Черные дыры — самые страшные объекты во Вселенной

Завораживающие тайны черных дыр пленяют умы ученых не одно столетие. В астрономии известно, что явление сжимает до минимума массу и плотность вещества, но свойства новоявленного объекта не вписываются в привычные рамки и начинают противоречить науке. В статье вы найдете интересные факты об этом явлении, узнаете как образуется горизонт событий и что вообще это такое.

Первые исследователи черной дыры

Искаженное гравитационное поле стали изучать в 18 веке. Но только Карл Шварцшильд в 1916 году первым дал полное описание черной дыре.

В 1958 году Дэвид Финкельштейн определил область пространства, из которого обратного пути нет.

В начале 20-го века физик Джон Уилер соединил гравитационный коллапс и понятие “черная дыра”. Сам термин “черная дыра” появился в 1967 году на торжественной церемонии в Институте космических исследований.

Суть черной дыры

Что такое черная дыра? Какова ее суть? Во вселенной черную дыру формирует предел, переступив который даже поток света в обратном направлении не возвращается.

И то, что уже отделилось, то отделилось навсегда. Физики называют эту грань «горизонтом событий».  Есть еще понятие “видимый горизонт”.

Оно подразумевает временное отделение. Однако такое отделение порой может превышать возраст Вселенной.

Иногда граница горизонтов размывается. Такое случается, когда горизонт объекта временный, но долгоживущий.

Горизонт черной дыры

Что находится внутри черной дыры и какие события будут вершиться?

Согласно принципу эквивалентности Энштейна при пересечении горизонта событий изначально ничего необычного не происходит. Но впоследствоие ускорение и гравитация искажают пространство.

Еще интересно, наблюдая за притяжением объекта к черной дыре, можно заметить его замедление.

Создается иллюзия, что время возле горизонта застывает.

Рано или поздно все, что падает в круговорот событий оказывается в радиусе Шварцшильца. Ощущения на горизонте дают приливы гравитации.

Приливы горизонта зависят от размеров черной дыры. И здесь тоже все наоборот. У большей дыры образуется меньшая сила.

И если размеры черный дыры довольно велики, то появляется возможность попасть за горизонт событий до ощущения происходящего. Возникает явление удлинения и растягивания субъекта. Как говорят ученые, начинается “спагеттификация”.

Радиус Шварцшильца, схема:

Каких размеров бывают самые большие черные дыры?

Как выглядит черная дыра и насколько она большая?

Согласно теории черных дыр, чтобы представить горизонт событий, достаточно вообразить сферу, диаметр которой будет напрямую соответствовать размерам черной дыры. И здесь появляется интересный феномен: чем больше вещества попадает в искажение, тем больше объект раздувается.

Поражает, насколько мала кротовая нора по сравнению с другими небесными объектами. У черной дыры величиной с планету радиус с горошину, что в миллиарды раз превышает радиус Земли.

Астроном Карл Шварцшильд использовал теорию относительности Альберта Энштейна для объяснения работы темного тела, и радиус черной дыры получил название радиус Шварцшильда.

Что находится за пределами черной дыры?

Что находится в черной дыре науке не известно. Согласно теориям приливы увеличиваются до нереальных пределов, попадая в границы сингулярности.

И они оказывают в тупике. ОТО в черной дыре не работает. Лучше всего объясняет механизмы явления квантовая физика.

Как понять, что черные дыры существуют?

В космосе существует много субъектов, не излучающие свет.

И заметить их присутствие на небе возможно по гравитации, которую они оказывают на видимые рядом звезды, облака, создавая линзирование. Из чего состоит черная дыра, пока не ясно.

Однако точно установлено, что твердых элементов внутри нет. Вещество, проходящее через горизонт, не выбрасывает огромного числа частиц, которые могли бы сверкать при столкновении.

Как образуются черные дыры?

На сегодня известно четыре вида происхождения черных дыр.

Первый и самый понятный, связанный со смертью звезды. Черная дыра звездной массы образуется после того, как светило израсходовало все свои ядерные ресурсы.

При наступлении такого момента, синтез и образуемое давление буквально падают в собственный центр, усиливая гравитацию и сжатие. Такие черные дыры самые распространенные.

В центре далеких галактик существуют “сверхмассивные черные дыры”. Они родились по-другому. Их размеры могут в миллиарды раз превышать массу черных дыр, которые есть в солнечной системе.

Точно не известно, как они зародились. Но в начале они напоминали черные дыры солнечной системы, затем оказались внутри звездного скопления, которые они поглощали с невероятной скоростью.

Большой интерес и споры вызывают первичные черные дыры, которые появились в самой ранней стадии жизни Вселенной. Любая экспериментальная модель говорит, что они производились в бесчисленном количестве.

И последний вариант рождения пытаются найти в Большом андройдном коллайдере. Предполагается возможность рождения маленьких черных дыр, что реально только при существовании других измерений.

Состав черной дыры, схема:

Что Хокинг имел в виду, когда сказал, что черные дыры не существуют?

Хокинг пытался объяснить, что вечной черной дыры не бывает, и она имеет временной лимит, причем кажущимся таковым на существующий момент. Другими словами, горизонт событий — это и есть черная дыра.

Что нужно знать об излучении?

Речь идет о квантовых эффектах вещества, а не о квантовых эффектах гравитации. Квантовые эффекты формируют излучение в черных дырах.

Коллапс времени и пространства меняет частицу. А понятие частиц зависит от наблюдателя потому, что искажается временем.  У наблюдателя появляется ощущение вакуума.

Но на самом деле, это поток частиц. Такой эффект получается из-за растяжения пространства. Обнаруженное Стивеном Хокином излучение получило его название.

Оно характеризуется только температурой, которая взаимосвязана с размером кротовой норы. У маленьких черных дыр самые высокие температуры в отличие от сверхмассивных и звездных.

Хокинг об информационном парадоксе?

Излучение Хокинга прояснило работу парадокса потери информации.

Излучение не содержит никакой информации о появлении черной дыры. При выбросе излучения черная дыра уменьшается и растворяется в пространстве.

Эти события не зависят от состава вещества, из которого она образовалась. Поэтому испарения не показывают на первичное вещество.

Этого процесса в физике нет и по сути он представляет собой необратимое явление.

Однако современные физики не оставляют надежды в дальнейшем найти информацию в излучении. Способ хранения информации в излучении есть.

Она хранится на горизонте событий и вызывает маленькие смещения, в которых вполне может присутствовать информация о материи. Но механизм проработки подобных теорий пока не найден.

Галактики и черные дыры

Фото Хаббла за 30 лет полета в космосе показывают, что все галактики, которые он пролетел, имеют черные дыры.

Большинство из них фантастических размеров, в миллионы раз превосходящие Солнце. Чтобы представить разницу, достаточно сравнить теннисный мяч и Статую Свободы.

Недавно опубликовано изображение горизонта событий, замеченного в галактике М87. Оно весит как 7 миллиардов Солнцев. А это в десятки тысяч раз больше кротовой норы, найденной в Млечном Пути.

В спокойном состоянии черные дыры не сияют.

Но как только приближаются космические тела и соприкасаются с ними, начинают ярко светится. Поражает яркость квазара.

Если ночью с окна взлетающего самолета посмотреть на Москву, полностью пронизанную паутиной электрических  фонарей, то точка размером в один сантиметр способна залить светом в сотни, а то и тысячи раз ярче миллиона огней.

Чем интересны сверхмассивные черные дыры?

В нашей системе все планеты делают полный круг по орбите один раз в 255 миллионов лет.

Но черная дыра способна сделать этот круг за три земных месяца. Недавно найден темный объект, внешний край горизонта которого крутится немного медленнее скорости света.

Все, что попало за горизонт событий не видимо глазу. Центр дыры имеет бесконечную плотность, сингулярность. Законы физики нарушаются, и гравитация сжимает тело вечно.

Теоретически в гигантской воронке можно выжить. У нее слабое растяжение, и она не убьет. Однако край пропасти горизонта событий заглатывает все, что окажется в его власти. А возврата от туда уже нет.

Стивен Хокинг считает, что со временем черные дыры испаряются. И по сути, когда все миры закончат свое существование, галактики и светила перейдут в тлеющее состояние.

О вращении черной дыры

В сжатом пространстве звезда очень быстро движется, сохраняя первое время свою массу.

Но момент импульса стремится сохраниться, что увеличивает вращение. Вращение передается на все близлежащее пространство и время. Этот участок получил название “эргосферы”.

В нем происходят завораживающие явления.

Горизонт событий вращается со скоростью, пропорциональной своему размеру.

Однако скорость имеет предел. Одна из тяжелейших черных дыр имеет скорость вращение в 1150 оборотов  в секунду. А черная дыра галактики NGC 1365 вращается чуть ни со скоростью света.

Музыка черных дыр

Ученые рентгеновской обсерватории Чандра НАСА в 2003 году уловили звуковые волны сверхмассивной черной дыры.

Она расположена в 250 миллионах световых от нашей галактики. При столкновении вещества с горизонтом событий, происходит заряд мощности скорости, близкой к скорости света, и появляется звук.

Так были пойманы звуковые волны возрастом более миллиона световых лет. Звук не может передаваться в вакууме. Однако пространство частично заполнено атомами водорода и газами, что позволяет пробиваться звуковым вибрациям.

Как засасывают черные дыры?

Людям, далеким от астрономии, порой кажется, что черные дыры затягивают вещество своим вакуумом.

Однако это не так. Черные дыры собственной гравитацией заставляют тела, которые попали в опасный радиус быстро крутиться.

Отмечена прямая связь между рождением звездам и размером близлежащих черных дыр.

От влияния сверхмассивных черных дыр зависит процесс образования звезд.

Большое количество звезд сожгло бы галактику, а маленькое — затормозило бы дальнейшее ее развитие.

Сколько энергии производит черная дыра?

Производить энергию у черных дыр получается намного лучше, чем у звезд. Мощное влияние гравитации на вещество приводит к усилению вращения.

Объект в таком случае способен нагреваться до миллиона градусов. При этом масса преобразуется в саму энергию, рождая излучение.

По подсчетам видно, что черные дыры до 10% вещества превращают в энергию. Для сравнения ядерный синтез — только 0,7 %.