Содержание
- Что такое обычная черная дыра?
- Получается, что по мере старения они наращивают массу?
- А как образуются черные дыры? И из чего они состоят? Отличаются ли от них сверхмассивные черные дыры?
- На какие структурные компоненты делится?
- Раз масса и гравитация сверхмассивной дыры действительно зашкаливает, могут ли они притягивать столько вещества, чтобы образовывать вокруг себя целые галактики?
- Где находятся и что будет, если я в них попаду?
- А почему остановится время?
- А как тогда их ищут?
- Интересные факты
- С чего обычно начинают знакомство с астрономией и черными дырами?
- Видео-обзор научных фактов
Что такое обычная черная дыра?
«Обычная» черна дыра — это такая область пространства-времени, которую не может покинут даже то, что движется со световой скоростью, в том числе, сами кванты света. Это происходит из-за того, что в одной точке собирается слишком много массы и пространство как-бы «продавливается» под её действием.
Получается, что по мере старения они наращивают массу?
Верно! Под действием гравитации, которую порождает масса, окружающие объекты начинают притягиваться к черной дыре и постепенно «сваливаются» в центр воронки.
А как образуются черные дыры? И из чего они состоят? Отличаются ли от них сверхмассивные черные дыры?
Черные дыры образуются при коллапсе умирающих звезд. Для начала, стоит разобраться, откуда вообще берутся звезды.
Звезды образуются из облаков пыли и газа, которые под действием сил притяжения начинают сближаться и постепенно разогреваться. При сближении атомы и молекулы газопылевого облака сталкиваются и именно за счет этого растет их температура.
Когда частицы разогреваются до невероятно больших температур, а их атомы мечутся с огромной скоростью, некоторые легкие атомы начинают сталкиваться и сливаться.
Самое «популярное» звездное топливо — это изотоп водорода дейтерий.
Именно поэтому внутри любой звезды происходят процессы термоядерного синтеза и основным топливом для них становится водород и его изотопы, потому что они обладают низкой массой и малым зарядом, что позволяет преодолеть силы кулоновского отталкивания.
В звездных ядрах все происходит на огромных скоростях и иногда случается так, что одно ядро как бы оказывается в ядре другого, оно словно проходит по туннелю и сливается с ним, несмотря на силы отталкивания. Это происходит благодаря эффекту, который называется эффектом квантового туннелирования, или туннельным эффектом. Таким образом, ядро постепенно перерабатывает свой водород в гелий.
Конечно, все не так радужно, иначе звезды бы не сжимались!
Окружающая оболочка звезды тоже имеет свою массу и стремится «схлопнуть» звезду, свести всю массу в одну точку. Этому как раз противодействует давление, которое нарастает в бурлящем термоядерным синтезом ядре. Этот процесс мы сможем сравнить с шариком: на него действует атмосферное давление, но воздух внутри не дает шарику сдуться.
Однако, ничто не вечно над Луной: когда водород в ядре заканчивается, звезда малых размеров начинает сужаться, её больше ничто не сдерживает, потому что внутри ничего не горит, из шарика выходит воздух. После того, как звезда сжалась, она обычно образует белого карлика.
Рассмотрим сценарий, в котором образуется черная дыра поподробнее!
Когда ничто не мешает звезде схлопнуться, она под действием собственной гравитации начинает сжиматься и искривлять этим пространство. В один момент пространство сжимается настолько, что его объем становится нулевым, так как образуется точка с бесконечной плотностью.
Такая точка называется гравитационной сингулярностью (не стоит путать со всеми остальными сингулярностями). Через эту точку уже невозможно провести прямую линию пространства и вблизи неё перестают действовать очень многие физические законы.
Всё! Черная дыра полностью готова!
На какие структурные компоненты делится?
Черная дыра состоит из горизонта событий, аккреционного диска и сингулярности. Что такое сингулярность мы уже разобрались, теперь поговорим о горизонте событий и аккреции.
Горизонт событий — это область, которую свет не может покинуть, поэтому мы не видим того, что в нем скрыто. Похожее правило будет работать и внутри черной дыры: поскольку свет не может из неё выйти, для наблюдателя, находящегося внутри будет невозможным посмотреть, что находится снаружи.
Теперь перейдем к аккреционному диску
Аккреция — это явление, при котором массивный объект за счет своей гравитации притягивает другие объекты и за счет этого становится еще больше.
Аккреционный диск же, это светящийся диск раскаленного вещества вокруг черной дыры. Сингулярность в ней притягивает окружающие дыру облака пыли и газа, а те, сталкиваясь друг с другом и попадая в «воронку», начинают двигаться вокруг черной дыры и разогреваться, а затем и светиться.
Раз масса и гравитация сверхмассивной дыры действительно зашкаливает, могут ли они притягивать столько вещества, чтобы образовывать вокруг себя целые галактики?
Ответ: да, могут, и это, кстати, одна из гипотез формирования галактик. В центре нашего Млечного Пути находится черная дыра массой в 4 миллиона солнечных. Именно её 10 апреля 2019 года сфотографировал орбитальный аппарат Event Horizon Telescope, подарив миру первую качественную фотографию тени черной дыры!
Где находятся и что будет, если я в них попаду?
- По состоянию на 2018 год самая тяжёлая сверхмассивная чёрная дыра находится в квазаре TON 618 в созвездии Гончих Псов на расстоянии 10,37 млрд световых лет от Солнца. Её масса составляет 66 млрд M⊙.
- В созвездии Кита в 700 млн св. лет от Солнца, в центре галактики Holmberg 15A. Имеет массу равную примерно 40±8 млрд масс Солнца.
- В созвездии Рака расположен квазар OJ 287, являющийся системой из двух черных дыр, большая из которых имеет массу равную 18 млрд M⊙, фактически массу небольшой галактики.
- В галактике Млечный Путь расположена сверхмассивная черная дыра Стрелец А, имеющая массу 4,297 ± 0,042 млн M⊙ и расположенная на расстоянии 27,00 ± 0,10 тыс. св. лет от Солнца.
- В созвездии Волосы Вероники в галактике NGS 4889 расположена черная дыра, имеющая массу в 21 млрд масс Солнца.
- В созвездии Персея в галактике NGC 1277 сингулярность составляет 14% от массы всей галактики — это 17 млрд M⊙ (солнечных масс).
- Сверхмассивная черная дыра расположена и в созвездии Большой Медведицы, её имя — Q0906+6930 и она имеет массу в 10 миллиардов Солнц.
Если вы однажды попадете в достаточно массивную черную дыру, то вероятнее всего, время для вас просто закончится, однако существует гипотеза, согласно которой черная дыра — это не воронка, а колодец, на другой стороне которого есть проход в другую вселенную или на другой край нашей Вселенной. Такие черные дыры называются кротовыми норами, но есть и мосты Эйнштейна-Розена.
Мост Эйнштейна-Розена — это непроходимая кротовая нора, которая по середине будто-бы стянута «ниткой».
Но если вы все-таки угодили в черную дыру, а не в кротовую нору, то вероятнее всего, ваш космический корабль разломится пополам, а вас самого расплющит в макаронину. Такие дела.
А почему остановится время?
Потому что согласно эффекту Доплера и специальной теории относительности, вблизи массивных объектов время замедляется, а около точки с бесконечной плотностью и почти бесконечной массой, время практически остановится. Это называется гравитационное замедление времени.
А как тогда их ищут?
Обычно по гравитационным линзам — искажениям света под действием гравитации, или по колоссальному количеству массы в сравнительно малых объемах.
Интересные факты
- Когда выяснилось, что черные дыры обладают всего тремя характеристиками — массой, электрическим зарядом и угловым моментом, физик Джон Уилер на одном из интервью обронил фразу, что «у черных дыр нет волос», имея в виду то, что вся прочая информация о черной дыре и звезде-предшественнице исчезает за горизонтом событий и становится недоступной для наблюдения, то есть метафорические «волосы» становится не видно. Позднее он уточнил, что эту фразу придумал физик-теоретик из Израиля Яаков Бекенштейн, который, к слову, первым в мире высказал идеи применения термодинамики к черным дырам.
- Когда в начале 20 века был предложен термин «черная дыра», французские ученые сочли его непристойным.
- Одна из лекций Стивена Хокинга на тему черных дыр называлась «Черные дыры не такие черные, как их малюют», а соответствующая глава книги — «Черные дыры не такие уж и черные».
- Черные дыры могут испарятся. Это происходит благодаря излучению Хокинга.
С чего обычно начинают знакомство с астрономией и черными дырами?
Ответ: с физики, астрономии и астрофизики, которая как раз и изучает гравитационные искажения. Но конечно, для начала стоит попробовать научно-популярную литературу, написанную экспертами.
Может подойти Стивен Хокинг, Роджер Пенроуз, Яков Перльман и, например, Вейнберг С. «Гравитация и космология».
