, а что является спекуляцией, просто потому, что большая часть из этого, конечно же, спекуляция. [. ] Там была куча бездумных твитов от людей, которые видели фильм всего один раз, но так и не поняли его научную часть. Вам понадобится побыть с ним немного дольше и, вероятно, почитать книгу Кипа. Я знаю, где мы смухлевали так, как принято мухлевать в кино, и я сообщил ему [Кипу] об этом. Кристофер Нолан, режиссёр

Черные дыры. Факты и теория

Существует три типа черных дыр: обычные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры

Черные дыры — одни из самых странных и увлекательных объектов во Вселенной. Они являются объектами с чрезвычайно высокой плотностью. И обладают таким сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может убежать от их чудовищных объятий.

Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование черных дыр в 1916 году в своей общей теорией относительности. Термин «черная дыра» был придуман в 1967 году американским астрономом Джоном Уилером. Впервые был использован в 1971 году.

Существует три типа черных дыр: обычные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.

Обычные черные дыры — небольшие, но смертельные

Когда звезда сжигает свое последнее топливо, она сильно уменьшается в размерах. Небольшие звезды, имеющие массы примерно в три раза больше массы Солнца, превращаются в нейтронные звезды или белые карлики. Но когда коллапсирует звезда побольше, она продолжает сжиматься и создает обычную черную дыру.

Черные дыры, образованные коллапсом отдельных звезд относительно невелики, но имеют невероятную плотность. Такой объект содержит три массы Солнца в области размером с небольшой город. Такая плотность материи приводит к возникновению колоссального гравитационного поля. Черные дыры поглощают пыль и газ из пространства вокруг себя. И поэтому растут в размерах.

Согласно данным исследования Гарвардско-Смитсоновского Центра астрофизики, наша галактика Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов черных дыр.

Супермассивные черные дыры — рождение гигантов

Маленьких черных дыр достаточно много во Вселенной, однако доминируют в пространстве дыры побольше. Супермассивные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее, чем Солнце. Но имеют радиус, близкий к радиусу ближайшей звезды к Земле. Считается, что такие черные дыры лежат в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.

Ученые пока до конца не определились, как именно возникают такие крупные черные дыры. Как только они рождаются, они, возможно, начинают собирать свою массу из пыли и газа вокруг себя. То есть того материала, который изобилует в центре галактик. И это позволяет им вырастать до огромных размеров.

Супермассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч небольших черных дыр. Большие газовые облака также могут быть вовлечены в этот процесс. Они позволяют черным дырам быстро наращивать массу. Третий вариант — крах звездного кластера, когда группа звезд коллапсирует одновременно.

Промежуточные черные дыры — застрявшие посередине

Ученые когда-то считали, что черные дыры имеют только малые и большие размеры. Но недавние исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (IMBH). Такие тела могут образовываться, когда звезды в кластере сталкиваются по цепной реакции. Некоторые из этих звезд, образовавшихся в одной и той же области пространства, в конечном итоге могут коллапсировать вместе в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили объект, оказавшийся черной дырой промежуточной массы. Он находится в рукаве спиральной галактики.

Теория черных дыр — как они работают

Черные дыры невероятно массивны, но занимают только небольшую область пространства. Между массой и гравитацией существует прямая связь. Это означает, что они обладают чрезвычайно сильным гравитационным полем. Практически ничто не может уйти от них. В классической физике даже свет попадая в черную дыру, не может покинуть ее.

Такое сильное притяжение создает проблему наблюдения, когда дело доходит до черных дыр. Ученые просто не могут «видеть» их так, как они могут видеть звезды и другие объекты в космосе. Для обнаружения этих объектов ученые полагаются на излучение, которое испускается, когда пыль и газ поглощается черной дырой. Супермассивные черные дыры, лежащие в центре галактики, могут оказаться окутаны пылью и газом, находящимися вокруг них. Это может блокировать наблюдение контрольных выбросов.

Иногда, когда материя двигается к черной дыре, она рикошетом покидает горизонт событий и вылетает наружу, а не втягивается внутрь. Создаются яркие струи материала, движущегося с практически релятивистскими скоростями. Хотя сама черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно увидеть с больших расстояний.

Горизонт событий

Черные дыры имеют три «слоя» — внешний, горизонт событий и сингулярность.

Горизонт событий черной дыры — это то место, где свет теряет способность к «бегству». Когда частица пересекает горизонт событий, она уже не может покинуть черную дыру. На горизонте событий гравитация постоянна.

Внутренняя область черной дыры, где содержится ее масса, известная как сингулярность. Это единственная точка в пространстве — времени, где сосредоточена масса черной дыры.

По представлениям классической механики и физики ничто не может выйти из черной дыры. Однако, когда к уравнению добавляется квантовая механика, все немного меняется. В квантовой механике для каждой частицы имеется античастица. Это частица с одинаковой массой и противоположным электрическим зарядом. Когда они встречаются, пара частица -античастица может аннигилировать.

Если пара частица-античастица создается вне досягаемости горизонта событий черной дыры, одна может упасть в черную дыру, а другая быть вытолкнута. В результате масса черной дыры уменьшается. Этот процесс называется излучением Хокинга. И черная дыра может начать распадаться, что отвергается классической механикой.

Ученые все еще работают над тем, чтобы создать уравнения, с помощью которых можно было понять, как функционируют черные дыры.

Сияющий свет двойных черных дыр

В 2015 году астрономы, использующие гравитационно-волновую обсерваторию лазерного интерферометра (LIGO), впервые обнаружили гравитационные волны. С тех пор с помощью этого инструмента наблюдалось несколько других подобных инцидентов. Гравитационные волны, замеченные LIGO, возникли от слияния небольших черных дыр.

Наблюдения LIGO также дают представление о направлении вращения черной дыры. Когда пара черных дыр вращаются по спирали вокруг друг друга, они могут вращаться в одном направлении или направления могут быть совершенно разными.

Существует две теории о том, как образуются бинарные черные дыры. Первый предполагает, что они образовались примерно в одно и то же время, от двух звезд. Они могли родиться вместе и погибнуть примерно одновременно. Звезды-компаньоны имели бы похожее направление вращения. Поэтому черные дыры, которые они оставили, тоже вращались бы подобным образом.

По второй модели черные дыры в звездном кластере опускаются в центр кластера и соединяются. У этих компаньонов были бы случайные ориентации спина по сравнению друг с другом. Наблюдения, черных дыр с различной ориентацией спина, произведенные с помощью LIGO, дают более убедительные доказательства этой теории образования.

Интересные факты о черных дырах

Ваша смерть наступит прежде, чем вы достигнете сингулярности. Исследование 2012 года предполагает, что квантовые эффекты приведут к тому, что горизонт событий будет действовать как стена огня, мгновенно сжигая вас до смерти.
Черные дыры не «засасывают». Всасывание вызвано выталкиванием чего-то в вакуум, которым массивная черная дыра определенно не является. Вместо этого объекты просто попадают в них.

Первым объектом, считающимся обнаруженной черной дырой, является Cygnus X-1. С В 1971 году ученые обнаружили радиоизлучение, исходящие от Cygnus X-1. Был обнаружен массивный скрытый объект, который был идентифицирован как черная дыра.

Cygnus X-1 был предметом товарищеского спора 1974 года между Стивеном Хокингом и физиком — теоретиком Кипом Торном. Он утверждал, что этот источник был черной дырой. В 1990 году Хокинг свое признал поражение.

Миниатюрные черные дыры могли образоваться сразу после Большого взрыва. Быстро расширяющееся пространство, возможно, сжало некоторые свои области в крошечные плотные черные дыры. Они были менее массивны, чем Солнце.

Если звезда проходит слишком близко к черной дыре, она сможет быть поглощена ей. По оценкам астрономов, в Млечном Пути от 10 миллионов до миллиарда черных дыр с массами, примерно в три раза превышающими массу Солнца.

Теория струн предполагает больше типов массивных гигантских черных дыр, чем обычная классическая механика.
Черные дыры остаются потрясающим материалом для научно-фантастических книг и фильмов. Фильм Интерстеллар в значительной степени полагался на теоретического физика Кипа Торна. Это позволило привнести настоящую науку в продукт Голливуда. Фактически, работа со спецэффектами для блокбастера привела к улучшению научного понимания того, как могут выглядеть далекие миры, когда они расположены вблизи быстро вращающейся черной дыры.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Черные дыры во Вселенной

КАК ОНИ ВОЗНИКАЮТ

Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом, возможно, что самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своей величины остаются невидимыми.
Пьер Симон Лаплас.
Изложение системы мира. 1796 год.

В 1783 году английский математик Джон Митчел, а спустя тринадцать лет независимо от него французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас провели очень странное исследование. Они рассмотрели условия, при которых свет не сможет покинуть звезду.

Логика ученых была проста. Для любого астрономического объекта (планеты или звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, или вторую космическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда его покинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновская теория, согласно которой свет — это поток частиц (до теории электромагнитных волн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убегания частиц можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, «убежавшего» на бескончно большое расстояние. Эта скорость определяется формулой #1#

где M — масса космического объекта, R — его радиус, G — гравитационная постоянная.

Отсюда легко получается радиус тела заданной массы (позднее получивший название «гравитационный радиус r_g » ), при котором скорость убегания равна скорости света:

Это значит, что звезда, сжатая в сферу радиусом r_g 2 , перестанет излучать — свет покинуть ее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.

Несложно рассчитать, что Солнце (его масса 2 . 10 33 г) превратится в черную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра. Плотность его вещества при этом достигнет 10 16 г/см 3 . Радиус Земли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одного сантиметра.

Казалось невероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать звезду до столь ничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчела и Лапласа более ста лет считались чем-то вроде математического парадокса, не имеющего физического смысла.

Строгое математическое доказательство того, что подобный экзотический объект в космосе возможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварц-шильд, проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получил интересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл ( его решение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = r_g.

Точки, в которых характеристики поля теряют смысл, называются сингулярными, то есть особыми. Сингулярность в нулевой точке отражает точечную, или, что то же самое, центрально-симметричную структуру поля (ведь любое сферическое тело — звезду или планету — можно представить как материальную точку). А точки, расположенные на сферической поверхности радиусом r_g, образуют ту самую поверхность, с которой скорость убегания равна скорости света. В общей теории относительности она именуется сингулярной сферой Шварц-шильда или горизонтом событий (почему — станет ясно в дальнейшем).

Уже на примере знакомых нам объектов — Земли и Солнца — ясно, что черные дыры представляют собой весьма странные объекты. Даже астрономы, имеющие дело с веществом при экстремальных значениях температуры, плотности и давления, считают их весьма экзотическими, и до последнего времени далеко не все верили в их существование. Однако первые указания на возможность образования черных дыр содержались уже в общей теории относительнос-ти А. Эйнштейна, созданной в 1915 году. Английский астроном Артур Эддингтон, один из первых интерпретаторов и популяризаторов теории относительности, в 30-х годах вывел систему уравнений, описывающих внутреннее строение звезд. Из них следует, что звезда находится в равновесии под действием противополож но направленных сил тяготения и внутреннего давления, создаваемого движением частиц горячей плазмы внутри светила и напором излучения, образующегося в его недрах. А это означает, что звезда представляет собой газовый шар, в центре которого высокая температура, постепенно понижающаяся к периферии. Из уравнений, в частности, следовало, что температура поверхности Солнца составляет около 5500 градусов (что вполне соответствовало данным астрономических измерений), а в его центре должна быть порядка 10 миллионов градусов. Это позволило Эддингтону сделать пророческий вывод: при такой температуре «зажигается» термоядерная реакция, достаточная для обеспечения свечения Солнца. Физики-атомщики того времени с этим не соглашались. Им казалось, что в недрах звезды слишком «холодно»: температура там недостаточна, чтобы реакция «пошла». На это взбешенный теоретик отвечал: «Поищите местечко погорячее!».

И в конечном итоге он оказался прав: в центре звезды действительно идет термоядер ная реакция (другое дело, что так называемая «стандартная солнечная модель», основанная на представлениях о термоядерном синтезе, по-видимому, оказалась неверной — см., например, «Наука и жизнь» №№ 2, 3, 2000 г.). Но тем не менее реакция в центре звезды проходит, звезда светит, а излучение, которое при этом возникает, удерживает ее в стабильном состоянии. Но вот ядерное «горючее» в звезде выгорает. Выделение энергии прекращается, излучение гаснет, и сила, сдерживающая гравитационное притяжение, исчезает. Существует ограничение на массу звезды, после которого звезда начинает необратимо сжиматься. Расчеты показывают, что это происходит, если масса звезды превышает две-три массы Солнца.

Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его темп непрерывно возрастает, поскольку сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Сжатие становится необратимым, сил, способных противодействовать самогравитации, нет. Такой процесс называется гравитационным коллапсом. Скорость движения оболочки звезды к ее центру увеличивается, приближаясь к скорости света. И здесь начинают играть роль эффекты теории относительности.

Скорость убегания была рассчитана исходя из ньютоновсих представлений о природе света. С точки зрения общей теории относительности явления в окрестностях коллапсирующей звезды происходят несколько по-другому. В ее мощном поле тяготения возникает так называемое гравитационное красное смещение. Это означает, что частота излучения, исходящего от массивного объекта, смещается в сторону низких частот. В пределе, на границе сферы Шварцшильда, частота излучения становится равной нулю. То есть наблюдатель, находящийся за ее пределами, ничего не сможет узнать о том, что происходит внутри. Именно поэтому сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий.

Но уменьшение частоты равнозначно замедлению времени, и, когда частота становится равна нулю, время останавливается. Это означает, что посторонний наблюдатель увидит очень странную картину: оболочка звезды, падающая с нарастающим ускорением, вместо того, чтобы достигнуть скорости света, останавливается. С его точки зрения, сжатие прекратится, как только размеры звезды приблизятся к гравитационному ради
усу. Он никогда не увидит, чтобы хоть одна частица «нырнула» под сферу Шварцшиль да. Но для гипотетического наблюдателя, падающего на черную дыру, все закончится в считанные мгновения по его часам. Так, время гравитационного коллапса звезды размером с Солнце составит 29 минут, а гораздо более плотной и компактной нейтронной звезды — только 1/20 000 секунды. И здесь его подстерегает неприятность, связанная с геометрией пространства-времени вблизи черной дыры.

Наблюдатель попадает в искривленное пространство. Вблизи гравитационного радиуса силы тяготения становятся бесконечно большими; они растягивают ракету с космонавтом-наблюдателем в бесконечно тонкую нить бесконечной длины. Но сам он этого не заметит: все его деформации будут соответствовать искажениям пространственно-временн ых координат. Эти рассуждения, конечно, относятся к идеальному, гипотетическому случаю. Любое реальное тело будет разорвано приливными силами задолго до подхода к сфере Шварцшильда .

РАЗМЕРЫ ЧЕРНЫХ ДЫР

Размер черной дыры, а точнее — радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и черная дыра может быть сколь угодно велика. Если она, например, возникла при коллапсе звезды массой 10 8 масс Солнца (или за счет слияния сотен тысяч, а то и миллионов сравнительно небольших звезд), ее радиус будет около 300 миллионов километров, вдвое больше земной орбиты. А средняя плотность вещества такого гиганта близка к плотности воды.

По-видимому, именно такие черные дыры находятся в центрах галактик. Во всяком случае, астрономы сегодня насчитывают около пятидесяти галактик, в центре которых, судя по косвенным признакам (речь о них пойдет ниже), имеются черные дыры массой порядка миллиарда (10 9 ) солнечной. В нашей Галактике тоже, видимо, есть своя черная дыра; ее массу удалось оценить довольно точно — 2,4 . 10 6 ±10% массы Солнца.

Теория предполагает, что наряду с такими сверхгигантами должны были возникать и черные мини-дыры массой порядка 10 14 г и радиусом порядка 10 -12 см (размер атомного ядра). Они могли появляться в первые мгновения существования Вселенной как проявление очень сильной неоднородности пространства-времени при колоссальной плотности энергии. Условия, которые были тогда во Вселенной, исследователи сегодня реализуют на мощных коллайдерах (ускорителях на встречных пучках). Эксперименты в ЦЕРНе, проведенные в начале этого года, позволили получить кварк-глюонную плазму — материю, существовавшую до возникновения элементарных частиц. Исследования этого состояния вещества продолжаются в Брукхевене — американском ускорительном центре. Он способен разогнать частицы до энергий, на полтора-два порядка более высоких, чем ускоритель в
ЦЕРНе. Готовящийся эксперимент вызвал нешуточную тревогу: не возникнет ли при его проведении черная мини-дыра, которая искривит наше пространство и погубит Землю?

Это опасение вызвало столь сильный резонанс, что правительство США было вынуждено созвать авторитетную комиссию для проверки такой возможности. Комиссия, состоявшая из видных исследователей, дала заключение: энергия ускорителя слишком мала, чтобы черная дыра могла возникнуть (об этом эксперименте рассказано в журнале «Наука и жизнь» № 3, 2000 г.).

КАК УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ

Черные дыры ничего не излучают, даже свет. Однако астрономы научились видеть их, вернее — находить «кандидатов» на эту роль. Есть три способа обнаружить черную дыру.

1. Нужно проследить за обращением звезд в скоплениях вокруг некоего центра гравитации. Если окажется, что в этом центре ничего нет, и звезды крутятся как бы вокруг пустого места, можно достаточно уверенно сказать: в этой «пустоте» находится черная дыра. Именно по этому признаку предположили наличие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу.

2. Черная дыра активно всасывает в себя материю из окружающего пространства. Межзвездная пыль, газ, вещество ближайших звезд падают на нее по спирали, образуя так называемый аккреционный диск, подобный кольцу Сатурна. (Именно это и пугало в брукхевенском эксперименте: черная мини-дыра, возникшая в ускорителе, начнет всасывать в себя Землю, причем процесс этот никакими силами остановить было бы нельзя.) Приближаясь к сфере Шварцшильда, частицы испытывают ускорение и начинают излучать в рентгеновском диапазоне. Это излучение имеет характерный спектр, подобный хорошо изученному излучению частиц, ускоренных в синхротроне. И если из какой-то области Вселенной приходит такое излучение, можно с уверенностью сказать — там должна быть черная дыра.

3. При слиянии двух черных дыр возникает гравитационное излучение. Подсчитано, что если масса каждой составляет около десяти масс Солнца, то при их слиянии за считанные часы в виде гравитационных волн выделится энергия, эквивалентная 1% их суммарной массы. Это в тысячу раз больше той световой, тепловой и прочей энергии, которую излучило Солнце за все время своего существования — пять миллиардов лет. Обнаружить гравитаци онное излучение надеются с помощью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и других, которые строятся сейчас в Америке и Европе при участии российских исследователей (см. «Наука и жизнь» № 5, 2000 г.).

И все-таки, хотя у астрономов нет никаких сомнений в существовании черных дыр, категорически утверждать, что в данной точке пространства находится именно одна из них, никто не берется. Научная этика, добросовестность исследователя требуют получить на поставленный вопрос ответ однозначный, не терпящий разночтений. Мало оценить массу невидимого объекта, нужно измерить его радиус и показать, что он не превышает шварцшильдовский. А даже в пределах нашей Галактики эта задача пока не разрешима. Именно поэтому ученые проявляют известную сдержанность в сообщениях об их обнаружении, а научные журналы буквально набиты сообщениями о тео-ретических работах и наблюдениях эффектов, способных пролить свет на их загадку.

Есть, правда, у черных дыр и еще одно свойство, предсказанное теоретически, которое, возможно, позволило бы увидеть их. Но, правда, при одном условии: масса черной дыры должна быть гораздо меньше массы Солнца.

ЧЕРНАЯ ДЫРА МОЖЕТ БЫТЬ И «БЕЛОЙ»

Долгое время черные дыры считались воплощением тьмы, объектами, которые в вакууме, в отсутствии поглощения материи, ничего не излучают. Однако в 1974 году известный английский теоретик Стивен Хокинг показал, что черным дырам можно приписать температуру, и, следовательно, они должны излучать.

Согласно представлениям квантовой механики, вакуум — не пустота, а некая «пена пространства-времени», мешанина из виртуалных (ненаблюдаемых в нашем мире) частиц. Однако квантовые флуктуации энергии способны «выбросить» из вакуума пару частица-античастица. Например, при столкновении двух-трех гамма-квантов как бы из ничего возникнут электрон и позитрон. Это и аналогичные явления неоднократно наблюдались в лабораториях.

Именно квантовые флуктуации определяют процессы излучения черных дыр. Если пара частиц, обладающих энергиями E и -E (полная энергия пары равна нулю), возникает в окрестности сферы Шварцшильда, дальнейшая судьба частиц будет различной. Они могут аннигилировать почти сразу же или вместе уйти под горизонт событий. При этом состояние черной дыры не изменится. Но если под горизонт уйдет только одна частица, наблюдатель зарегистрирует другую, и ему будет казаться, что ее породила черная дыра. При этом черная дыра, поглотившая частицу с энергией -E, уменьшит свою энергию, а с энергией E — увеличит.

Хокинг подсчитал скорости, с которыми идут все эти процессы, и пршел к выводу: вероятность поглощения частиц с отрицательной энергией выше. Это значит, что черная дыра теряет энергию и массу — испаряется. Кроме того она излучает как абсолютно черное тело с температурой T = 6 . 10 -8 M_с/M кельвинов, где M_с — масса Солнца (2 . 10 33 г), M — масса черной дыры. Эта несложная зависимость показывает, что температура черной дыры с массой, в шесть раз превышающей солнечную, равна одной стомиллионной доле градуса. Ясно, что столь холодное тело практически ничего не излучает, и все приведенные выше рассуждения остаются в силе. Иное дело — мини-дыры. Легко увидеть, что при массе 10 14 -10 30 граммов они оказываются нагретыми до десятков тысяч градусов и раскалены добела! Следует, однако, сразу отметить, что противоречий со свойствами черных дыр здесь нет: это излучение испускается слоем над сферой Шварцшильда, а не под ней.

Итак, черная дыра, которая казалась навеки застывшим объектом, рано или поздно исчезает, испарившись. Причем по мере того, как она «худеет», темп испарения нарастает, но все равно идет чрезвычайно долго. Подсчитано, что мини-дыры массой 10 14 граммов, возникшие сразу после Большого взрыва 10-15 миллиардов лет назад, к нашему времени должны испариться полностью. На последнем этапе жизни их температура достигает колоссальной величины, поэтому продуктами испарения должны быть частицы чрезвычайно высокой энергии. Возможно, именно они порождают в атмосфере Земли широкие амосферные ливни — ШАЛы. Во всяком случае, происхождение частиц аномально высокой энергии — еще одна важная и интересная проблема, которая может быть вплотную связана с не менее захватывающими вопросами физики черных дыр.

Увидеть черную дыру и не умереть

Что мы знаем о черных дырах

Черная дыра — это область пространства, которая обладает таким притяжением, что даже свет не может ее покинуть. Идея существования таких объектов появилась еще в конце XVIII века, когда английский естествоиспытатель Джон Митчелл предположил, что если размеры звезды будут очень маленькими, а масса — очень большой, то она не будет светить, потому что ее притяжение просто не даст свету вырваться (Митчелл представлял себе свет состоящим из частиц).

В современной науке существование черных дыр предсказывает теория относительности. Гравитацию в соответствии с этой теорией наглядно объясняют так: представим себе ткань, а лучше лист резины, на который кладут камни. Камни продавливают его сильнее или слабее в зависимости от своего веса, а более легкие катятся туда, где более тяжелые продавили яму поглубже. Поэтому планеты «притягивают» спутники, Солнце «притягивает» планеты и так далее.

Остерегайтесь черных дыр и водопадов

Используя эту метафору, Стивен Хокинг объясняет черные дыры так: представим, что мы кладем на резину очень тяжелый и компактный камень, он продавливает в ней бездонную яму, в которую вещество падает безвозвратно.

Граница черной дыры называется горизонтом событий, за этим горизонтом скорость, с которой нужно двигаться, чтобы вырваться из черной дыры, должна превышать скорость света — задача невозможная. Представить это себе можно как падение на лодке в водопад: чем ближе к водопаду, тем сильнее нужно грести, чтобы не затянуло, но с какого-то момента как ни старайся — вырваться уже не получится, вы падаете, но в случае черной дыры на дне вас ждут не острые камни, а загадочная сингулярность.

В области сингулярности плотность материи становится бесконечной. Говорят, может даже образоваться туннель в другую Вселенную. Но это все слухи, а что там на самом деле происходит — никто не знает.

Все это звучит странно и загадочно, но в том, что черные дыры существуют, астрофизики не сомневаются: например, долгожданное открытие гравитационных волн, порожденных столкновением двух черных дыр, — весомое подтверждение их существования.

Откуда берутся черные дыры

Черные дыры звездных масс образуются из звезд массой в 3−5 раз больше солнечной (поэтому наше Солнце черной дырой не станет, оно превратиться в белого карлика через миллиарды лет). «Топливо» для термоядерных реакций в звездах не бесконечно, и, когда оно заканчивается, звезда «схлопывается» и вспыхивает сверхновой.

А вот откуда берутся сверхмассивные черные дыры, неизвестно. На этот счет есть только предположения, такие как схлопывание массивных облаков газа на ранних стадиях образования галактик, разрастание черных дыр звездной массы за счет поглощения материи или слияния множества таких дыр в одну сверхмассивную. Недостатка в предположениях нет, а вот с наблюдениями дело обстоит сложнее.

Как увидеть черную дыру

Увидеть саму черную дыру нельзя, на что намекает ее название, а вот падающее в нее вещество — можно. В центрах многих галактик находятся черные дыры массой в миллионы больше солнечной. Они притягивают пыль, газ и звезды. Из этого вещества вокруг черной дыры образуется аккреционный диск. В нем материя закручивается, как в воронке, перед тем как упасть в черную дыру, и из-за трения разогревается, благодаря чему начинает ярко светиться во всем спектре. При падении же материи в черную дыру давление излучения и влияние магнитного поля у границы черный дыры отбрасывают часть вещества далеко от нее.

Сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики называется Стрелец A*. Словосочетание «наша Галактика» звучит как-то по-домашнему, будто до центра ее рукой подать, но на самом деле черная дыра находится от нас в 25 тысячах световых лет, масса ее — в 4 миллиона раз больше солнечной.

Разглядеть ее на таком расстоянии очень сложно — все равно что пытаться увидеть теннисный мячик на Луне, и необходимая для этого острота «зрения» доступна лишь радиотелескопам благодаря приему радиоинтерфереометрии, который позволяет объединить телескопы в разных уголках земного шара в один огромный виртуальный телескоп. Так, проект Event Horizon Telescope объединит наблюдения телескопов в США, Испании, Мексике, Чили и даже в Антарктиде.

Второй объект для наблюдения — черная дыра в центре галактики M 87 Она примерно в 6 миллионов раз массивнее Солнца, но и находится существенно дальше — в 53 миллионах световых лет от нас.

На что похожа черная дыра

Результаты наблюдений будут опубликованы только в следующем году, а пока, чтобы примерно представить себе, что могут увидеть телескопы, можно полюбоваться на черную дыру в фильме «Интерстеллар», создатели которого постарались сделать картину как можно более правильной с научной точки зрения.

Правильность этой картинки в том, что аккреционный диск за черной дырой выглядит не как кольца у Сатурна, а выглядывает из-за черной дыры, потому что ее сильное гравитационное поле искажает путь, который проходит излучение аккреционного диска. Впрочем, есть и отличие от «Интерстеллара»: с одной стороны аккреционный диск из-за его вращения должен выглядеть ярче.

В результате изображение должно получиться похожим на картинку, которую астрофизик Жан-Пьер Люмине (Jean-Pierre Luminet) смоделировал в 1978-м еще на компьютере IBM 7040, работавшем на перфокартах, и нарисовал от руки для статьи в журнале Astronomy and Astrophysics.

Рисунок Люмине. Источник: Luminet, J.-P. Image of a spherical black hole with thin accretion disk

Что такое черная дыра?

Черные дыры всегда были одним из интереснейших объектов наблюдений ученых. Являясь самыми большими объектами, находящимися во Вселенной, они в то же время недосягаемы и недоступными человечеству в полной мере. Пройдет еще немало времени, пока мы узнаем о тех процессах, которые происходят близ «точки невозврата». Что такое черная дыра с точки зрения науки?

Давайте поговорим о тех фактах, которые все же стали известны исследователям в результате продолжительных работ..

1. Черные дыры на самом деле не черные

Так как черные дыры излучают электромагнитные волны, то они могут быть выглядеть не черными, а даже наоборот вполне разноцветными. И выглядит это весьма впечатляюще.

2. Черные дыры не втягивают материю

Среди простых смертных сложился стереотип, что черная дыра — огромный пылесос, который тянет в себя окружающее пространство. Не будем чайниками и попробуем разобраться, что же это на самом деле.

В целом, (не вдаваясь в сложности квантовой физики и астрономических исследований) черную дыру можно представить как космический объект, у которого сильно завышено гравитационное поле. К примеру, если бы на месте Солнца была черная дыра такого же размера, то … ничего бы не произошло, и наша планета продолжила бы вращаться по той же орбите. «Поглощают» черные дыры только части материи звезд в виде звездного ветра, присущего любой звезде.

3. Черные дыры могут порождать новые вселенные

Конечно же, этот факт звучит как нечто из ряда фантастики, тем более, что нет доказательств существования других вселенных. Тем не менее, учеными довольно плотно изучаются подобные теории.

Если говорить простым языком, то если бы хоть одна физическая константа в нашем мире изменилась на небольшую величину, мы бы потеряли возможность существования. Сингулярность черных дыр отменяет привычные законы физики и может (по крайней мере, в теории) породить новую вселенную, отличающуюся по тем или иным параметрам от нашей.

4. Черные дыры испаряются со временем

Как было сказано ранее черные дыры поглощают звездный ветер. Помимо этого они медленно, но верно испаряются, то есть отдают свою массу в окружающее пространство, а затем и исчезают совсем. Это явление было открыто в 1974 году и названо излучением Хокинга, в честь Стивена Хокинга, который и сделал это открытие миру.

5. Ответ на вопрос «что такое черная дыра» был предсказан Карлом Шварцшильдом

Как известно, автор теории относительности, связанной с теорией струн – Альберт Эйнштейн. Но ученый не уделял должного внимания изучению небесных тел, хотя его теория могла и более того предсказала существование черных дыр. Таким образом, Карл Шварцшильд стал первым ученым, применившим общую теорию относительности для обоснования существования «точки невозврата».

Интересен тот факт, что это случилось 1915 году, сразу же после того, как Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности. Именно тогда возник термин «радиус Шварцшильда» — грубо говоря, это величина силы, с которой необходимо сжать объект, чтобы он превратился в черную дыру. Однако, это задачка не из легких. Давайте разберемся почему.

Дело в том, что в теории черной дырой может стать любое тело, но при воздействии на него определенной степени сжатия. К примеру, плод арахиса мог бы стать черной дырой, если бы обладал массой планеты Земля…

Интересный факт: Черные дыры — единственные в своем роде космические тела, имеющие способность притягивать силой гравитации свет.

6. Черные дыры искривляют пространство рядом с собой

Представим все пространство вселенной в виде виниловой пластинки. Если на нее положить раскаленный предмет, она изменит свою форму. То же самое происходит и с черными дырами. Их предельная масса притягивает к себе все, в том числе и лучи света, за счет чего пространство вокруг них искривляется.

7. Черные дыры ограничивают количество звезд во Вселенной

значит — это кому-нибудь нужно?

Обычно полностью сформировавшиеся звезды представляют собой облако остывших газов. Излучение черных дыр не дает газовым облакам остывать, а следовательно, предотвращает появление звезд.

8. Черные дыры являются самыми совершенными энергетическими установками

Черные дыры производят больше энергии, чем Солнце и другие звезды. Причиной тому материя, находящаяся вокруг нее. Когда материя преодолевает горизонт событий на большой скорости, она разогревается на орбите черной дыры до предельно высокой температуры. Это явление называют излучением абсолютно черного тела.

Интересный факт: В процессе ядерного синтеза энергией становятся 0,7% материи. Вблизи черной дыры в энергию превращается 10% материи!

9. Что будет если попасть в черную дыру?

Черные дыры «растягивают» тела, находящиеся рядом с ними. Вследствие этого процесса предметы начинают напоминать спагетти (существует даже специальный термин — «спагеттификация» =).

Хоть этот факт и может показаться шуточным, ему есть свое объяснение. Это происходит благодаря физическим принцип силы притяжения. Возьмем как пример тело человека. Находясь на земле, наши ноги находятся к центру Земли ближе, чем голова, поэтому они притягиваются сильнее. На поверхности черной дыры ноги притягиваются к центру черной дыры намного быстрее, и поэтому верхняя часть туловища попросту не успевает за ними. Итог: спагеттификация!

10. Теоретически, любой объект может стать черной дырой

..и даже Солнце. Единственное, что не позволяет солнцу превратиться в абсолютно черное тело — сила гравитации. В центре черной дыры она в разы сильнее, чем в центре Солнца. В данном случае, если бы наше светило было сжато до четырех километров в диаметре, то вполне могла бы стать черной дырой (за счет большой массы).

Но это в теории. На практике известно, что черные дыры появляются только в результате коллапса сверхбольших звезд, превышающих Солнце по массе в 25-30 раз.

11.Черные дыры замедляют время вблизи себя

Основной тезис этого факта — по мере приближения к горизонту событий время замедляется. Это явление можно проиллюстрировать при помощи «парадокса близнецов», часто использующегося при объяснении положений теории относительности.

Основная идея состоит в том, что один из братьев — близнецов улетает в космос, а второй остается на Земле. Вернувшись домой, близнец обнаруживает, что брат постарел больше, чем он, так как при движении на скорости, приближенной к скорости света время начинает идти медленнее..

Один комментарий для “Что такое черная дыра?”

Вопрос конечно интересный и очень сложный» Что такое черная дыра»? Ведь кто только не пытался доказать их существование, и сколько теорем и решений выдвинуто наукой! А ведь как не крути, все связанно с гравитацией. У нас она «общая» а есть еще альтернативная и квантовая, и гравитация «черной дыры» такое, что эту область не могут преодолеть даже кванты скорости света. В науке «черные дыры» это_ определенная область пространства и времени,а также галактические объекты и коллапсирующие звезды. А сколько теорий их образования от реалистичных до фантастических,просто не счесть!! «Истина где-то там!!» (ц)