Черная дыра – удивительное явление, встречающееся во Вселенной. Оно представляет большой интерес для ученых, однако в процессе его изучения они сталкиваются со многими трудностями. Тем не менее, современные технологии позволяют не только построить теории об устройстве черных дыр, но и проверить их на практике. Более того, в 2019-ом году ученым даже удалось сделать первую в мире фотографию, на которой изображен данный космический объект.
Что такое черная дыра?
Это может показаться странным, но черные дыры являются самыми простыми объектами во Вселенной в плане характеристик. У них есть лишь два параметра: скорость вращения и масса. В астрофизике считается, что они являются финальным этапом эволюции звезд. Когда жизненный цикл светила подходит к концу, оно взрывается, а его центр превращается в черную дыру.
Поверхность новообразованного небесного тела называется горизонтом событий. Но нужно понимать, что у черной дыры отсутствует физическая оболочка. Под данным термином подразумевается лишь пространство на определенном расстоянии от центра, где заканчивается действие силы притяжения. Когда объект или свет пересекает горизонт событий, он уже не может выбраться из черной дыры, поскольку оказывается в сильном гравитационном поле.
Почему черные дыры так называются?
Изначально данные космические объекты назывались коллапсарами. Однако в XX веке журналисты научных изданий начали использовать словосочетание “черная дыра”. Оно так сильно понравилось физику Джону Уиллеру, что он вывел его на уровень официального обозначения.
Черные дыры получили такое название, поскольку полностью поглощают свет, из-за чего их нельзя увидеть. Разглядеть объект можно лишь в том случае, если вокруг горизонта событий находится оболочка из определенного вещества, например, газа. Также черная дыра хорошо заметна, если она впитывает вещество и энергию из расположенной рядом звезды. В противном случае обнаружить ее не удасться, поскольку она будет невидима для человеческого глаза и приборов.
Хоть данные объекты и поглощают свет полностью, никак его не отражая, есть гипотеза, что они могут обладать излучением. Во время своего существования черная дыра способна испускать в пространство разные простейшие частицы, большую часть которых составляют фотоны. С физической точки зрения этот процесс напоминает постепенное испарение. На данный момент это явление не доказано, и существует лишь гипотетическая модель. Ученые называют его излучением Хокинга.
Видимыми черные дыры становятся, когда сталкиваются друг с другом. От них в пространство начинают исходить заметные гравитационные волны.
Как появляются черные дыры?
Появление черных дыр напрямую зависит от их массы. По этому параметру они разделяются на две категории: околосолнечные – их вес равен нескольким Солнцам, и массивные – у них данный параметр в миллионы раз больше.
Исследования показывают, что околосолнечные черные дыры имеют большой возраст и скорее всего появились на ранних этапах формирования Вселенной. Они образовались в результате сжатия звезд, размеры которых в 25-70 раз превышают габариты Солнца. Когда светило прекращало уменьшаться, оно взрывалось, а его центр превращался в черную дыру.
Массивные объекты в большинстве случаев образуются из гигантских газовых облаков. Массы последних как раз хватает, чтобы сформировалась черная дыра больших размеров, которая весит в миллионы раз больше Солнца. На территории Млечного Пути существует одна из таких под названием Стрелец А*. Она находится в 26 тысячах световых лет от Солнечной системы. Эта черная дыра появилась примерно в то же время, что и галактика, и располагается в ее центре. Основным материалом для нее послужило газовое облако, которое сжалось до малых размеров. Также есть версия, что черная дыра в Млечном Пути появилась после взрыва звезды гигантских размеров.
На протяжении своего существования оба вида объектов притягивают из пространства вещества, которые пересекают их горизонт событий. Из-за этого габариты черной дыры постепенно увеличиваются. Более того, если поглощение происходит лишь с одной стороны, она начинает вращаться в определенную сторону.
Какой формы черная дыра?
Все черные дыры вращаются вокруг своей оси. И от скорости напрямую зависит их внешний вид. Если движение происходит медленно, то форма объекта будет сферической. Но когда черная дыра вращается с большой скоростью, ее полюса сплющиваются, из-за чего она становится овальной.
На данный момент современных технологий хватает на то, чтобы определить форму объекта. Но ученым до сих пор не удается узнать, что находится в центре черной дыры. Известно, что там не действуют физические законы, а кривизна пространства стремится к бесконечности. Пока самым распространенным мнением считается, что внутри черной дыры находится сингулярность.
Структура и физика черных дыр
Любая черная дыра имеет два основных элемента. Горизонт событий – границу, при пересечении которой объект гарантированно окажется в гравитационном поле, и сингулярность. Последняя наполняет внутреннюю область. Ученые до сих пор не могут определить, что именно находится в ней. Известно, что внутри искажается время и пространство, не действуют законы физики.
Когда черная дыра вращается, вокруг горизонта событий появляется эргосфера. Находящиеся в этой области объекты также движутся в этом направлении. Однако притяжение действует недостаточно сильно, чтобы затягивать их в сингулярность. Соответственно, объекты могут покинуть эргосферу.
Виды черных дыр
Изучение Вселенной позволило ученым выявить четыре вида черных дыр, обладающих определенными особенностями.
Черные дыры звездных масс
Этот вид черных дыр появляется после выгорания топлива в звезде. Когда термоядерная реакция внутри светила прекращается, оно начинает остывать и сжиматься из-за сильной гравитации. Если на определенном этапе процесс остановится, то объект превратится в нейтронную звезду. Но если он продолжится, то в конечном итоге из-за гравитационного коллапса светило станет черной дырой.
Сверхмассивные черные дыры
Представители данного класса обладают гигантскими размерами и большой массой. Не так давно американские ученые доказали, что данные объекты обладают гораздо большим весом, чем считалось ранее. Например, по предварительным оценкам, масса черной дыры, расположенной в центре галактики М87, равнялась трем миллиардам солнечных. Но более детальные исследования показали, что этот параметр значительно выше. Для того, чтобы черная дыра способствовала вращению звезд в галактике, она должна весить 6,5 млрд солнечных масс.
Сверхмассивные черные дыры могут появляться как из звезд, так и из газовых облаков. При этом они поглощают большое количество материала из пространства, продолжая наращивать вес и габариты.
Первичные черные дыры
Существование первичных черных дыр во Вселенной пока не доказано. Считается, что если на ранних этапах формирования космоса в гравитационных полях возникали колебания и появлялись сильные отклонения в их однородности, это могло способствовать образованию подобных объектов. Если первичные черные дыры существуют, то они обладают небольшой массой, которая может быть даже меньше, чем у Солнца.
Квантовые черные дыры
Квантовые черные дыры должны образовываться в результате ядерных реакций, в которых задействовано большое количество энергии, равное 10^26 эВ и более. Однако на данный момент человечество не способно преодолеть данный порог, поэтому этот тип объектов имеет лишь теоретическое существование.
Считается, что получить квантовую черную дыру можно в результате столкновения протонов. И если во время процесса выделится много энергии, его результатом станет появление простейшей частицы – максимона. Ее и можно будет считать квантовой черной дырой. Радиус объекта будет примерно 10^-35 м, а масса 10^-5 г, что делает максимон самой тяжелой элементарной частицей.
Сколько черных дыр в нашей галактике?
Обнаружение черных дыр – довольно сложный процесс, требующий долгого наблюдения за космосом и сбора множества данных. Более того, многие подобные объекты остаются незаметными до тех пор, пока не начнут поглощать вещество, находящееся в близлежащем пространстве.
На территории Млечного Пути обнаружено в районе десяти черных дыр, за которыми регулярно ведется наблюдение. Однако внутри галактики могут существовать миллионы подобных небесных тел, причем среди них будут встречаться как небольшие, так и сверхмассивные.
В 2005-ом году была обнаружена неоднородная область, которая постепенно перемещается вокруг центра галактики. Полученные данные указывают на то, что в этом участке Млечного Пути может находиться до 20-ти тысяч черных дыр.
Несколько лет назад японские астрономы открыли объект, расположенный возле Стрельца А*. Его масса равна 100 тыс. солнечным, а диаметр составляет 0,3 световых года. Он также может являться черной дырой.
Самая большая черная дыра
Самая крупная черная дыра, известная человечеству, носит название FSRQ блазар, находится в галактике S5 0014+81 и выполняет роль ее ядра. Объект отдален от Солнечной системы на 12 млрд световых лет.
Вес небесного тела составляет 40 млрд солнечных масс, а диаметр примерно 0,026 световых лет. Возраст FSRQ блазар равен примерно 12 млрд лет. Это означает, что она появилась всего лишь спустя полтора миллиарда лет с момента появления Вселенной.
Изучив небесное тело, ученые пришли к выводу, что его ресурсов хватит для того, чтобы просуществовать до эпохи черных дыр и стать одним из последних объектов в космосе. Под данной эпохой подразумевается один из сценариев развития будущего Вселенной, когда практически все звезды галактик погаснут, и большинство из них превратится в черные дыры.
Зачем изучают черные дыры, и сколько их открыто?
Ученые занимаются изучением черных дыр, поскольку множество свойств Вселенной связано с этими объектами. Они служат центрами галактик и способствуют их вращению. Столкновение черных дыр образует гравитационные волны. Отдельный интерес представляет пространство внутри, которое не подчиняется законам физики. Изучение черных дыр позволяет лучше понять принципы устройства космоса.
На данный момент астрономами обнаружено и изучено в районе десяти дыр. Также ведется наблюдение за большим количеством объектов, которые обладают похожими свойствами. Но имеющейся информации недостаточно, чтобы доказать их принадлежность к классу черных дыр.
Что будет, если попасть в черную дыру?
Если человек окажется в черной дыре, то ничего хорошего с ним явно не случится. Когда любой объект проходит через горизонт событий, он оказывается под влиянием сильного гравитационного поля. Из-за этого с одной стороны его начинает сильно растягивать, а с другой – сплющивать. Данный процесс будет продолжаться до тех пор, пока предмет не разделится на атомы и не сольется с сингулярностью.
Могут ли черные дыры столкнуться друг с другом?
Черные дыры могут столкнуться, но для этого требуется, чтобы они оказались на небольшом расстоянии друг от друга. Чаще всего данный процесс можно наблюдать после угасания двойной звезды. Когда оба светила, расположенных на небольшом расстоянии, превращаются в черные дыры, последние начинают сближение и сталкиваются.
Также это явление возможно при слиянии галактик. Во время этого процесса две дыры из разных звездных скоплений могут оказаться рядом и столкнуться. Но такое явление происходит редко, примерно раз в несколько миллиардов лет.
Когда черные дыры сталкиваются друг с другом, начинается процесс слияния, который длится несколько десятков лет. Во время него объекты становятся единым целым, сингулярность внутри них также смешивается. Фактически, после столкновения черных дыр получается одна, но обладающая гораздо большими размерами.
Белые дыры
Белая дыра является полной противоположностью черной. Ее главная особенность заключается в том, что за ее горизонт событий невозможно проникнуть. Белые дыры также принято называть “безмассовыми сингулярностями”, поскольку внутри них отсутствует материя, а сами они ничего не весят.
Впервые о данных объектах заговорили в 1970-х годах, и с тех пор астрофизики не оставляют надежд найти хотя бы один в космическом пространстве. На данный момент ученые еще ни разу не наблюдали белые дыры, поэтому их существование обусловлено лишь теоретическими данными.
Если черные поглощают свет и не дают ему выбраться за горизонт событий, то белые наоборот, выбрасывают его в пространство с такой силой, что сквозь излучение невозможно прорваться и оказаться внутри. Если такой объект существует в реальности, то он обладает большой яркостью, во много раз превышающей тот же параметр у звезд.
Также есть несколько причин, указывающих на невозможность существования белых дыр. Во-первых, на протяжении своей “жизни” этот объект должен из сингулярности постепенно формироваться в звезду. Получается, он будет испускать в пространство большое количество энергии, но при этом, также и накапливать ее. Это то же самое, если бы горячий объект нагревал пространство вокруг, но и сам сохранял температуру без посторонней помощи. На данный момент такой процесс считается невозможным. Во-вторых, сингулярность внутри белой дыры должна образоваться самостоятельно, а не появиться в результате угасания звезды. Ее спонтанное формирование также считается маловероятным.
Но во вселенной встречаются и намеки на существование белых дыр. К числу таких можно отнести гамма-всплеск. Это явление, во время которого в пространство излучается большое количество энергии.
Как исчезают черные дыры
На данный момент ученые еще ни разу не наблюдали процесс исчезновения черной дыры, поэтому неизвестно, если ли у данного объекта срок существования. Стивен Хокинг выдвинул теорию, в которой попытался объяснить, как может проходить это явление. Оно получило название “испарение черной дыры”.
Суть теории Хокинга строится на появлении виртуальных частиц. Это попарные микроскопические объекты, которые регулярно появляются в вакууме. И если виртуальные частицы образуются на границе горизонта событий, то они разорвутся. Одна полетит к центру черной дыры, а вторая – в сторону от нее. При этом, первая частица будет обладать отрицательной энергией. Это означает, что черная дыра потеряет количество массы, равное ее весу.
И если такая “бомбардировка” будет продолжаться регулярно, то постепенно небесное тело полностью утратит массу и исчезнет. Но данный процесс займет много времени. Однако у данной теории есть противники, поскольку если черная дыра теряет массу при поглощении объекта, утрата должна компенсироваться весом попавшего внутрь вещества.
Почему черная дыра не засасывает галактику
Черные дыры, расположенные в центре галактики, постепенно поглощают находящееся вокруг вещество и увеличивают свой объем. Но еще не зарегистрировано ни одного случая, чтобы хотя бы один объект данного типа полностью засосал внутрь себя целое звездное скопление.
Полное поглощение галактики не происходит из-за закона всемирного тяготения и ряда других причин. Черная дыра обладает гравитационным притяжением, но чем дальше от нее находится объект, тем слабее он ощущает на себе его влияние. Также все небесные тела, расположенные в галактике, вращаются по кругу, что замедляет процесс поглощения. Фактически, в этой ситуации черная дыра выступает в роли Солнца, а галактика – это планеты, которые вращаются вокруг него, но на определенном расстоянии.
Если теория “испарения” верна, то она также может объяснить, почему черная дыра не засасывает все вокруг. Впитав достаточно вещества и энергии, она должна такое же количество выбрасывать в пространство. Соответственно, появляется баланс, при котором поглощение прекращается. Некоторые вещества вблизи черной дыры по-прежнему могут затягиваться внутрь, но большая часть галактики не будет ощущать на себе влияние гравитации.
Почему черная дыра не излучает свет
Черные дыры обладают настолько большими массой и гравитацией, что пространство и время внутри них искривляются. Из-за этого ни один объект, пересекший горизонт событий, не способен выбраться наружу, в том числе и свет. Поэтому у черных дыр отсутствует какое-либо излучение.
