100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как устроена черная дыра?

Как устроена черная дыра?

Сегодня мы поговорим о таинственных и могущественных черных дырах. Эти космические объекты до сих пор остаются настоящей загадкой для многих астрономов и физиков. Само их существование вызывает некоторый первобытный страх, ведь наши скудные знания об их фантастическом строении и силе свидетельствует о том, насколько мало мы знаем о нашем общем доме – вселенной.

Для начала дадим определение. Черная дыра – это область пространства, где сила гравитации настолько мощна, что ни свет, ни вещество не в состоянии покинуть область дыры. Чтобы преодолеть притяжение «черных гигантов» скорость объекта должна превышать скорость света, что само по себе невозможно.

• Горизонт событий

Представьте себе, что вы летите на космическом корабле в какой-нибудь далекой галактике и вдруг, неожиданно, приблизились к черной дыре. Первое, что вы почувствуете – это сильнейше притяжение, создаваемое «горизонтом событий» – границей черной дыры, которую не может преодолеть даже свет. На самом деле после преодоления «горизонта событий» ничто не может существовать, но представим, что вас не расщепило на мельчайшие частицы, вы остались живы и отправились дальше.

• Сингулярнность

Область после «горизонта событий» называется сингулярность – это точка, где вещество, оставшееся от когда-то сверхмассивной звезды, за короткий промежуток времени сжимается до бесконечно больших значений плотности и тяготения. Английский физик Стивен Хокинг считает сингулярность местом «где разрушается классическая концепция пространства и времен». Поэтому, если бы вы нашли способ преодолеть «горизонт событий», то вас бы ожидал грандиозный финал: вечная жизнь вне времени и пространства или моментальная смерть.

• Масса

Черные дыры могут иметь массу, превышающую сотни тысяч масс нашего солнца. Такой огромный вес она получает после того, как некогда «живая» звезда после миллиардов лет жизни начала терять свое ядерное топливо. В результате таких процессов ядро звезды начинает неумолимо сжиматься, выделяя огромное количество энергии. В конечном итоге она превращается в черную дыру.

По предположениям ученых самая большая черная дыра находится в галактике IC 1101. Ее масса составляет 17 миллиардов солнечных масс – это 17% от тяжести всей галактики IC 1101! Существует еще один кандидат на место самой большой черной дыры во вселенной. Он находится в блазаре – особом виде внегалактических объектов. Внутри такого блазара существует «черный гигант» весом в 18 миллиардов солнечных масс. Эта дыра настолько огромна, что по ее орбите вращается еще одна черная дыра меньшего объема.

Черная дыра: что это и как она формируется?

Как можно предположить, черная дыра не состоит из пустот. Напротив, он содержит невероятное количество материи на очень маленькой площади. Для сравнения представьте себе Россию и все, что в ней есть, и положите ее себе в карман. Тогда плотность вашего кармана станет настолько сильной, что притянет к себе все, что его окружает.

Черная дыра — это точка в пространстве с таким сильным гравитационным притяжением, что ничто вокруг не может ей противостоять, даже фотоны. Фотоны — это элементарные частицы волн, в том числе световые.

Общая теория относительности как отправная точка

Понятие черной дыры становится значимым только тогда, когда мы связываем его с теорией общей теории относительности. В последнем пространство-время искривлено массой. Чем массивнее объект, тем больше искривляется пространство-время. Например, масса Солнца искажает пространство-время. Таким образом, Земля вращается вокруг Солнца, казалось бы, подвергаясь его притяжению, но объяснение состоит в том, что она заимствует кривизну пространства-времени, которую индуцировала масса Солнца. Если бы не было такого искажения, то Земля отправилась бы прямо в космос.

Черная дыра имеет такую большую плотность, что она приводит к чрезвычайно глубокому гравитационному колодцу, который разрывает пространство-время. Порожденная кривизна настолько сильна, что из этого колодца уже ничто не может выбраться.

Как образуется черная дыра?

Чтобы избежать притяжения массивного объекта, необходимо иметь достаточно высокую скорость. Это называется «скорость освобождения». Например, если вы хотите отправить зонд на другую планету, важно вывести его за пределы скорости освобождения Земли. Скорость освобождения Земли составляет 11,2 км/с, Луны — 2,4 км/с, Солнца — 617,5 км/с. Таким образом, чем больше масса объекта, тем быстрее увеличивается скорость освобождения. Важно также отметить, что скорость высвобождения зависит от того, где мы находимся по отношению к центру планеты. Легче уйти от земного притяжения, когда мы уже находимся на высоте 10 000 км, чем когда мы уходим с поверхности земной коры.

Например, можно было бы представить себе звезду настолько массивной, что скорость выхода была бы равна — или даже больше — скорости света (300 000 км/с). Это бы означало, что ничто, даже свет, не сможет вырваться из гравитационного поля звезды.

То, что мы видели выше, является чисто теоретическим, теперь нам нужно проявить конкретный интерес к тому, что может произойти, чтобы привести к образованию «черной дыры». Для этого необходимо интересоваться жизнью звезды.

Начало жизни звезды, которая родит черную дыру

Звезда — это огромная газовая сфера, состоящая в основном из водорода и гелия. Газ не уходит от звезды, потому что он удерживается гравитацией. Атомы водорода настолько сжимаются и сдавливаются внутри звездной сферы, что единственный способ их сосуществования — это слияние их атомов. Этот ядерный синтез атомы водорода приводят к образованию гелия. Количество энергии, испускаемой при этой реакции, настолько велико, что оно будет конкурировать с гравитационным действием, которое воздействует на водород. Энергия, излучаемая ядерным синтезом, создает силы, противоположные силе притяжения, которые устанавливают баланс внутри звезды. Эта противоположная сила называется «радиационным давлением». Интенсивная энергия, вырабатываемая ядерным синтезом, неизбежно вызывает тепло, и когда электроны оторваны от водорода, звезда находится в плазменном состоянии.

Читайте так же:
Как часто нужно менять машинное масло

Плазма Солнца. Предоставлено: NASA

Конец жизни звезды, которая родит черную дыру

Затем гелий, образовавшийся в результате ядерного синтеза, скапливается в центре звезды, увеличивая силу гравитации. В результате увеличивается плотность звезды, что приводит к более интенсивным ядерным реакциям между атомами водорода, гелием и другими элементами, созданными в результате термоядерного синтеза. Это делается для того, чтобы восстановить равновесие между двумя противоборствующими силами. Именно от слияния водорода с гелием в звездах могут образоваться все остальные элементы периодической таблицы каскадным слиянием!

Но в жизни звезды наступает момент, когда ядерный синтез уже не может компенсировать гравитационную силу звезды — которая постепенно нарастает. Таким образом, ядро ее сжимается, и частицы оказываются сжатыми в центре звезды. Все эти реакции призваны заменить отсутствие ядерного синтеза, который позволил звезде иметь стабильность между двумя противоположными силами (гравитационной силой звезды и радиационным давлением).

Однако давление, противоположное гравитации, здесь больше не называется давлением излучения, а давлением вырождения. В то время плотность звезды огромна. Вес, который будет содержать 1 см³ ядра, ошеломляет: 100 миллионов тонн!

Если звезда становится в 3,2 раза массивнее массы Солнца, сила вырождения уже недостаточно сильна, чтобы противостоять силе гравитации. У звезды не останется другого выбора, кроме как рухнуть на себя, в невероятно крошечную точку, которая будет содержать всю массу ядра, и таким образом превратиться в черную дыру!

Как черная дыра искажает пространство-время?

Когда пространство-время искажается, меняется не только пространство (что объясняет, как Земля вращается вокруг Солнца), но и время. Общая теория относительности тесно связывает эти два аспекта, и это позволяет сказать, что чем больше масса, тем больше замедляется время вокруг объекта.

Давайте возьмем двух человек: А и Б. А — далеко от массивного объекта, в то время как Б — очень близко. У А создается впечатление, что Б идет в замедленном режиме. Но Б не чувствует замедления, и для него время проходит нормально.

Таким образом, время течет медленнее на Земле, чем на Луне. Но их масса недостаточно велика, чтобы разница в течение времени была заметна между ними. Для более любопытных: конкретное объяснение нашего GPS, чтобы объяснить и доказать разницу во времени, доступно в последней части этой статьи.

С другой стороны, масса черной дыры такова, что разница во времени между кем-то на краю черной дыры и далеким человеком, наблюдающим за первым человеком, очевидна. Представим, например, человека, который вплотную приближается к черной дыре, а вы — зрителя, любующегося зрелищем. Вы обнаружите, что ваш друг кажется почти неподвижным, и время и дата, указанные его смартфоном, будут меняться очень мало с течением времени — даже после нескольких лет наблюдения. Что касается смелого путешественника, он увидит, как вы стареете и умираете в течение дня. Он может даже опечалиться, увидев уничтожение Солнца и, следовательно, нашей планеты. Таким образом, время становится относительным как функция искажения пространства-времени, вызванного объектом большой массы.

Далее: спутники наших GPS используют общую теорию относительности и доказывают искажение пространства-времени

Чтобы спутники, работающие для нашего GPS, могли работать правильно и точно, они используют прогноз относительности, чтобы указать нам правильное направление.

Общая относительность указывает на замедление времени для движущихся объектов. Часы спутника примерно на 7 микросекунд медленнее наших после суток (потому что он находится на орбите со скоростью 14 000 км/ч). Наш GPS-приемник получает сигнал со спутника с задержкой 7 микросекунд. Если бы она не учитывала задержку спутника, мы были бы в двух километрах от места, указанного нашим GPS. Фактически, задержка тактовых импульсов должна умножаться на скорость света (скорость, с которой распространяется сигнал спутника).

Кроме того, общая теория относительности указывает, что время течет медленнее в более интенсивном гравитационном поле. Таким образом, атомные часы на Земле на 45 микросекунд отстают от спутников. Поэтому, если мы сделаем 45 минус 7, мы определим, что каждый день спутниковые часы считают на 38 микросекунд больше день за днем. Если приемник не принял во внимание эту задержку, то каждый день будет отображаться смещение в 11 км по индикации нашего GPS!

Как работает чёрная дыра

Космос

Чёрными дырами принято считать области пространства, в которых гравитация настолько сильна, что ни излучение, ни вещество не в состоянии эту область покинуть, — так как для тел, находящихся в поле притяжения этих космических объектов, собственная скорость убегания должна превышать скорость света, что, в принципе, невозможно. Границу области, из-за которой не может прорваться даже свет, называют «горизонтом событий» черной дыры.

Читайте так же:
Скоростной трамвай Далласа

Американский физик Джон Арчибальд Уиллер только в 1967 году предложил этому космическому объекту, всё поглощающему и ничего не выпускающему, название «чёрная дыра». Ранее использовались такие обозначения, как «коллапсар» или «застывшая звезда».

Как работает чёрная дыра

Поиском чёрных дыр учёные занимаются уже много десятилетий, но поскольку найти «чёрную кошку в тёмной комнате» не так-то просто, приходится ориентироваться на обычные звёзды и другие космические объекты, взаимодействующие с чёрными дырами, — и по их поведению измерять параметры и отслеживать влияние дыр на окружающее космическое пространство.

Изучать же эти объекты в лабораторных условиях невозможно, потому как для создания чёрной дыры тело с массой в миллионы тонн необходимо сжать до размеров атома. Теоретическое изучение, основанное на общей теории относительности Альберта Эйнштейна, находит многочисленные подтверждения в цифрах и снимках орбитальных телескопов.

Как работает чёрная дыра

Расчёты показывают, что достаточной массой для превращения в чёрные дыры обладают лишь звёзды, чья масса превышает три солнечных, поэтому для начала на них и остановимся. Пока звезда молода и активна, она обладает запасом ядерного топлива. Термоядерные реакции превращения водорода в гелий, затем в углерод (и так далее) поддерживают равновесие звезды, поскольку выделяющееся при этом тепло компенсирует энергетические потери, которые мы понимаем как свет и звёздный ветер. Эти же реакции поддерживают высокое давление внутри звезды, не позволяя ей сжиматься под действием собственного гравитационного поля. Однако проходит несколько миллиардов лет, и в конце звёздной эволюции ядерное топливо начинает истощаться.

Как работает чёрная дыра

В результате её ядро и мантия переживают противоположные процессы: ядро начинает сжиматься, при этом выделяя большое количество тепла, которое нагревает внешнюю оболочку. Звезда теряет свои внешние слои, непомерно расширяющиеся в огненную туманность, разрушающую собственную планетарную систему. Если же речь идёт о сверхновой – то оболочка обычно уничтожается взрывом.

Итак, ядро массивной звезды сжимается и уходит под «горизонт событий», — и если бы мы могли наблюдать за этими метаморфозами в телескоп, то сначала увидели бы, что звезда с увеличивающейся скоростью уменьшается, а свет слабеет и краснеет, что объяснимо потерей фотонами энергии по мере приближения к поверхности гравитационного радиуса, необходимостью преодолевать увеличивающуюся силу тяжести, вследствие чего частицам требуется всё большее количество времени, чтобы добраться до Земли (вернее, было необходимо, — ведь процессы, которые мы наблюдаем, происходилицелую вечность тому назад). Далее мы увидели бы, что сжатие замедляется, и в тот момент, когда оно совсем остановится, визуальное наблюдение новой чёрной дыры становится невозможным.

Как работает чёрная дыра

Но если бы мы могли себе это позволить, и заглянуть за «горизонт событий», то обнаружили бы следующую картину: за короткий промежуток времени вещество ядра сжимается в точку, называемую «сингулярностью». В ней достигаются бесконечно большие значения тяготения и плотности. Английский физик Стивен Хоукинг назвал сингулярность «местом, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства-времени».

Первоначальная звезда могла быть устроена сколь угодно сложно, однако новообразованная чёрная дыра «забывает» всю информацию об исходной модели: форму, химический состав, распределение плотности вещества и др. После сжатия наблюдатель может определить всего три основных параметра: электрический заряд, полную массу и момент импульса, присутствующий в случае, если звезда ранее вращалась.

Как работает чёрная дыра

В последнем случае вокруг черной дыры сохраняется гравитационное поле «вихревого» принципа действия, которое увлекает соседние космические тела во вращательное движение вокруг нее. Это поле получило имя математика Роя Керра, который нашел решение его расчётных уравнений в 1963 году.

Эффект поля Керра усиливается по мере приближения к горизонту чёрной дыры, — то есть возле неё существует определённая зона космического пространства, с одной стороны ограниченная «горизонтом событий» дыры и ведущей к неминуемой гибели всех объектов в недрах сингулярности, а с другой стороны – чертой, за которой эти объекты не притягиваются и остаются неподвижными относительно далёких звёзд. Эта черта называется «пределом статичности».

Как работает чёрная дыра

В радиусе действия поля Керра, или так называемой «эргосфере», объекты могут двигаться только по орбите вокруг нового центра тяготения, причём в том же направлении, в котором вращается сама дыра. Попав в эргосферу, кванты света или, если уж на то пошло, летательный аппарат всё ещё могут вырваться наружу, унося при этом энергию вращения сверхсистемы, но стационарным космическим телам остаётся скромный удел: водить космический «хоровод» вокруг гиганта и становиться его добычей.

Следуя эйнштейновской общей теории относительности, вблизи чёрных дыр под действием их гравитационного поля искривляется пространство и время (здесь будет применимо пересечение или разбежность параллельных прямых, замедление часов и все прочие ныне доказанные «легенды» учёного). Для того чтобы представить себе, как ведёт себя время около чёрной дыры, сравним его с земным. Несмотря на то, что наша планета – просто пылинка в сравнении с чёрными дырами, земная гравитация влияет на ход времени на поверхности сильнее, чем на орбите — настолько, что в GPS-навигаторы специально вносят поправки на это различие. Чего же тогда ожидать от объектов с такой чудовищным притяжением и массой, как у чёрных дыр?

Читайте так же:
Как сделать силиконовый хвост русалки

Как работает чёрная дыра

Здесь напряженность гравитационного поля настолько велика, что любые физические процессы можно описывать лишь при помощи релятивистской (относительной колебаниям нейтрона) теории тяготения. Одним словом, всё это подводит нас к выводу, что чёрная дыра способна искривлять геометрию пространства и времени вокруг себя, и чем ближе – тем сильнее этот эффект, вплоть до того, что лучи света могут двигаться по её окружности.

Но неужели любая звезда рано или поздно начинает разрушать то, что создавалось с таким трудом под её светом и теплом? Повторимся: это не так. По оценкам экспертов, при умеренной начальной массе звезды ядро может сжиматься, превратиться в маленький и очень плотный белый карлик, или в еще более плотную и совсем крохотную нейтронную звезду, которые затем сохранят устойчивость: его сжатие будет остановлено давлением вырожденного вещества, и «битва с гравитацией» будет выиграна.

Поэтому для тех, кто твёрдо намерен прожить ещё пять-семь миллиардов лет, это хорошая новость. Правда, наблюдать за солнечным белым карликом придётся из подземного бункера, так как испаряющаяся мантия перед этим расширится, поглотит Меркурий и Венеру, заодно лишив землю воды и практически полностью – атмосферы. Если же масса звезды превышает три массы Солнца, то уже ничто не в силах остановить ее коллапса, — она уйдёт под горизонт событий и рано или поздно станет новой чёрной дырой.

Согласно расчётам учёных, наша галактика существует двенадцать миллиардов лет, и за это время должно было образоваться несколько десятков миллионов черных дыр, основная масса которых предположительно находится в ядре Млечного Пути, где коллапсировали наиболее массивные древние звёзды.

Какие бывают черные дыры и как они могут помочь человечеству?

Это может показаться абсурдной идеей, но физики давно размышляют, смогут ли черные дыры однажды использоваться для получения энергии человечеством. Рассказываем о типах черных дыр, как их открыли, и реально ли их «приручить».

Читайте «Хайтек» в

Типы черных дыр

Есть четыре типа черных дыр, основанные на их массе: звездные, промежуточные, сверхмассивные и миниатюрные. Наиболее известный способ образования черной дыры —- звездная смерть. По мере того как звезды достигают конца своей жизни, большинство из них раздувается, теряет массу, а затем остывает, образуя белых карликов . Но самые большие из этих огненных тел, которые по меньшей мере в 10-20 раз массивнее нашего Солнца, суждено стать либо сверхплотными нейтронными звездами, либо так называемыми черными дырами звездной массы.

Чёрные дыры звёздной массы — маленькие, но смертельные

Млечный Путь содержит около ста миллионов черных дыр, которые образовались в результате коллапса очень массивных звезд. Каждая из этих звездных черных дыр весит примерно в 10 раз больше нашего Солнца. Очень немногие из этих черных дыр находятся на близком расстоянии от обычной звезды, которая медленно перетекает в черную дыру. Когда этот газ падает в сторону черной дыры, он нагревается сильной гравитацией и трением. Рядом с черной дырой газ достигает типичной температуры 10 миллионов градусов по Цельсию. Эти источники рентгеновского излучения черных дыр легко наблюдать по всему Млечному Пути, а также в близлежащих галактиках с помощью орбитальных рентгеновских обсерваторий.

Примечательно, что любая черная дыра полностью описывается всего двумя числами, которые определяют ее массу и скорость вращения. Мы не знаем ничего более простого, кроме элементарной частицы, такой как электрон. Ученые из CFA измерили оба этих фундаментальных параметра — массу и спин — для более чем дюжины звездных черных дыр, изучая все аспекты этих черных дыр и их систем.

Несмотря на свою повсеместность во Вселенной, черные дыры остаются крайне загадочными объектами. Нам нужна теория квантовой гравитации, которая объединит теорию относительности Эйнштейна 1916 года с теорией квантовой механики 1926 года. Такой теории не существует, несмотря на десятилетия теоретических усилий физиков, изучающих теорию струн и других специалистов. Создание теории квантовой гравитации станет венцом физики наравне с достижениями Ньютона, Эйнштейна и других гигантов.

Чёрная дыра средней массы (IMBH) — застряли посередине

Между классами черных дыр звездной величины и сверхмассивных должен существовать еще один — промежуточный. Во всяком случае, по законам логики. Разве не должны существовать черные дыры среднего размера, которые определяют разницу между черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами? Эти космические средние массы, которые могут варьироваться от примерно 100 до 1 миллиона солнечных масс — хотя конкретный диапазон варьируется в зависимости от того, кого вы спросите, — называются черными дырами промежуточной массы (Intermediate-mass black holes, IMBHs). И хотя астрономы нашли несколько убедительных кандидатов на IMBH, разбросанных по всей Вселенной, вопрос о том, действительно ли они существуют, все еще не решен. Однако улик начинает накапливаться.

Хотя окончательное доказательство существования IMBH остается неуловимым, за последние несколько десятилетий был проведен ряд исследований, в которых были обнаружены интригующие доказательства, намекающие на существование этих не очень больших, не очень маленьких черных дыр.

Например, в 2003 году исследователи использовали космическую обсерваторию ЕКА XMM-Newton, чтобы идентифицировать два сильных, различных источника рентгеновского излучения в соседней галактике со вспышкой звездообразования NGC 1313. Потому что черные дыры, как правило, яростно поглощают материал, который приближается слишком близко, и изрыгает высоко. -энергетическое излучение, они являются одними из самых сильных известных источников рентгеновского излучения. Определив источники рентгеновского излучения в NGC 1313 и изучив, как они периодически вспыхивают, в 2015 году исследователи смогли ограничить массу одной из предполагаемых черных дыр галактики, известной как NGC 1313 X-1. Они подсчитали, что это примерно в 5000 раз больше массы Солнца, плюс-минус, что уверенно помещает ее в диапазон масс черной дыры промежуточной массы.

Читайте так же:
Как устроена пивоварня Bernard

Точно так же в 2009 году исследователи обнаружили еще более сильные свидетельство существования черной дыры среднего размера. Расположенный примерно в 290 млн световых лет от края галактики ESO 243-49, команда наблюдала невероятно яркий рентгеновский источник под названием HLX-1 (гиперсветящийся источник рентгеновского излучения номер один, Hyper-Luminous X-ray source 1), не имеющий оптического аналога. Это говорит о том, что наблюдаемый объект не просто звезда или галактика. Кроме того, исследователи обнаружили, что рентгеновская сигнатура HLX-1 менялась со временем, предполагая, что черная дыра становится ярче каждый раз, когда ближайшая звезда приближается к ней, подавая газ и вызывая короткие вспышки рентгеновских лучей, которые затем медленно исчезают. прочь. Основываясь на яркости наблюдаемых вспышек, исследователи рассчитали минимальную массу черной дыры примерно в 500 раз больше массы Солнца, хотя по некоторым оценкам ее вес приближается к 20 000 масс Солнца.

Планковская чёрная дыра (Micro black hole)

Планковская чёрная дыра — гипотетическая чёрная дыра с минимально возможной массой, которая равна планковской массе.

Плотность вещества такой чёрной дыры составляет около 10 94 кг/м³ и, возможно, является максимальной достижимой плотностью массы. Физика на таких масштабах должна описываться пока не разработанными теориями квантовой гравитации. Такой объект тождественен гипотетической элементарной частице с (предположительно) максимально возможной массой — максимону.

Планковские чёрные дыры характеризует крайне малое сечение взаимодействия. Малость сечения взаимодействия нейтральных максимонов с веществом приводит к тому, что значительная (или даже основная) часть материи во Вселенной в настоящее время могла бы состоять из максимонов, не приводя к противоречию с наблюдениями. В частности, максимоны могли бы играть роль невидимого вещества (темной материи), существование которого признается в настоящее время в космологии.

Сверхмассивные черные дыры — рождение гигантов

Маленькие черные дыры населяют вселенную, но их кузены, сверхмассивные черные дыры, доминируют. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но имеют примерно такой же размер в диаметре. Считается, что такие черные дыры находятся в центре практически каждой галактики, включая Млечный Путь.

Ученые не уверены, как возникают такие большие черные дыры. После того, как эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг себя, материала, которого много в центре галактик, что позволяет им вырасти до еще более огромных размеров.

Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр. Большие газовые облака также могут быть ответственны за их коллапс и быстрое увеличение массы. Или это коллапс звездного скопления, группы звезд, падающих вместе. Сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать через его гравитационное воздействие на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не излучает свет и не может быть непосредственно наблюдаемой.

Новый класс черных дыр — «сверхсверхмассивные» или огромные черные дыры

Итак, как мы уже знаем, наша Вселенная содержит огромные черные дыры. Сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики имеет массу 4 миллиона Солнц, но она довольно мала, как галактические черные дыры. Масса многих галактических черных дыр составляет миллиард солнечных масс, а масса самой массивной из известных черных дыр оценивается примерно в 70 миллиардов Солнц. Но насколько большой может быть черная дыра?

Чтобы черная дыра стала действительно массивной, она должна поглотить большое количество вещества в начале своей жизни. Если она медленно потребляет материю, тогда окружающая ее галактика встанет на свое место, и Вселенная расширится, так что черная дыра не сможет захватить намного больше вещества. Но когда черная дыра быстро поглощает большое количество вещества, материя становится очень горячей и имеет тенденцию отталкивать другую материю, что затрудняет рост черной дыры.

Основываясь на наблюдениях за крупнейшими черными дырами и компьютерном моделировании образования черных дыр, считается, что верхний предел массы галактических черных дыр составляет около 100 миллиардов солнечных масс. Но новое исследование предполагает, что предел массы может быть намного выше.

В работе ученых отмечается, что, хотя галактические черные дыры, вероятно, действительно имеют предел солнечной массы в сотни миллиардов, более крупные черные дыры могли образоваться независимо на ранних этапах существования Вселенной. Эти первичные черные дыры могут иметь массу более чем в миллион раз больше, чем самые большие галактические черные дыры. Исследовательская группа называет их невероятно большими черными дырами или SLABs (stupendously large black holes).

Идея первичных черных дыр существует уже давно. Они были предложены как решение всего, от темной материи до того, почему мы еще не открыли гипотетическую девятую планету в нашей солнечной системе. Но теоретические модели предполагают, что первичные черные дыры были бы намного меньше, чем даже черные дыры звездной массы, образованные из крошечных флуктуаций плотности в ранней Вселенной. Но это новое исследование предполагает, что темная материя и другие факторы могут вызвать колоссальный рост некоторых из них.

Читайте так же:
Как снимают индийское кино

Если ранняя Вселенная была богата темной материей, особенно формой темной материи, известной как слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP), то первичная черная дыра могла потреблять темную материю, чтобы быстро расти. Поскольку темная материя не сильно взаимодействует со светом, захваченная темная материя не будет излучать много света или тепла, чтобы замедлить скорость роста. В результате эти черные дыры могли быть огромными еще до того, как Вселенная остыла и образовались галактики. Верхний предел массы SLAB будет зависеть от того, как темная материя WIMP взаимодействует с самой собой, поэтому, если мы обнаружим какие-либо SLAB, это может помочь нам понять темную материю.

Как человечество может использовать черные дыры?

Теория относительности предсказывает, что вращающиеся черные дыры можно использовать в качестве источников энергии. В 1969 году Роджер Пенроуз описал процесс, позволяющий это сделать. Вокруг вращающихся черных дыр существует эргосфера — область, предшествующая горизонту событий. Все тела в эргосфере вращаются вместе с черной дырой.

Процесс Пенроуза (также называемый механизмом Пенроуз) теоретически рассматривает черные дыры как средство извлечения энергии. Такое извлечение может произойти, если вращательная энергия черной дыры расположена не внутри горизонта событий, а снаружи — в области керровского пространства-времени. В этой эргосфере любая частица обязательно движется в локомотивном режиме одновременно с вращающимся пространством-временем, т.е. все объекты в там увлекаются им. При этом кусок вещества, попадающий в эргосферу, расщепляется на две части. Например, материя может состоять из двух частей, которые разделяются путем выстрела взрывчатого вещества или ракеты, которая раздвигает ее половинки. Импульс двух частей материи, когда они разделяются, можно организовать так, чтобы одна часть ускользнула из черной дыры (она «ускользнула в бесконечность»), а другая упала за горизонт событий в черную дыру. При тщательном размещении у убегающей части материи может быть большая масса-энергия, чем у исходной, а её падающая часть получает отрицательную массу-энергию. Хотя импульс сохраняется, эффект заключается в том, что при таком процессе можно извлечь больше энергии, чем изначально предусмотрено. Причем разница обеспечивается самой черной дырой. Таким образом, процесс приводит к небольшому уменьшению углового момента черной дыры, что соответствует передаче энергии материи. Потерянный импульс, в свою очередь, преобразуется в извлеченную энергию.

Процесс Пенроуза указывает на возможность получения энергии из черной дыры, но его нельзя назвать хорошим практическим методом. Для его реализации необходимо, чтобы две новорожденные частицы обладали скоростью, превышающей половину скорости света. Ожидаемая частота таких событий настолько редка, что не позволит получить значительное количество энергии.

Поэтому ученые активно ищут другие механизмы. К примеру, Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут высвобождать энергию за счет теплового излучения. Еще одним способом извлечения энергии является процесс Блэнфорда-Знаека, основанный на электромагнитном взаимодействии.

Лука Комиссо (Luca Comisso) из Колумбийского Университета и Фелипе Асенхо (Felipe A. Asenjo) из Университета Адольфо Ибаньеса описали в своей статье еще одну из альтернатив процессу Пенроуза.

Черные дыры окружены горячей плазмой, частицы которой обладают магнитным полем. Основа нового механизма получения энергии из вращающихся черных дыр — пересоединение силовых линий магнитного поля внутри эргосферы. Черная дыра при этом должна находиться во внешнем магнитном поле, иметь большой спин (a

1) и окружающую ее плазму с сильной намагниченностью. Нужными свойствами обладают, например, черные дыры, образовавшиеся в результате длинных и коротких гамма-всплесков и сверхмассивные черные дыры в активных ядрах галактик.

Магнитное пересоединение ускоряет часть плазмы в направлении вращения дыры. Другая часть ускоряется в обратном направлении и падает за горизонт событий. Выделение энергии, как и в механизме Пенроуза, происходит, если поглощаемая плазма имеет отрицательную энергию, а ускоренная — «ускользает» из эргосферы. Отличие состоит в том, что для образования частиц с отрицательной энергией требуется диссипация энергии магнитного поля. В процессе, описанном Пенроузом, роль играет только инерция частиц.

Как говорят ученые, КПД описанного процесса — 150 процентов. Это значит, что процесс позволяет получить в полтора раза больше энергии, чем нужно затратить на его реализацию. Достижение КПД больше 100 процентов возможно, потому что высвобожденные из эргосферы частицы плазмы уносят энергию черной дыры. Открытие нового механизма извлечения энергии из черных дыр позволит астрономам лучше оценить их вращательный момент и понять, как они излучают энергию. До практического применения открытия еще далеко: необходимо выяснить, как долететь до черной дыры и разместить что-то в ее эргосфере, не угодив за горизонт событий.

Читать далее

Теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10 −35 м

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию