Что такое черная дыра в космосе? что в черных дырах?

Мощный лазер

Большим преимуществом является то, что такие космические корабли не должны везти свое собственное топливо, а вместо этого они будут находится на кончике лазерного луча, генерируемого с Земли. Лазерный луч сможет непрерывно ускорять их в течение длительных периодов времени, позволяя им достигать огромных скоростей, возможно, на 1 или 2 % скорости света.

Пояс Койпера глазами художника

«Чтобы найти Планету Девять, хотелось бы, чтобы скорость космических кораблей составляла (по крайней мере) сотни километров в секунду», — говорит Виттен, добавляя, что такие скорости позволят космическому кораблю путешествовать на 500 АЕ (астрономических единиц) в 10-летнем масштабе времени. Более того, возможно, будет запуск космических аппаратов сразу сотней или даже тысячей прямо к Планете Девять.

Это важно, потому что, по оценкам Виттена, такой космический корабль должен находиться в пределах нескольких десятков АЕ от черной дыры, чтобы любые изменения его траектории можно было наблюдать. А поскольку астрономы еще точно не знают, где может быть Планета Девять, единственный вариант – это подход с использованием дробовика

Такая миссия может стать серьезной проблемой. Виттен указывает на предыдущие и текущие проекты по разработке и запуску космических аппаратов. Самым известным из них является Breakthrough Starshot (научно-исследовательский проект по разработке концепции флота межзвездных космических кораблей, использующих световой парус), инициатива стоимостью 100 миллионов долларов США, направленная на разработку и тестирование технологии, способной отправлять лазерные космические аппараты на космические корабли в ближайшие звездные системы. Цель проекта – «заложить основу для полета в Альфу Центавра в течение одного поколения».

Предполагаемая орбита планеты X (девятой планеты)

Миссия к внешним границам Солнечной системы может быть полезным демонстратором технологий. Расчеты британского ученого-ракетчика Кевина Паркина показывают, что стоимость такой миссии не будет превышать миссии в 1 миллиард долларов, которые NASA выполняли много раз. Тем не менее, почти каждая часть такой миссии будет проблемой: от разработки лазера, способного обеспечить движение до разработки чипа, способного передавать данные о местоположении обратно на Землю. Для этого космический корабль должен нести высокоточные бортовые часы с нагрузкой, измеряемой в граммах.

«Достаточно точный хронометраж в миниатюрном космическом корабле может быть самым большим препятствием для этого проекта», — говорит Виттен. Но есть определенная мотивация, чтобы попробовать. Открытие черной дыры, вращающейся вокруг Солнца, было бы хорошим призом для тех, кто взял бы на себя такую ​​задачу. Действительно, это может быть последним шансом открыть новое существенное тело, вращающееся вокруг нашей звезды.

Строение черных дыр

Горизонтом событий называется неприступная граница черной дыры. Внутри этой границы находится зона, которую не могут покинуть даже объекты, скорость движения которых равна скорости света. Даже кванты самого света не могут покинуть горизонт событий. Находясь в этой точке, никакой предмет уже не может вырваться из черной дыры. О том, что внутри черной дыры, мы не можем узнать по определению – ведь в ее глубинах находится так называемая точка сингулярности, которая формируется за счет предельного сжатия вещества. Когда объект попадает внутрь горизонта событий, с этого момента он никогда не сможет вырваться снова из нее и стать видимым для наблюдателей. С другой стороны, те, кто находятся внутри черных дыр, не могут видеть ничего из происходящего снаружи.

Размер горизонта событий, окружающего этот загадочный космический объект, всегда прямо пропорционален массе самой дыры. Если ее масса будет удвоена, то вдвое больше станет и внешняя граница. Если бы ученые смогли найти способ, позволяющий превратить Землю в черную дыру, то размер горизонта событий составлял бы всего лишь 2 см в поперечном разрезе.

Как учёные узнают о чёрных дырах

Чёрная дыра не излучает и не отражает свет подобно большинству других объектов во Вселенной. Но ученые могут фиксировать, как сильная гравитация влияет на звёзды и газ вокруг чёрной дыры. По поведению объектов, рядом с которыми есть чёрная дыра, собственно можно доказать её наличие.

Ещё много интересного в наших соцсетях

1. Звёзды вращаются вокруг центра гравитации. Если в этом месте ничего нет, значит есть вероятность, что это чёрная дыра.
2. Из окружающего пространства чёрная дыра постоянно притягивает материю. Космическая пыль, газ, вещество ближайших звезд — всё это падает на неё по спирали, образуя аккреционный диск. Испытывая ускорение, частицы порождают излучение в характерном спектре. В области, откуда это излучение пришло, наверняка есть чёрная дыра.

Модель пространства вокруг чёрной дыры

Бинарные чёрные дыры

В 2015 году астрономы с помощью лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) обнаружили гравитационные волны от слияния звездных черных дыр.

«У нас есть еще одно подтверждение существования черных дыр звездной массы, которые больше, чем 20 солнечных масс — это объекты, о существовании которых мы не знали до того, как LIGO обнаружило их», — сказал Дэвид Шумейкер, представитель LIGO Scientific Collaboration (LSC). Наблюдения ЛИГО также дают представление о том, в каком направлении вращается черная дыра. Поскольку две черные дыры вращаются по спирали вокруг друг друга, они могут вращаться в одном и том же направлении или в противоположном направлении.

Существует две теории о том, как формируются бинарные черные дыры: 

1. Первая предполагает, что две черные дыры в двоичной форме возникли примерно в одно и то же время, из двух звезд, которые родились вместе и умерли (взорвались) примерно в одно и то же время. Звезды-компаньоны имели бы такую же ориентацию спина, как и друг у друга, поэтому две черные дыры, также будут иметь такую же ориентацию.
2. Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении опускаются к центру скопления и образуют пару. Эти компаньоны будут иметь случайные спиновые ориентации по сравнению друг с другом. Наблюдения ЛИГО за черными дырами-компаньонами с различной ориентацией спинов дают более веские доказательства этой теории образования.

«Мы начинаем собирать реальную статистику по бинарным системам черных дыр», — сказал ученый LIGO Кейта Кавабе из Caltech, который базируется в обсерватории LIGO Hanford. «Это интересно, потому что некоторые модели бинарного образования черных дыр несколько предпочтительнее других даже сейчас, и в будущем мы можем еще больше сузить этот вопрос.»

Интересные факты про черные дыры

• Согласно гипотезам некоторых ученых черные дыры являются не только галактическими пылесосами, всасывающими все в себя, но при определенных обстоятельствах могут и сами порождать новые вселенные.
• Черные дыры могут испаряться со временем. Выше мы писали, что английским ученым Стивеном Хокингом было открыто, что черные дыры имеют свойство излучение и через какой-то очень большой отрезок времени, когда поглощать вокруг будет уже нечего, черная дыра начнет больше испарять, пока со временем не отдаст всю свой массу в окружающий космос. Хотя это только предположение, гипотеза.
• Черные дыры замедляют время и искривляют пространство. О замедлении времени мы уже писали, но и пространство в условиях черной дыры будет совершенно искривлено.
• Черные дыры ограничивают количество звезд во Вселенной. А именно их гравитационные поля препятствуют остыванию газовых облаков в космосе, из которых, как известно, рождаются новые звезды.

Вопрос о сохранении информации

Одной из основных проблем, которая появилась после открытия излучения Хокинга, является проблема потери информации. Связана она с вопросом, кажущимся на первый взгляд очень простым: что произойдет, когда черная дыра испарится полностью? Обе теории – как квантовая физика, так и классическая – имеют дело с описанием состояния системы. Обладая информацией о начальном состоянии системы, при помощи теории можно описать, каким образом она будет меняться.

При этом в процессе эволюции информация о начальном состоянии не теряется – действует своего рода закон о сохранении информации. Но если черная дыра испарится полностью, то наблюдатель теряет информацию о той части физического мира, который когда-то попал в дыру. Стивен Хокинг считал, что информация о начальном состоянии системы каким-то образом восстанавливается после того, как черная дыра испарилась полностью. Но трудность состоит в том, что по определению из черной дыры передача информации невозможна – ничто не может покинуть горизонт событий.

Как получилось, что в центре крупных галактик встречаются чёрные дыры?

Из множества миллиардов галактик, составляющих наблюдаемую Вселенную, более миллиона уже были проанализированы. В центрах многих крупных галактик присутствуют чёрные дыры. Как так вышло? Чтобы понять это, нужно вернуться к самому началу — к Большому взрыву. Материя и энергия вырываются наружу и Вселенная начинает расширяться. Именно Большой взрыв даёт нам все компоненты для рождения: водород, гелий и другие элементы.

В течение десятков миллионов лет облака водорода сливались, становясь всё плотнее. Некоторые становятся такими горячими, что воспламеняются. Рождаются первые звёзды — гиганты, размером в сотни раз превышающие наше Солнце. Они быстро выгорают и взрываются, образуя вспышку сверхновой. Более крупные галактики поглощают более малые галактики, и если одна галактика съедает другую, в центре которой была чёрная дыра, значит она съедает и эту чёрную дыру. Она перемещается в центр новой галактики, делая её больше.

[править] И что?

ЖРЕМ ЗВЁЗДЫ@ПИЗДИМ СВЕТ

А всё. Попавший в чёрную дыру обратного хода уже не имеет. В системе отсчёта, связанной с самим телом, время падения будет конечно. Впрочем, с точки зрения внешнего наблюдателя, ему наоборот гарантирована вечная жизнь, парадокс времени из той же ОТО обеспечивает бесконечное время наблюдаемого ухода объекта под радиус Шварцшильда (если этот радиус не растёт со временем). Хотя, конечно, всё это — мелочи. Средняя шварцшильдовская чёрная дыра порвёт этого героя задолго до достижения горизонта событий. Для полноты картины следует сказать, что радиус ЧД прямо пропорционален массе, а так как объём пропорционален кубу радиуса, то с ростом массы средняя её плотность будет быстро падать. У сверхмассивных чёрных дыр с массой в сотни миллионов солнечных масс средняя плотность может быть даже меньше плотности воздуха. Или по-другому: радиус ЧД пропорционален массе, которая сосредоточена в центре, а напряжённость гравитационного поля снижается как квадрат расстояния. Итого: чем больше масса сабжа, тем меньше гравитационное поле на её границе. Поэтому при пересечении границы чёрной дыры достаточно большой массы (то есть сверхмассивной ЧД) испытуемый не заметит ничего необычного, хотя на самом деле пиздец уже не за горами, и назад таки дороги нет. Со временем такой анонимус будет неизбежно затянут в сингулярность с предсказуемым результатом. Причём никакие хитрые манёвры не спасут — время достижения центра в собственной системе отсчёта вполне себе конечно.

Важно отметить следующее: все вышесказанные рассуждения верны для модели Шварцшильда со сферическим распределением массы, то есть для черной дыры, которая не вращается. Но так как большинство космических объектов (звёзд, скоплений, галактик) всё-таки вертится, то по закону сохранения момента импульса умирающая звезда будет хуячить обороты как бешеная

Вполне возможно, что её разорвёт на куски ещё на фазе сжатия, если, скажем, частота вращения превысит 40 оборотов в секунду. Но если ей повезёт, то получится ещё хуже. Дело в том, что если невращающаяся ЧД формально похожа на колодец, то вращающаяся — уже на червоточину, и теоретическая физика не отрицает возможности существования безопасных траекторий внутри оной. Однако сама возможность таких путешествий заставляет физиков всего мира срать кирпичами, а фантастов, соответственно, клепать свои бредни о машинах времени и параллельных вселенных, от которых учёные пуще прежнего рвут волосы на жопе.

Также, благодаря незыблемым законам термодинамики, чёрные дыры имеют свойство «испаряться» сами по себе, особенно мелкие, квантовые (вообще, чем меньше масса, тем сильнее). Высокие перепады сил гравитации (aka приливные силы) обеспечивают вероятность создания в малой окрестности пар частица-античастица, одна из которых проваливается в дыру, а другая улетает наружу, тем самым унося с собой часть массы дыры. Постепенно такая утечка массы и испаряет дыру. И то, согласно квантовой теории гравитации, . Потому что полное исчезновение горизонта ведёт к нарушению принципа причинности, так как непонятно, в каком вообще времени должно оказаться тело, когда вернётся из дыры, если рассматривать его в собственной системе отсчёта.

Впрочем, стоит заметить, что по состоянию на начало 2020 года теории, которая бы объединяла квантовую механику и гравитацию, нет (правда теория струн уже давно является главным кандидатом на неё), поэтому, в общем, хрен знает, что там на самом деле происходит.

Кроме того, существует проблема, связанная с потерей информации. Если вкинуть внутрь ЧД томики Пейсателя (где им и место), книжки разорвет на кванты и засосет. Со временем за счет излучения Хокинга масса уменьшится к первоначальной. И если ленточки из шредера склеить можно, то вот из излучения ничего не соберешь. Получается, что ЧД такой себе добротный биореактор, в котором происходит необратимый процесс переработки информации в хуету. Проблема в том, что если такое происходит на самом деле, то квантовая механика обречена на забвение.

Матан вкл/выкл 

На самом деле чёрные дыры являются одними из самых простых объектов в теорфизике. Для полного описания чёрной дыры необходимо всего лишь 3 числа: масса, заряд и момент импульса. Это, разумеется, не означает, что неебически сложной метрикой, пульсациями, схлопываниями сингулярности и прочими радостями можно пренебречь. Но для стороннего наблюдателя все представители сабжа, у которых одинаковы эти три параметра, будут абсолютно идентичны, о чём, кстати, и говорит эпиграф.

[править] Троллинг

Да-да, а как же без него!

Во-первых, сабжем троллят ученых, в особенности релятивистов. Ну как же, гениальный Эйнштейн создал мудрую теорию, которая не может ошибаться! Или можно прикинуться дилетантом и пороть антинаучную чушь, вызывая гнев даже, казалось бы, спокойных персонажей. Впрочем, их троллинг уныл и безблагодатен, так как довольно быстро скатывается в матан.

Во-вторых, кошмаром от засасывания в черную дыру журналюги нередко пугают простых обывателей, ничего в данной теме не смыслящих. Особенно случаи учащаются при запуске какой-нибудь исследовательской вундервафли, как коллайдер, например. От этих высеров учёные кусают локти, скрипят зубами, и вообще, хотят переработать их в метан.

И наконец, троллят сами черные дыры, плюя релятивистскими струями в планеты, население которых не верит в их существование.

Как образуются чёрные дыры

Такие большие объекты, как звёзды, обладают большой гравитацией. Вся материя звезды всегда притягивается к центру, но термоядерные реакции не позволяют ей схлопнуться. То есть с одной стороны работает притяжение, а с другой давление, которое удерживает форму звезды.

Самой популярной считается теория, что чёрная дыра — это конечная стадия жизни звезды с очень большой массой, превышающей как минимум массу 20 Солнц. Когда внутри такой звезды прекращаются термоядерные реакции (заканчивается топливо), то под действием своей огромной гравитации она ускоренно сжимается в нейтронную звезду. В зависимости от своей начальной массы, она может остаться сверхплотной нейтронной звездой либо продолжить сжиматься с такой силой, что даже свет не сможет покинуть её пределы — это и будет чёрная дыра.

Рекомендуем: Что такое магнитная буря

Существует и другой сценарий, когда все те же процессы происходят с межзвёздным газом, находящимся на стадии превращения в галактику или какое-то скопление. Если внутреннее давление не может компенсировать гравитацию, то вся материя начинает сжиматься, что приводит к образованию чёрной дыры.

Какая самая большая черная дыра?

Черная дыра в галактике Андромеды (M81)

M87*

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.

В квазарах

Связь с теорией относительности

Черные дыры являются одним из самых удивительных предсказаний А. Эйнштейна. Известно, что сила тяготения, которая создается на поверхности любой планеты, обратно пропорциональна квадрату ее радиуса и прямо пропорциональна ее массе. Для этого небесного тела можно определить понятие второй космической скорости, которая необходима, чтобы преодолеть эту силу тяготения. Для Земли она равна 11 км/сек. Если же масса небесного тела будет увеличиваться, а диаметр – наоборот, уменьшаться, то вторая космическая скорость со временем может превысить скорость света. И поскольку, согласно теории относительности, никакой объект не может двигаться быстрее скорости света, то образуется объект, не дающий ничему вырваться за его пределы.

В 1963 году учеными были обнаружены квазары – космические объекты, являющиеся гигантскими источниками радиоизлучения. Располагаются они очень далеко от нашей галактики – их удаленность составляет миллиарды световых лет от Земли. Чтобы объяснить чрезвычайно высокую активность квазаров, ученые ввели гипотезу о том, что внутри них располагаются черные дыры. Эта точка зрения сейчас является общепринятой в научных кругах. Исследования, которые проводились в течение последних 50 лет, не только подтвердили данную гипотезу, но и привели ученых к выводу о том, что черные дыры есть в центре каждой галактики. В центре нашей галактики также есть такой объект, его масса составляет 4 миллиона солнечных масс. Эта черная дыра носит название «Стрелец А», и поскольку она расположена ближе всего к нам, ее больше всего исследуют астрономы.