Чёрные дыры - самые странные объекты Вселенной

Сегодня я бы хотел поговорить о, пожалуй, самых странных и загадочных объектах во Вселенной – черных дырах. Что же такое черная дыра?

Чёрная дыра — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным радиусом.

Как возникает черная дыра?

По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:

1. Гравитационный коллапс достаточно массивной звезды (более чем 3,6 масс Солнца) на конечном этапе её эволюции.

2. Коллапс центральной части галактики или прагалактического газа. Современные представления помещают огромную чёрную дыру в центр многих, если не всех, спиральных и эллиптических галактик.

3. Формирование чёрных дыр в момент Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи. Такие чёрные дыры называются первичными.

4. Возникновение чёрных дыр в ядерных реакциях высоких энергий — квантовые чёрные дыры.

Как вы знаете, ничто не вечно под Луной, любая звезда имеет свой срок жизни. И вот на закате жизни, когда массивная звезда израсходовала всё своё топливо, в силу собственной гравитации она коллапсирует сама в себя, то есть схлопывается в сверхновую. А вот дальше возможны два варианта развития событий: если масса сверхновой звезды составляет порядка 25 солнечных масс, сверхновая взрывается в нейтронную звезду с высвобождением колоссального количества энергии, эквивалентное энергии, которую наше Солнце выработает за всю свою жизнь, а масса самой нейтронной звезды составляет порядка 1,6 солнечных; второй вариант развития событий – возникновение чёрной дыры из сверхновой. Если после взрыва сверхновой остается нейтронное ядро с массой более 3-х солнечных масс, ядерные силы отталкивания на малых расстояниях не в состоянии противостоять дальнейшему гравитационному сжатию звезды. Возникает необычный объект - черная дыра.

Сверхновая звезда 1987A расположена в Большом Магеллановом Облаке

Строение черной дыры.

Как правило, черную дыру делят на следующие составляющие: фотонная сфера, горизонт событий и сингулярность.

Фотонная сфера – это сферическая поверхность нулевой толщины, на которой движущиеся вдоль касательной к поверхности фотоны будут захвачены на круговые орбиты. Если проходящий фотон пересекает фотонную сферу, его захватит черная дыра. Однако, движение по поверхности нестабильно, и в результате возмущений фотон может покинуть фотонную сферу.

Горизонт событий является неотъемлемой частью черной дыры. По сути, горизонт событий – это граница, под которой пространство-время искривляется настолько, что все пути частиц направлены вниз, к сингулярности. При приближении объекта к горизонту событий сторонний наблюдатель будет видеть его замедление с практически полной остановкой и исчезновением. Это происходит из-за разницы течения времени у наблюдателя и объекта, падающего в черную дыру. У наблюдателя время бежит быстрее. У объекта же все процессы замедляются, испускаемые фотоны перестают вырываться наружу, из-за чего свет тускнеет, становясь более красным и тусклым, и через некоторое время весь испускаемый объектом свет будет поглощен черной дырой. Объект исчезнет из поля зрения наблюдателя.

Сингулярность – точка пространства с бесконечной массой, плотностью и гравитацией. Тяжело представить себе это, но в данном случае вся масса черной дыры сосредоточена в нулевом объеме! Парадокс, не правда ли? Впервые на сингулярность указал Роджер Пенроуз в своих расчетах в рамках ОТО.

Итак, из сказанного выше можно увидеть, что черная дыра – довольно странный объект. Изучить его или хотя бы полностью теоретически объяснить, мы пока не в состоянии. После горизонта событий классическая ОТО работать перестаёт, в дело вступают гравитационные силы на квантовом уровне. А цельной квантовой теории гравитации у нас пока нет, есть только частные теории. Но будем надеяться, что это только пока! А пока едем дальше.

Виды черных дыр.

Черные дыры звездных масс.

Это черные дыры, образованные в результате коллапса достаточно массивной звезды. Как правило, масса такой звезды должна составлять в среднем 5 солнечных масс. Со временем такая черная дыра может набрать массу за счет поглощения вещества.

Среднемассивные чёрные дыры

Предполагается, что такие дыры образуются исключительно путем слияния многих черных дыр звездных масс. Масса таких черных дыр может достигать нескольких тысяч солнечных масс. Есть и нижний предел – 200 солнечных масс. В нашей Галактике среднемассивная чёрная дыра с массой порядка 1300 солнечных масс предполагается находящейся на расстоянии 3 световых лет от Стрельца А*, внутри кластера из семи массивных звёзд.

Сверхмассивные чёрные дыры

Огромные черные дыры с массой от нескольких миллионов до миллиардов солнечных масс. Как правило, такие дыры находятся в центрах практически всех галактик, имеют аккреционный диск и релятивистские струи, называемые джетами.

Аккреционный диск появляется у черной дыры в результате поглощения ею окружающего вещества или же звезды. В случае с космическим веществом, в процессе вращения частицы нагреваются от трения, выделяя свет и тепло, поэтому диск становится видимым. Если же дыра высасывает неудачно оказавшуюся рядом звезду, то диск образовывается самим звездным веществом. Радиус диска может достигать нескольких десятков астрономических единиц.

Джеты – высокоэнергетические пучки плазмы, исходящие из центра сверхмассивной черной дыры.

Иногда аккреционный диск черной дыры настолько ярок, что речь ведется уже о квазарах – наиболее ярких объектах во Вселенной.

Изображение, полученное с помощью телескопа «Хаббл»: Активная галактика M87. В ядре галактики, предположительно, находится чёрная дыра. На снимке видна релятивистская струя длиной около 5 тысяч световых лет.

Первичные чёрные дыры

Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Существуют сценарии инфляционной модели Вселенной, предсказывающие их генерацию на ранних стадиях эволюции Вселенной. Если в этот период существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе — их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Различные модели ранней Вселенной заметно различаются в своих предсказаниях величины первичных неоднородностей. Как следствие, массы предполагаемых первичных чёрных дыр колеблются от планковской массы до сотен тысяч солнечных масс. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр (излучение Хокинга).

Квантовые чёрные дыры

Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые микродыры или квантовые чёрные дыры.

Даже если квантовые чёрные дыры существуют, время их существования крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение очень проблематичным.

В последнее время предложены эксперименты с целью обнаружения свидетельств появления чёрных дыр в ядерных реакциях. Однако для непосредственного синтеза чёрной дыры в ускорителе необходима недостижимая на сегодня энергия 1026 эВ, когда квантовые эффекты полностью доминируют над классической гравитацией. Некоторые теории квантовой гравитации допускают микродыры при взаимодействии высокоэнергичных космических лучей с атмосферой. Не исключено, что в реакциях сверхвысоких энергий могли бы возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры.

Эксперименты по протон-протонным столкновениям с полной энергией 7 ТэВ на Большом адронном коллайдере показали, что этой энергии недостаточно для образования микроскопических чёрных дыр. На основании этих данных делается вывод, что микроскопические чёрные дыры должны быть тяжелее 3,5—4,5 ТэВ в зависимости от конкретной реализации.

История

В истории представлений о чёрных дырах условно можно выделить три периода:

1.Начало первого периода связано с опубликованной в 1784 году работой Джона Мичелла, в которой был изложен расчёт массы для недоступного наблюдению объекта.

2.Второй период связан с развитием общей теории относительности, стационарное решение уравнений которой было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. В этот же период появилось само название чёрная дыра. Точный изобретатель термина неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» (англ. Our Universe: the Known and Unknown) 29 декабря 1967 года. Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары» (от англ. collapsed stars), а также «застывшие звёзды» (англ. frozen stars).

3.Публикация в 1975 году работы Стивена Хокинга, в которой он предложил идею об излучении чёрных дыр, начинает третий период. Граница между вторым и третьим периодами довольно условна, поскольку не сразу стали ясны все следствия открытия Хокинга, изучение которых продолжается до сих пор.

Различные теории, связанные с черными дырами.

Испарение черной дыры – излучение Хокинга.

Согласно этой теории черная дыра не только поглощает всё вокруг себя, но и испускает сама различные частицы, в частности фотоны. Когда черной дыре больше нечего поглощать вокруг себя, она должна начать «худеть», то есть испускать частицы наружу, что в конечном итоге должно привести к её исчезновению через взрыв на последних стадиях. Это испускание и получило название «Излучение Хокинга». Измерить его пока не удается ввиду того, что массы известных черных дыр слишком велики, чтобы уловить излучение. Согласно ОТО, при формировании Вселенной должны были образовываться непервичные черные дыры, которые должны испаряться в наше время, то есть взрываться. Однако, до сих пор таких взрывов обнаружено не было.

Парадокс исчезновения информации в черной дыре

Теория довольно сложна для восприятия, поэтому попробую объяснить как можно проще.

Согласно классической ОТО черная дыра – объект неуничтожимый. Отсюда следует, что всё, что попадает в черную дыру, исчезает навсегда, то есть и информация, попавшая за горизонт событий, уничтожается. С другой стороны, информация исчезает только для стороннего наблюдателя, но в черной дыре она сохраняется. Есть мнение, что, если черная дыра является мостом между двумя вселенными, то информация из нашей Вселенной переносится в иную.

Согласно квантовой теории, маломассивные черные дыры все-таки испаряются посредством излучения Хокинга. Долгое время сам Хокинг считал, что его излучение носит исключительно тепловой характер, а, значит, не может переносить информацию. Но в 2004 году он изменил свое мнение. Поскольку излучение Хокинга приводит к испарению маломассивных чёрных дыр, то излучение должно уносить энтропию и информацию. В таком случае должна быть точная связь между начальной энтропией чёрной дыры и энтропией излучения, а информация полностью не может быть потеряна.

В середине 90-х годов прошлого века американским физиком-теоретиком Леонардом Сасскиндом и голландским физиком Герардом т’Хоофтом было предложено одно из решений этого парадокса. Согласно их теории, информация, падающая в черную дыру, оставляет некий двумерный отпечаток на горизонте событий. Позже, когда излучение выходит из черной дыры, оно подхватывает отпечатки этих данных. Таким образом, информация не разрушается на самом деле. Расчеты показали, что на двумерной поверхности черной дыры можно хранить достаточно информации, чтобы полностью описать все возможные трехмерные объекты внутри.

В прошлом году Дежан Стойкович, доктор наук и профессор физики Университета Буффало, в журнале Physical Review в соавторстве с Аншуль Саини опубликовал свою работу по решению парадокса исчезновения информации. Работа основана на учете не только самих частиц, но и их взаимодействии, от гравитационного притяжения до обмена посредниками, вроде фотонов. Таким образом, обнаружилось, что наблюдатель, который находится за пределами черной дыры, может восстановить информацию о том, что находится в ней.

Белые дыры

Говоря о черных дырах, нельзя не упомянуть о так называемых белых дырах. Как не трудно догадаться, белая дыра является полной противоположностью черной дыры. Ось времени в этой дыре направлена в противоположную сторону. Если из черной дыры, согласно классической ОТО, ничего не может ВЫЙТИ, то в белую дыру ничего не может ВОЙТИ! При этом необходимо понимать, что полная карта пространства-времени содержит как чёрную, так и белую дыры, а отдельного образования только «чистой» чёрной или только «чистой» белой дыры на полной карте пространства-времени не может быть в принципе.

Израильские астрономы Алон Реттер и Шломо Хеллер предполагают, что аномальный гамма-всплеск GRB 060614, который произошёл в 2006 году, был белой дырой.

Кротовые норы (червоточины)

Очень часто в различной литературе можно встретить утверждение, что черная дыра есть не что иное, ка кротовая нора или червоточина.

Так что же такое червоточина? Представьте себе лист бумаги, на котором отмечены две точки. Каково минимальное расстояние между этими точками? Вы скажете, что прямая. В двумерном пространстве – да, вы правы. Но мы живем в трехмерном пространстве. А потому минимальное расстояние между двумя точками будет, если сложить лист и таким образом соединить эти точки! Червоточина позволяет сделать именно это – соединить две точки пространства-времени наиболее коротким путем.

Различают два вида червоточин: непроходимую (мост Эйнштейна-Розена) и проходимую (мост Морриса-Торна).

Мост Эйнштейна-Розена представляет собой соединение между двумя областями пространства, вечную черную дыру, не изменяющуюся и не вращающуюся. При этом, пространство-время не должно иметь никаких краев, то есть свободно падающая частица должна иметь возможность продолжить свой путь сколь угодно далеко в прошлое или будущее самой частицы, за исключением случая попадания частицы в сингулярность. Отсюда следует, что чтобы удовлетворить этому требованию, должна существовать внутренняя область белой дыры в дополнение к внутренней области черной дыры, то есть противоположность, благодаря которой сторонний наблюдатель может видеть эту частицу выходящей с другой стороны. Аналогично с пространством-временем. Вы спросите: а при чем тут «непроходимость», если частица проходит? Ответ прост: пройдя сквозь такую червоточину в соседнюю вселенную, вы никогда уже не сможете вернуться обратно…

Мост Морриса-Торна – это вид червоточины, позволяющей осуществлять переход между двумя точками пространства времени в обоих направлениях. Червоточина позволяет перемещаться как в пространстве, так и во времени. При этом следует учесть, что вернуться через червоточину обратно во времени раньше, чем был осуществлен прямой переход, невозможно. Предполагается изучение возможных кандидатов в червоточины с помощью инструментов «Радиоастрон» и «Миллиметрон».

Впервые возможность существования проходимой червоточины была показана Кипом Торном и его аспирантом Майком Моррисом в статье, опубликованной в 1988 году. Именно поэтому проходимая червоточина носит название «мост Морриса-Торна».

R слову сказать, в фильме "Интерстеллар" представлена именно проходимая червоточина.

Это сообщение отредактировал Аццкийинженер - 4.02.2016 - 15:29

Есть ещё несколько теорий, но они носят сугубо научный интерес и для простого обывателя будут крайне непонятны, потому как изобилуют формулами и специфическими терминами.

На этом заканчиваю краткий обзор черных дыр. Надеюсь, вам понравилось, и вы узнали что-то новое для себя.

С уважением,
Аццкийинженер

А то, конечно понравилось. Только

Масса, наверное, конечная все таки. Проверь.

Это сообщение отредактировал vaisman - 4.02.2016 - 15:31

Тут с недавнего времени запрещено дыры размещать, хуч чёрные хучь белые, осторожней ТС с дырами то.

Зелень по теме.

Это сообщение отредактировал dedpixai - 4.02.2016 - 15:31

Ух....сколько интересного , пучок тебе петрушки !

vaisman
в классической трактовке именно бесконечная масса

Жутко и интересно!

А, понял... У чёрной дыры не бывает волос!

Всё это хорошо, подробно написано! Но ведь это только предположения. Никто не знает, что там... Пока не побывает... Ничего мы не знаем, ни о космосе, ни о океане... Луна рядом, но и там куча непоняток. Почему свернули лунные программы, почему не летают на Луну. Почему на Марс полетели? Одни почему...
Ну а по теме - спасибо!

Это сообщение отредактировал chevrjak - 4.02.2016 - 15:42

Неее, самые странные объекты во вселенной - это другие дыры, вполне себе земные .

Iosif800
что смешного? Фраза "черная дыра не имеет волос" имеет целью показать, что все черные дыры с одинаковой массой, зарядом и скоростью вращения будут выглядеть и описываться совершенно одинаково. А волосы - признак отличия. Ничего смешного здесь нет

Ночью над нами пролетел самолёт,
Завтра он упадёт в океан,
Погибнут все пассажиры.
Завтра где-то, кто знает где,
Война, эпидемия, снежный буран,
Космоса чёрные дыры.

Следи за собой, будь осторожен,
Следи за собой.
Следи за собой, будь осторожен,
Следи за собой.

Это сообщение отредактировал GoodwinXX - 4.02.2016 - 15:38

Всегда было интересно, а что там, внутри и куда она это все засасывает

Н-да. Вот бы чем человечеству заниматься. Узнать кто мы такие, где и что это вообще за херня. А мы тут жувачки с джинсами поделить никак не можем. А многие даже голодают.

Это сообщение отредактировал geoyd - 4.02.2016 - 15:41

Ты в церковь сходи, там любой прихожанин тебе расскажет, как все устроено и как все было