100kitov.ru

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

Почему черная дыра черная? Описание, фото и видео

Чёрная дыра — устрашающий объект Вселенной

Знаете ли вы, что такое чёрная дыра? На самом деле, под данное определение могут подходить различные астрофизические объекты. Например, ранее так называли коллапсирующие и застывшие звёзды.

Чёрная дыра

Чёрная дыра

Чёрная дыра — это область пространства-времени, в которой чрезвычайно огромное гравитационное притяжение. Причём покинуть границы этой области невозможно. Даже в том случае, если объекты движутся со скоростью света. Более того, сам свет попадает в неё безвозвратно.

В целом, существование подобных областей исходит из теории гравитации и общей теории относительности. Они лучше всего предсказывают возможность образования этих плотных и массивных астрономических объектов.

Немного теории

Как бы не хотелось, но здесь без научных терминов не обойтись. Очень сложна и неоднозначна структура.

Пространство-время является физической моделью, которая дополняет пространство равноправным временным измерением. В результате образовывается теоретико-физическая система, называемая пространственно-временным континуумом.

Собственно говоря, в космологии пространство-время объединяет пространство и время в единую абстрактную Вселенную.

В физике континуум представляет собой сплошную среду, то есть систему с бесконечным числом внутренних координат перемещения или степеней свободы.

Структура чёрной дыры

Структура чёрной дыры

Что интересно, чёрная дыра обладает таким удивительным свойством, как гравитационная сингулярность.

Поскольку в ней невозможно проложить прямую линию движения и оно искривляется, попадая в область. При этом величины, которые описывают гравитационный участок, становятся неопределёнными и бесконечными.
Стоит отметить, что сингулярность чёрной дыры скрывается за горизонтом событий.

А вот горизонт событий чёрной дыры это её воображаемая граница. Именно за эти пределы ничего не может вырваться. Можно сказать, что это двери, открывающиеся в одну сторону.

Почему чёрная дыра называется чёрной

Итак, чёрная дыра засасывает своей силой гравитации всё, что находится рядом или приближается к ней. Однако ничто не выходит обратно за горизонт событий. Как уже отмечалось, солнечный свет попадает в неё и не может выбраться за пределы. Соответственно, без светового излучения их не видно, а на их месте только тьма.

Черная дыра поглощает звезду

Черная дыра поглощает звезду

Что такое чёрная дыра в космосе простым языком

Считается, что чёрная дыра является какой-то бездной в космосе, точкой невозврата.

По правде говоря, подобные области — это большая загадка и тайна для нас. Поскольку мы мало знаем о них. Вероятнее всего, это не просто объединившиеся частицы материи, а мощное скопление гравитации.

В принципе, черную дыру можно назвать провалом в пространстве. А может быть, что отдельная черная дыра представляет собой портал в другую Вселенную, или в другое время в одной и той же Вселенной.

Просто о сложном: черная дыра

Часто можно услышать о том, что ученые где-то там открыли очередную черную дыру или даже получили подтверждение их слияния.

Черная дыра

© forocoches.com

Однако, как показывает статистика, мало кто знает, что же такое черная дыра на самом деле. Мы попробуем вам объяснить это непростое явление максимально доступно (ну прям очень, очень просто).

Пустота?

Черная дыра — не пустое место и не «воронка» в пространстве. Это область, где сконцентрировано огромное количество материи, которая оказалась замкнутой в крайне малом пространстве.

Как такое возможно? Представьте себе звезду, которая в 10 раз больше Солнца. Представили? А теперь попробуйте ее мысленно сжать таким образом, чтобы она уместилась, допустим, в Москве.

Черная дыра

© eso.org

Для этого потребуется невероятное давление, а значит гравитационное поле возрастет до такой силы, что даже свет не будет способен покинуть пределы влияния объекта.

Терминология

Термин «черная дыра» был введен в 1967 Джоном Уилером. Хотя, архивы дают понять, что астрономы уже несколько веков описывали загадочные объекты в космосе, которые поражают плотностью и массивностью. Кстати, их существование предсказал Альберт Эйнштейн в Общей Теории Относительности (ОТО).

Читайте так же:
Почему чокаются бокалами?

Согласно ОТО, когда умирает массивная звезда, то остается небольшое плотное ядро. Если звезда будет минимум втрое больше Солнца, то после ее гибели мы, скорее всего, получим черную дыру.

Важно понимать, что наблюдать черную дыру в телескоп невозможно, но зато можно просчитать ее местоположение и с высокой точностью определить размер. Это становится возможным за счет влияния, которое черные дыры оказывают на объекты и материю вокруг себя.

Например, если черная дыра промчится через облако газа и пыли, то ученые смогут наблюдать, как материя будет втягиваться и разгоняться — рождение аккреционного диска.

Нечто подобное можно наблюдать и в том случае, когда черная дыра проходит рядом со звездой (это иногда разрывает звезду). В тот момент, когда черная дыр начинает «всасывать» в себя вещество, то оно начинает разгоняться и нагреваться до критических температур. В этот момент в пространство испускается поток рентгеновских лучей, которые астрономы фиксируют на Земле.

Смерть звезды — рождение черной дыры?

Черные дыры чаще всего формируются после взрыва сверхновых, а меньшие по размеру светила с недостаточной массой превращаются в нейтронные звезды. Если масса звезды втрое больше Солнечной, то такой объект становится кандидатом на роль черной дыры после своей смерти.

Когда погибает массивная звезда, то происходят невероятные процессы, но мы попытаемся их описать просто: когда звезда разрушается и начинает сжиматься, то ее поверхность постепенно приближается к воображаемой границе (горизонт событий). Если бы вы могли в этот момент находиться на поверхности звезды, то время для вас начинало бы замедляться относительно стороннего наблюдателя.

Когда поверхность звезды достигнет горизонта событий, то время остановится полностью, а звезда утратит способность к дальнейшему разрушению. В итоге, черная дыра является бесконечно разрушаемым объектом для которого времени не существует. Да, друзья, черные дыры находяться за гранью нашего привычного понимания мироустройства.

Рождение более крупных черных дыр

В 2004 году астрофизики NASA заметили источник коротких вспышек гамма-излучения. Направив в точку телескопы «Чандра» и «Хаббл«, ученые установили, что источником послужило столкновение черной дыры с нейтронной звездой. Что было в итоге? Родилась новая черная дыра, но более крупная.

Размеры черных дыр

Есть черные дыры, которые являются остатками массивных звезд. Они, как правило, в 10-24 раз массивней Солнца. Влияние этих объектов на окружающее пространство ученые наблюдают регулярно.

Однако, есть изолированные черные дыры. Это, пожалуй, самое неприятное в данном явлении. Все дело в том, что вокруг них нет ни газа, ни пыли, ни звезд. Следовательно, обнаружить их очень трудно, или же невозможно в принципе. Компьютерное моделирование показывает, что этих миниатюрных объектов только в Млечном Пути может быть несколько триллионов! Да, они намного меньше классических (если так можно сказать) черных дыр, так как им нечем «питаться», чтобы расти, но процессы, протекающие в их недрах, аналогичны тем, что происходят у их более крупных «коллег».

Конечно, мы не можем обойти стороной сверхмассивные черные дыры, которые в миллион или даже в миллиард раз массивней Солнца! Такие монстры обитают в центре практически каждой галактики (даже в нашей) и постоянно «пожирают» все, что к ним приближается. Такое изобилие материи и позволило за миллионы лет набрать огромнейшую массу.

Надеемся, что вы немного лучше разобрались в том, что же такое черные дыры и какие они бывают. Спасибо за внимание!

Почему чёрные дыры на самом деле не чёрные?

Из многочисленной фантастики и научно-популярных источников всем известно, что вокруг каждой чёрной дыры находится горизонт событий — граница, за которой вторая космическая скорость превышает скорость света. Из-за чего даже свет не может вырваться из чёрной дыры, и, вообще-то, именно поэтому учёные и прозвали чёрную дыру чёрной. Но несмотря на это, чёрные дыры на самом деле не совсем чёрные.

Читайте так же:
Почему собака друг человека? Описание, фото и видео

Вне горизонта событий чёрной дыры любое вещество притягивается к ней, но столкновения частиц между собой и электромагнитные взаимодействия могут изменить направление движения частиц в любую сторону, в том числе и отвести их от самой чёрной дыры, до того как они упадут под горизонт. Когда же частицы попадают внутрь горизонта событий, они уже никогда не смогут вернуться назад, если только не смогут разогнаться до скорости большей скорости света. Именно взаимодействующие, падающие на чёрную дыру частицы, формируют яркий аккреционный диск вокруг них.

Можно ли увидеть тело, попавшее за горизонт событий?

Рассмотрим тело, которое попадает в чёрную дыру. Когда вы наблюдаете за его падением, вы видите, что свет, излучаемый им, становится сначала красным, а затем всё более тусклым по мере того, как положение тела смещается к горизонту событий. Если бы вы могли продолжать наблюдать в радиодиапазоне слабые фотоны, которые излучает тело, то мы бы могли увидеть, как оно продолжает движение к горизонту событий, и, казалось бы, что фотоны при этом, растягиваются в пространстве бесконечно увеличивая свою длину волны. Со временем свет от объекта переходило бы от видимого к инфракрасному, затем к микроволновому, затем к радиочастотам и так далее. Но в любом случае он никогда не исчезнет.

Даже несмотря на квантование фотонов, нет ограничений относительно того, насколько низкой может быть их энергия. С достаточно большим телескопом, чувствительным к достаточно длинным волнам, вы всегда сможете видеть свет от всего, что попало в чёрную дыру. Отсюда мы можем сделать вывод, что когда что-то попадает в чёрную дыру, его свет никогда не угасает полностью.

Излучение Хокинга

Принцип неопределённости предполагает, что вакуум не является пустым. В нём постоянно происходит процесс рождения и аннигиляции пар виртуальных частиц и античастиц. Согласно этому принципу, такие частицы могут существовать очень короткое время и в обычных условиях не могут взаимодействовать с обычными частицами, но возле горизонта событий чёрной дыры условия совсем не обычные.

Если рассмотреть ситуацию, когда такая пара возникает очень близко к горизонту событий чёрной дыры, то одна из частиц этой пары может быть затянута гравитационным полем чёрной дыры ещё до того, как частицы успеют аннигилировать. При этом другая частица из этой пары может остаться снаружи горизонта событий. Таким образом, наблюдателю, находящемуся снаружи от чёрной дыры, может показаться, что эта частица была излучена чёрной дырой.

В 1974 году Стивен Хокинг дал теоретическое обоснование этому излучению, которое впоследствии стали называть его именем.

Учитывая вышесказанное, мы можем сделать вывод, что чёрные дыры в действительности не является полностью чёрными. Поскольку, во-первых, свет от падающего на чёрную дыру тела будет смещаться в красный спектр и всё больше и больше угасать, но никогда не погаснет. Во-вторых, чёрная дыра всегда излучает излучение Хокинга.

На данный момент излучение Хокинга зафиксировать не удалось, это связанно с крайне низкой его интенсивностью: чёрная дыра с массой равной трём солнечным будет излучать с мощностью всего 10^-29 ватта, чего недостаточно, для того, чтобы уловить его с помощью современного оборудования.

Автор: Алексей Нимчук. Редакция: Фёдор Карасенко.

Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!

Читайте так же:
Можно ли сжечь алмаз?

Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мои каналы в телеграме и на youtube . Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос. Поддержать наш канал материально можно через patreon .

Что такое черная дыра?

Черная дыра — это область в пространстве-времени, которая имеет гравитационное притяжение настолько сильное, что ничто, даже свет, не может ее покинуть. Граница черной дыры, за пределы которой не может вырваться никакой другой объект или излучение, называется горизонтом событий, а расстояние между этой границей и бесконечно плотным ядром — гравитационным радиусом или радиусом Шварцшильда.

Считается, что любая масса, спрессованная в сферу, радиус которой меньше или равен радиусу Шварцшильда, является черной дырой. Настолько сжатая масса может возникнуть, например, в результате гравитационного коллапса на самых поздних этапах развития очень тяжелой звезды.

Как образуются черные дыры?

Эти монстры возникают как фениксы, возрождаясь из пепла мертвых звезд. Известно, что в звездах происходят реакции термоядерного синтеза — слияние ядер легких атомов в более тяжелые, с выделением большого количества энергии. Так вот, когда звезды достигают конца своей жизни, запасы водорода, который они превращают в гелий, почти полностью истощаются. После водорода они начинают сжигать гелий и так далее, превращая остатки в еще более тяжелые элементы, вплоть до железа, чье слияние уже не дает достаточно энергии для поддержания внешних слоев звезды. Вследствие этого верхние слои рушатся внутрь и взрываются — этот взрыв называется вспышкой сверхновой.

Теоретически, такой взрыв может сжать массу вещества достаточно, чтобы ее радиус стал меньше или равен радиусу Шварцшильда, и она превратилась в черную дыру.

Чтобы вы понимали, типичная нейтронная звезда (то, что обычно остается от звезды после вспышки сверхновой) имеет радиус Шварцшильда около 1/3 от ее собственного радиуса. То есть среднестатистическая нейтронная звезда — это потенциально неудавшаяся черная дыра, которая была недостаточно сжата во время коллапса звезды, чтобы превратиться.

После образования черная дыра продолжает расти, поглощая материю из окружающего пространства. Поглощение звезд и слияние с другими черными дырами может привести к образованию сверхмассивной черной дыры. Согласно общему пониманию, такие объекты существуют в центрах большинства галактик.

Особенности черной дыры

Черная дыра выглядит очень необычно, лишь отдаленно напоминая некую планету, имеющую странные изогнутые кольца. Однако без аккреционного диска, вращающегося вокруг нее, мы бы ее даже не увидели. Давайте посмотрим какие у нее есть внешние особенности.

Состав черной дыры

Отличительные черты черной дыры

Аккрецонный диск

Кольцевая структура аккреционного диска, состоит из вещества, падающего на черную дыру, оно разогрето и поэтому светится.

Фотонное кольцо

Фотонное кольцо (или орбита фотона) — это свет, который несколько раз сгибался вокруг черной дыры, прежде чем ускользнуть. Он имеет много слоев, которые становятся все тусклее и тусклее, это происходит потому, что с каждым новым витком свету сложнее вырваться за пределы этого монстра.

Эффект Доплера

На приведенном выше изображении левая сторона аккреционного диска выглядит ярче, чем правая из-за Эффекта Доплера, который обусловлен огромной орбитальной скоростью.

Гравитационное линзирование

Мы видим изогнутый аккреционный диск (сверху и снизу), потому что гравитация отклоняет направление света.

Как мы узнали о существовании этих космических монстров?

Уже обнаружено около тысячи объектов, которые причисляются к черным дырам. Всего же предполагается существование десятков миллионов таких объектов. Опишем коротко, как человечество пришло к таким открытиям.

Ранние гипотезы

Гипотеза о существовании такого массивного объекта была впервые предложена в 1783 году английским геологом Джоном Митчеллом в письме Генри Кавендишу из Британского королевского общества. В то время теория гравитации Ньютона и идея второй космической скорости были хорошо известны. По оценкам Митчелла, тело с радиусом в 500 раз больше солнечного и с такой же плотностью будет иметь на своей поверхности вторую космическую скорость, равную скорости света, и поэтому будет невидимым.

Читайте так же:
Почему дворяне «голубая кровь»? Фото и видео

В 1796 году французский математик Пьер-Симон Лаплас предложил ту же идею в первом и втором изданиях своей книги «Exposition du système du monde». Однако она не привлекла большого внимания в 19 веке и исчезла из последующих изданий его книги, так как в то время свет считался безмассовой волной, не подверженной влиянию гравитации.

Общая теория относительности

В 1915 году Альберт Эйнштейн разработал общую теорию относительности, ранее показав, что гравитация влияет на движение света. Через несколько месяцев Шварцшильд дал решение для уравнений Эйнштейна (Метрика Шварцшильда), которое достаточно точно описывает гравитационное поле уединённой невращающейся и незаряженной чёрной дыры.

В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер предсказали, что массивные звезды могут подвергнуться резкому гравитационному коллапсу. Однако черные дыры (как гипотетические объекты) не были предметом большого интереса до конца 1960-х годов. Интерес к ним ожил в 1967 году с открытием пульсаров.

Открытие Лебедя X-1 (Cygnus X-1)

Черная дыра: Лебедь X-1Астрономы из Военно-морской исследовательской лаборатории США обнаружили Лебедь Х-1 в 1964 году. Он был дополнительно исследован в 1970-х годах, когда был запущен рентгеновский спутник Ухуру (Uhuru). Когда за объектом начали наблюдать, обнаружилось, что его не было видно ни на одной плоскости электромагнитного спектра, кроме рентгеновских лучей. Более того, рентгеновские лучи мерцали по интенсивности каждую миллисекунду. Затем астрономы переключились на его ближайшего соседа — звезду HDE 226868, у которого была замечена орбита, указывающая на то, что он является частью двойной системы. Однако странность заключалась в том, что ни одна звезда-компаньон не находилась в непосредственной близости от HDE 226868. Чтобы HDE оставался на своей орбите, его спутнику требовалась масса, превышающая таковую у типичного белого карлика или нейтронной звезды. Более того, это странное мерцание могло возникнуть только из-за небольшого объекта, который мог претерпевать такие быстрые изменения. Озадаченные, ученые смотрели на свои предыдущие наблюдения и теории, чтобы попытаться определить, что это за объект, но были шокированы, когда нашли свое решение в теории, которую многие считали просто математической фантазией.

Лебедь X-1 расположен на расстоянии 6 070 световых лет от нас, имеет диаметр всего около 32-64 км, массу около 14,8 солнечных и скорость вращения 800 оборотов в секунду. Все эти данные соответствуют тому, какой должна быть черная дыра, если бы она находилась в непосредственной близости от HDE 226868. Эти два объекта расположены на расстоянии 0,2 а. е. друг от друга, что позволяет Лебедю откачивать материал из своего спутника, придавая ему форму яйца. Было замечено, что материал входит в Лебедя, но в конечном итоге он значительно смещается и «уходит» в сингулярности.

Сингулярность

Сингулярность — это точка за горизонтом событий, где, согласно общей теории относительности, пространство-время имеет бесконечную кривизну. В этой области пространство и время перестают существовать в том виде, как мы их знаем, а потому к ней не применимы действующие законы физики. Пространство за горизонтом событий особенно в том смысле, что сингулярность является буквально единственным возможным будущим, поэтому все частицы должны двигаться к нему.

Обнаружение

Несмотря на невидимую внутренность, присутствие таких массивных объектов можно обнаружить по их взаимодействию с окружающими объектами, а также светом и другим электромагнитным излучениям (гравитационное линзирование).

Отличить черную дыру от другого объекта можно по соотношению размера к массе, для этого нужно сравнить ее физический радиус с гравитационным радиусом. Массу и расположение черных дыр рассчитывают используя данные о перемещении звезд.

Читайте так же:
Почему от мяты холодно во рту?

Какая самая большая черная дыра?

Самая большая черная дыра, присутствующая в нашей галактике — это Стрелец A*, ее масса в 4 миллиона раз больше, чем у Солнца. Она находится на расстоянии 25900 световых лет от Земли и должна иметь радиус не менее 12,7 ± 1,1 млн км.

Черная дыра в галактике Андромеды (M81)

Галактика Андромеды, расположенная на расстоянии 2,5 миллиона световых лет от нас, имеет черную дыру, которая составляет 110–230 миллионов масс Солнца. Этот объект значительно больше Стрельца А* в Млечном Пути.

Измерения массы, опубликованные телескопом Event Horizon в 2019 году, предполагают, что M87* — самая большая сверхмассивная черная дыра в окрестностях Млечного Пути. Ее масса около 6,5 млрд M☉, она расположена на расстоянии 53,5 млн световых лет от Земли.

Релятивистская струя, выходящая из ядра галактики M87 (составное изображение наблюдений телескопа «Хаббл»)
Изображение М87 с использованием 1,3 мм радиоволн (первое изображение черной дыры)

Вращающийся диск с ионизированным газом окружает черную дыру и приблизительно перпендикулярен релятивистской струе, испускаемой М87*. Диск вращается со скоростью примерно до 1000 км/с и имеет максимальный диаметр 0,12 парсек (25 000 а.е.). Для сравнения, в среднем Плутон находится в 39 астрономических единицах (0,00019 парсек) от Солнца. M87* — это первая и пока единственная черная дыра, изображение которой мы смогли получить, оно было опубликовано 10 апреля 2019 года.

Черные дыры в квазарах

Массы черных дыр в квазарах можно оценить косвенными методами, что предполагает значительную неточность. Квазар TON 618 является примером объекта с чрезвычайно большой черной дырой, оцененной в 66 млрд солнечных масс. Другие примеры квазаров с оцененными массами черных дыр — APM 08279+5255, с массой 23 млрд M☉; S5 0014+81, с массой 40 миллиардов М☉.

Излучение

Предполагается, что черная дыра излучает разнообразные элементарные частицы, этот гипотетический процесс называется излучением Хокинга.

Излучение Хокинга

Понятие о чёрной дыре как объекте, который ничего не излучает, а может лишь поглощать материю, справедливо до тех пор, пока не учитываются квантовые эффекты. В квантовой теории поля физический вакуум наполнен постоянно рождающимися и исчезающими флуктуациями различных полей (можно сказать «виртуальными частицами»). В поле внешних сил динамика этих флуктуаций меняется, и если силы достаточно велики, прямо из вакуума могут рождаться пары частица-античастица. Такие процессы происходят и вблизи (но всё же снаружи) горизонта событий чёрной дыры. При этом возможно, что одна из частиц (неважно какая) падает внутрь чёрной дыры, а другая улетает и доступна для наблюдения.

Излучение Хокинга является главным аргументом ученых относительно испарения небольших чёрных дыр, которые теоретически могут возникать в ходе экспериментов на БАК.

Как долго может существовать черная дыра?

Гипотетически срок жизни черной дыры зависит от ее массы, которую она теряет из-за излучения Хокинга. Интересно, что черные дыры с меньшей массой теряют ее быстрее, чем более крупные. Это потому, что кривизна, которую они создают в пространстве, является более высокой вокруг горизонта событий. Однако даже в этом случае, черные дыры живут очень и очень долго.

Например, для полного испарения черной дыры с массой Солнца потребуется 10 67 лет. Для более крупных черных дыр во Вселенной это могло бы занять невероятные 10 100 лет. Гипотетически, когда все звезды и планеты погибнут, черные дыры ещё будут существовать, и в конечном итоге исчезнут сами собой.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию