Черная дыра

Черная дыра

Черная дыра

Черные дыры – астрофизические объекты, которые создают настолько большую силу притяжения, что никакие частицы не могут оторваться на их поверхности. Поиски черных дыр во Вселенной – одна из актуальных задач астрофизики. Предполагают, что черные дыры могут быть невидимыми компонентами некоторых двойных систем. Обнаружить их при этом можно по рентгеновскому излучению, которое возникает вследствие перетекания газа в черной дыры с соседней (обычной) звезды. Предполагают также, что в ядрах активных Галактик и квазарах могут быть сверхмассивные черные дыры.
Сам термин был придуман Джон Арчибальд Уилер в конце 1967 года и впервые применен в публичной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное (Our Universe: the Known and Unknown)» 29 декабря 1967.
Гравитационные искажения, вызванные черной дырой перед Великой Магеллановых Облаком (художественное изображение) Рисунок художника: аккреционный диск горячей плазмы, который вращается вокруг черной дыры. Лаплас в 1787 впервые рассчитал размер тела с плотностью воды, на поверхности которого вторая космическая скорость равна скорости света. Такое тело для внешнего наблюдателя было бы абсолютно черным.
В 1916 Шварцшильд нашел решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна для сферичносиметричного тела. По ОТО, если размер тела не превышает гравитационного радиуса , Тело своим притяжением будет захватывать свет и любую другую материю. Гравитационный радиус для Солнца составляет 3 км, а для массивных звезд до 200 км.
В 1930-х при построении теории эволюции звезд было показано, что звезды с массой более 3 массы Солнца на конечной стадии своей эволюции непременно должны коллапсировать (сжиматься) до гравитационного радиуса. В 1967 Джон Уилер назвал такие коллапсара «черными дырами».
В 1960-х были открыты галактики с активными ядрами – квазары, радиогалактики и другие. Для объяснения их излучения была построена модель аккреции (падения) вещества на гигантскую (размером более миллиона километров) черную дыру в центре галактики.
В 1970-х Стивен Хокинг теоретически предсказал квантовое излучение микроскопических черных дыр (размером меньших атомное ядро). Такие черные дыры могли образоваться в момент Большого Взрыва и остаться до наших дней. Первичные черные дыры наблюдать невозможно, поэтому они остаются гипотетическими.
В 2000-х годах установлено, что в центре практически каждой галактики находится черная дыра, а также ту особую роль, которую играют черные дыры в образовании галактик.
Ергосфера представляет собой эллипсоид вне горизонта событий, объекты в нем не могут находиться в состоянии покоя. Черная дыра может иметь три физические параметры: массу, электрический заряд и момент импульса. Вокруг черной дыры можно построить мысленную поверхность, из-под которой не может выходить излучение, такая поверхность называется горизонтом событий. Область пространства-времени вблизи черной дыры, расположенной между горизонтом событий и пределом статичности называется ергосферою. Объекты, находящиеся в пределах ергосферы, неизбежно вращаются вместе с черной дырой за счет эффекта Ленза – Тирринга. Ергосфера имеет форму сфероида, меньшая полуось которого равна радиусу горизонта событий, большая – удвоенному радиусу. В недрах черной дыры кривизна силы гравитации достигает бесконечности в области, которая называется сингулярностью. Для черных дыр которые не обращаются сингулярность имеет форму точки. Сингулярность черной дыры, которая вращается, имеет форму кольца.
Черные дыры звездных масс наблюдаются в составе тесных двойных систем. Вещество звезды-спутника перетекает в черную дыру по спирали. При этом образуется аккреционный диск, который излучает в рентгеновском и гамма-диапазонах. Первая черная дыра была открыта в 1967 в созвездии Лебедя. До 2004 г. рентгеновский космический телескоп RXTE достоверно обнаружил 15 черных дыр в двойных звездных системах в нашей галактике.
Массы гигантских черных дыр определяют по скоростям звезд в ядрах галактик. На 2004 г. таким образом определенные массы центральных черных дыр в 30 галактиках, в том числе и в нашей.
Также черные дыры могут быть обнаружены благодаря явлению гравитационного линзирования (при прохождении черной дыры между обычной звездой и наблюдателем, происходит визуальное увеличение яркости звезды, поскольку гравитационное поле черной дыры искривляет световые лучи). Это явление также называют кольцами Эйнштейна.
Поскольку наблюдаются черные дыры звездных масс до 20 масс солнца и сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик с массой более 2 миллионов масс солнца, встает вопрос, во вселенной черные дыры промежуточных масс, с массой несколько тысяч масс солнца? Лучшим наблюдательным свидетельством о существовании таких черных дыр является ультраярких рентгеновские источники, наблюдающиеся во многих галактиках как близких к нам так и в отдаленных. Если объяснять эти источники, как результат аккреции вещества на черную дыру, то по характеру аккреции можно сделать предположение о массе черной дыры.
Черные дыры промежуточных масс могут образовываться в центре шарового скопления, кроме того они могут быть в гало галактики. Такие объекты могут наблюдаться благодаря гравитационного микролинзирования: если черная дыра промежуточной массы с гало галактики окажется на луче зрения к какой звезды, то будет наблюдаться вспышка звезды, по характеру которого можно определить массу черной дыры. Сейчас проводят такие наблюдения, но черные дыры промежуточных масс пока не обнаружено.
Механизмы образования черных дыр промежуточных масс:
1) Образование черной дыры во время Великого взрыва в ранней вселенной. Во время Большого взрыва могли образоваться первини черные дыры любых масс, в том числе и многие тысячи масс солнца.
2) Остатки звезд третьего типа населения. Заре третьего типа населения – это первые звезды во вселенной, которые возникли в первые сотни миллионов лет его существования. Они имели большие массы могло привести к образованию достаточно массивных черных дыр.
3) Столкновение звезд и черных дыр в шаровом звездном скучены. Также черные дыры промежуточных масс могут существовать в ядрах галактик. При образовании галактики вещество коллапсирует и в ее центре могут образовываться черные дыры промежуточных масс, из которых со временем образуется гигантская сверхмассивная черная дыра.
Альтернативные объяснения ультраярких рентгеновских источников. Вместо черных дыр промежуточных масс ультраякрави рентгеновские источники могут объясняться с помощью явления микроблазара. Микроблазар-это двойная система с черной дырой звездной массы в которой есть акреацийний диск и джет (струя вещества вдоль оси вращения черной дыры) причем этот джет направлен на наблюдателя (на нашу галактику, на солнечную систему). Также ультраярких рентгеновские источники могут объясняться супер-Едингтонивським излучением, в результате аккреции вещества на черную дыру звездной массы, но эти модели недостаточно развиты.
Место черных дыр промежуточных масс:
1) Образование сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик.
2) Черные дыры промежуточных масс могут быть источниками гравитационных волн. Если будут зарегистрированы гравитационные волны, то с помощью них можно будет напрямую открыть черные дыры промежуточных масс.

Просмотров: 4021

Черные дыры: история открытия самых загадочных объектов во Вселенной, которые мы никогда не увидим

«Научная фантастика может быть полезной — она стимулирует воображение и избавляет от страха перед будущим. Однако научные факты могут оказаться намного поразительнее. Научная фантастика даже не предполагала наличия таких вещей, как черные дыры»
Стивен Хокинг

В глубинах вселенной для человека таится бесчисленное множество загадок и тайн. Одной из них являются черные дыры – объекты, которые не могут понять даже величайшие умы человечества. Сотни астрофизиков пытаются раскрыть природу черных дыр, однако на данном этапе мы еще даже не доказали их существование на практике.

Кинорежиссеры посвящают им свои фильмы, а среди простых людей черные дыры стали настолько культовым явлением, что их отождествляют с концом света и неминуемой гибелью. Их боятся и ненавидят, но при этом боготворят их и преклоняются перед неизвестностью, которую таят в себе эти странные осколки Вселенной. Согласитесь, быть поглощенным черной дырой – та еще романтика. С их помощью можно путешествовать во времени, а также они могут стать для нас проводниками в другие миры.

На популярности черных дыр часто спекулирует желтая пресса. Найти заголовки в газетах, связанные с концом света на планете из-за очередного столкновения со сверхмассивной черной дырой, не проблема. Гораздо хуже то, что малограмотная часть населения все воспринимает это всерьез и поднимает настоящую панику. Чтобы внести толику ясности, мы отправимся в путешествие к истокам открытия черных дыр и попытаемся понять, что же это такое и как к этому относиться.

Невидимые звезды

Так уж сложилось, что современные физики описывают устройство нашей Вселенной с помощью теории относительности, которую человечеству в начале 20 века заботливо предоставил Эйнштейн. Тем более загадочными становятся черные дыры, на горизонте событий которых прекращают действовать все известные нам законы физики и эйнштейновская теория в том числе. Это ли не прекрасно? К тому же, догадку о существовании черных дыр высказали задолго до рождения самого Эйнштейна.

В 1783 году в Англии наблюдался значительный рост научной активности. В те времена наука шла бок о бок с религией, они неплохо уживались вместе, а ученых уже не считали еретиками. Более того, научными изысканиями занимались священники. Одним из таких служителей Бога был английский пастор Джон Мичелл, который задавался не только вопросами бытия, но и вполне научными задачами. Мичелл был весьма титулованным ученым: изначально он был преподавателем математики и древнего языкознания в одном из колледжей, а после этого за ряд открытий был принят в Лондонское королевское общество.

Джон Мичелл занимался вопросами сейсмологии, но на досуге любил поразмыслить о вечном и космосе. Так у него родилась идея о том, что где-то в глубинах Вселенной могут существовать сверхмассивные тела с такой мощной гравитацией, что для преодоления силы тяготения такого тела необходимо двигаться со скоростью равной или выше скорости света. Если принять такую теорию за истину, то развить вторую космическую скорость (скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения покидаемого тела) не сможет даже свет, поэтому такое тело останется невидимым для невооруженного глаза.

Свою новую теорию Мичелл обозвал «темными звездами», а заодно попытался вычислить массу таких объектов. Свои мысли по этому поводу он высказал в открытом письме Лондонскому королевскому обществу. К сожалению, в те времена такие изыскания не представляли особой ценности для науки, поэтому письмо Мичелла отправили в архив. Лишь спустя две сотни лет во второй половине 20 века удалось обнаружить его среди тысяч других записей, бережно хранящихся в древней библиотеке.

Первые научные обоснования существования черных дыр

После выхода Общей теории относительности Эйнштейна в свет, математики и физики всерьез взялись за решение представленных немецким ученым уравнений, которые должны были рассказать нам много нового об устройстве Вселенной. Тем же решил заняться и немецкий астроном, физик Карл Шварцшильд в 1916 году.

Ученый с помощью своих вычислений пришел к выводу, что существование черных дыр возможно. Также он первым описал то, что впоследствии назвали романтической фразой «горизонт событий» — воображаемую границу пространства-времени у черной дыры, после пересечения которой наступает точка невозврата. Из-за горизонта событий не вырвется ничто, даже свет. Именно за горизонтом событий наступает так называемая «сингулярность», где известные нам законы физики перестают действовать.

Продолжая развивать свою теорию и решая уравнения, Шварцшильд открывал для себя и мира новые тайны черных дыр. Так, он смог исключительно на бумаге вычислить расстояние от центра черной дыры, где сконцентрирована ее масса, до горизонта событий. Данное расстояние Шварцшильд назвал гравитационным радиусом.

Несмотря на то, что математически решения Шварцшильда были исключительно верны и не могли быть опровергнуты, научное сообщество начала 20 века не могло сразу принять столь шокирующее открытие, и существование черных дыр было списано на уровень фантастики, которая то и дело проявлялась в теории относительности. На ближайшие полтора десятка лет исследование космоса на предмет наличия черных дыр было медленным, и занимались им единичные приверженцы теории немецкого физика.

Звезды, рождающие тьму

После того, как уравнения Эйнштейна были разобраны по полочкам, настало время с помощью сделанных выводов разбираться в устройстве Вселенной. В частности, в теории эволюции звезд. Ни для кого не секрет, что в нашем мире ничто не вечно. Даже звезды имеют свой цикл жизни, пусть и более долгий, нежели человек.

Одним из первых ученых, которые всерьез заинтересовались звездной эволюцией, стал молодой астрофизик Субраманьян Чандрасекар – уроженец Индии. В 1930 году он выпустил научную работу, в которой описывалось предполагаемое внутреннее строение звезд, а также циклы их жизни.

• Уже в начале 20 века ученые догадывались о таком явлении, как гравитационное сжатие (гравитационный коллапс). В определенный момент своей жизни звезда начинает сжиматься с огромной скоростью под действием гравитационных сил. Как правило, это происходит в момент смерти звезды, однако при гравитационном коллапсе есть несколько путей дальнейшего существования раскаленного шара.

Научный руководитель Чандрасекара Ральф Фаулер – уважаемый в свое время физик-теоретик – предполагал, что во время гравитационного коллапса любая звезда превращается в более мелкую и горячую – белого карлика. Но вышло так, что ученик «сломал» теорию учителя, которую разделяло большинство физиков начала прошлого века. Согласно работе молодого индуса, кончина звезды зависит от ее изначальной массы. Например, белыми карликами могут становиться только те звезды, чья масса не превышала 1.44 от массы Солнца. Это число было названо пределом Чандрасекара. Если же масса звезды превышала этот предел, то она умирает совсем иначе. При определенных условиях, такая звезда в момент смерти может возродиться в новую, нейтронную звезду – еще одну загадку современной Вселенной. Теория относительности же подсказывает нам еще один вариант – сжатие звезды до сверхмалых величин, и вот здесь начинается самое интересное.

В 1932 году в одном из научных журналов появляется статья, в которой гениальный физик из СССР Лев Ландау предположил, что при коллапсе сверхмассивная звезда сжимается в точку с бесконечно малым радиусом и бесконечной массой. Несмотря на то, что такое событие весьма сложно представить с точки зрения неподготовленного человека, Ландау был недалек от истины. Также физик предположил, что согласно теории относительности, гравитация в такой точке будет столь велика, что начнет искажать пространство-время.

Теория Ландау понравилась астрофизикам, и они продолжили ее развивать. В 1939 году в Америке благодаря усилиям двух физиков – Роберта Оппенгеймера и Хартленда Снейдера – появилась теория, подробно описывающая сверхмассивную звезду на момент коллапса. В результате такого события должна была появиться настоящая черная дыра. Несмотря на убедительность доводов, ученые продолжали отрицать возможность существования подобных тел, как и превращение в них звезд. Даже Эйнштейн отстранился от этой идеи, посчитав, что звезда не способна на такие феноменальные превращения. Другие же физики не скупились в высказываниях, называя возможность таких событий нелепыми.
Впрочем, наука всегда достигает истины, стоит лишь немного подождать. Так и получилось.

Самые яркие объекты во Вселенной

Наш мир – совокупность парадоксов. Иногда в нем уживаются вещи, сосуществование которых не поддается никакой логике. Например, термин «черная дыра» не будет ассоциироваться у нормального человека с выражением «невероятно яркий», однако открытие начала 60-х годов прошлого века позволило ученым считать это утверждение неверным.

С помощью телескопов астрофизикам удалось обнаружить неизвестные до того момента объекты на звездном небе, которые вели себя совсем странно несмотря на то, что выглядели, как обычные звезды. Изучая эти странные светила, американский ученый Мартин Шмидт обратил внимание на их спектрографию, данные которой показывали отличные от сканирования других звезд результаты. Проще говоря, эти звезды не были похожи на другие, привычные нам.

Внезапно Шмидта осенило, и он обратил внимание на смещение спектра в красном диапазоне. Оказалось, что эти объекты намного дальше от нас, чем те звезды, что мы привыкли наблюдать в небе. Например, наблюдаемый Шмидтом объект был расположен в двух с половиной миллиардах световых лет от нашей планеты, но светил так же ярко, как и звезда в каких-нибудь сотне световых лет от нас. Получается, свет от одного такого объекта сопоставим с яркостью целой галактики. Такое открытие стало настоящим прорывом в астрофизике. Ученый назвал эти объекты «quasi-stellar» или просто «квазар».

Мартин Шмидт продолжил изучение новых объектов и выяснил, что столь яркое свечение может быть вызвано только по одной причине – аккреции. Аккреция – это процесс поглощения сверхмассивным телом окружающей материи с помощью гравитации. Ученый пришел к выводу, что в центре квазаров находится огромная черная дыра, которая с невероятной силой втягивает в себя окружающую ее в пространстве материю. В процессе поглощения дырой материи, частицы разгоняются до огромных скоростей и начинают светиться. Своеобразный светящийся купол вокруг черной дыры называется аккреационным диском. Его визуализация была хорошо продемонстрирована в киноленте Кристофера Нолана «Интерстеллар», которая породила множество вопросов «как черная дыра может светиться?».

На сегодняшний день ученые нашли на звездном небе уже тысячи квазаров. Эти странные невероятно яркие объекты называют маяками Вселенной. Они позволяют нам чуть лучше представить устройство космоса и ближе подойти к моменту, с которого все началось.

• Несмотря на то, что астрофизики уже много лет получали косвенные доказательства существования сверхмассивных невидимых объектов во Вселенной, термина «черная дыра» не существовало вплоть до 1967 года. Чтобы избежать сложных названий, американский физик Джон Арчибальд Уиллер предложил назвать такие объекты «черными дырами». Почему бы и нет? В какой-то мере они черные, ведь мы их не можем увидеть. К тому же они все притягивают, в них можно упасть, прямо как в настоящую дыру. Да и выбраться из такого места согласно современным законам физики просто невозможно. Впрочем, Стивен Хокинг утверждает, что при путешествии сквозь черную дыру можно попасть в другую Вселенную, другой мир, а это уже надежда.

Страх бесконечности

Из-за излишней таинственности и романтизации черных дыр, эти объекты стали настоящей страшилкой среди людей. Желтая пресса любит спекулировать на неграмотности населения, выдавая в тираж изумительные истории о том, как на нашу Землю движется огромная черная дыра, которая в считанные часы поглотит Солнечную систему, или же просто излучает волны токсичного газа в сторону нашей планеты.

Особенно популярна тема уничтожения планеты с помощью Большого Адронного Коллайдера, который был построен в Европе в 2006 году на территории Европейского совета по ядерным исследованиям (CERN). Волна паники начиналась как чья-то глупая шутка, однако нарастала как снежный ком. Кто-то пустил слух, что в ускорителе частиц коллайдера может образоваться черная дыра, которая поглотит нашу планету целиком. Конечно же, возмущенный народ начал требовать запретить эксперименты в БАК, испугавшись такого исхода событий. В Европейский суд начали поступать иски с требованием закрыть коллайдер, а ученых, создавших его, наказать по всей строгости закона.

На самом деле физики не отрицают, что при столкновении частиц в Большом Адронном Коллайдере могут возникать объекты, похожие по свойствам на черные дыры, однако их размер находится на уровне размеров элементарных частиц, а существуют такие «дыры» столь недолго, что нам даже не удается зафиксировать их возникновение.

Одним из главных специалистов, которые пытаются развеять волну невежества перед людьми, является Стивен Хокинг – знаменитый физик-теоретик, который, к тому же, считается настоящим «гуру» относительно черных дыр. Хокинг доказал, что черные дыры не всегда поглощают свет, который появляется в аккреационных дисках, и его часть рассеивается в пространство. Такое явление было названо излучением Хокинга, или испарением черной дыры. Также Хокинг установил зависимость между размером черной дыры и скоростью ее «испарения» — чем она меньше, тем меньше существует во времени. А это значит, что всем противникам Большого Адронного Коллайдера не стоит переживать: черные дыры в нем не смогут просуществовать и миллионной доли секунды.

Теория, не доказанная практикой

К сожалению, технологии человечества на данном этапе развития не позволяют нам проверить большинство теорий, разработанных астрофизиками и другими учеными. С одной стороны, существование черных дыр довольно убедительно доказано на бумаге и выведено с помощью формул, в которых все сошлось с каждой переменной. С другой, на практике нам пока не удалось увидеть воочию настоящую черную дыру.

Несмотря на все разногласия, физики предполагают, что в центре каждой из галактик находится сверхмассивная черная дыра, которая собирает своей гравитацией звезды в скопления и заставляет путешествовать по Вселенной большой и дружной компанией. В нашей галактике Млечный путь по разным оценкам насчитывается от 200 до 400 миллиардов звезд. Все эти звезды вращаются вокруг чего-то, что обладает огромной массой, вокруг чего-то, что мы не можем увидеть в телескоп. С большой долей вероятности это черная дыра. Стоит ли ее бояться? – Нет, по-крайней мере не в ближайшие несколько миллиардов лет, но мы можем снять про нее еще один интересный фильм.

Метки: вселенная история космос наука относительность физика чернаядыра эйнштейн


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *