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.

Содержание

Что такое черная дыра

Черной дырой в классическом понимании называют область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько сильно, что ее не могут покинуть никакие объекты, движущиеся со скоростью света. Даже кванты самого света.

Граница черной дыры называется горизонтом событий, а ее размер — гравитационным радиусом. Черные дыры притягивают к себе материю, которая образовывает вокруг них аккреционный диск — гигантскую структуру вокруг черной дыры, которая быстро вращается. Именно из-за материи, светящейся во время вращения, ученым и удалось обнаружить существование черных дыр. При этом внутрь черной дыры попадает лишь небольшое количество этой материи, остальное отправляется обратно в космос в виде струи плазмы или джета, траектория которой совпадает с линиями магнитного поля. У некоторыхчерных дыр скорость движения этой плазмы достигает 99% от скорости света.

Как выглядит Черная дыра ее реальный вид, как может уничтожить землю за секунду

Сейчас в астрофизике существует четыре основных сценария образования черных дыр.

— Гравитационный коллапс очень массивной звезды. Согласно этой гипотезе, в конце своей жизни практически любая звезда с массой более трех солнечных, которая уже израсходовала все термоядерные реакции, может превратиться именно в такой тип сверхплотной материи — в нейтронную звезду, которая необходима для возникновения подобного искривленного участка Вселенной. По сути, это звезда, которая схлопывается под собственной тяжестью, увлекает за собой пространственно-временной континуум, находящийся вокруг нее. Гравитационное поле этого объекта становится настолько сильным, что из него не может вырваться даже свет. Поэтому эта область называется черной дырой.

— Коллапс центральной части галактики или области протогалактического газа. По сути, процесс появления черных дыр в этой гипотезе очень похож на первый вариант, только коллапсирует под собственным весом часть галактики, а не отдельная звезда. Эта гипотеза основана на наблюдении ученых, что практически каждая галактика имеет черную дыру в своем центре. Это не сходится с версией о появлении черных дыр из коллапсирующих звезд.

— Появление черных дыр в момент начального расширения Вселенной, так называемые первичные черные дыры. Согласно этой гипотезе, сразу же после Большого взрыва давление и температура в космосе были сверхвысокими. В таких условиях простые колебания плотности материи, например, начало расширения Вселенной, были достаточно значительными, чтобы появились территории с такой гравитацией. При этом большинство областей с высокой плотностью удалилось друг от друга из-за расширения Вселенной. Также космологами высказанопредположение, что первичные черные дыры с массами в диапазоне от 1014 до 1023 кг могут составлять темную материю. Это наиболее тяжелые кандидаты на частицы темной материи.

— Возникновение черных дыр в ядерных реакциях высоких энергий. Подобные реакции используют для изучения частиц в адронных коллайдерах.

Кроме того, черными дырами ученые часто называют объекты, не полностью соответствующие их точному определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к ним. В эту же категорию входят коллапсирующие звезды на поздних стадиях коллапса.

С 1970-х годов в среде астрофизиков существует теория белых дыр — полной противоположности черных дыр, которые не пропускают в себя материю и энергию, а только выбрасывают ее. Согласно математическим расчетам, белые дыры должны выбрасывать энергию и материю в огромном количестве, однако на сегодняшний день ученые не смогли найти доказательство существования этих космических объектов. Существует множество теорий возникновения белых дыр, начиная с того, что белой дырой был Большой взрыв, и заканчивая возникновением этого объекта в результате смерти черной дыры. Подробнее об этом типе космических объектов «Хайтек» подробно рассказывал здесь.

При этом пока неизвестно, что становится с черными дырами после их смерти. Ученые считают, что Вселенная еще слишком молода для разрушения первых из них. Согласно математическим расчетам Стивена Хокинга, черные дыры должны постепенно просто испаряться, отдавая свою энергию в окружающую среду.

Опасность черных дыр

В том же самом месте на небе находится жаркая голубая супергигантская звезда, проявляющаяся в видимом свете и притягиваемая тем или иным образом невидимым, но близким компаньоном в десятки раз тяжелее Солнца. Такой объект величиной с астероид должен быть черной дырой, и его рентгеновское излучение вызывается трением газа и пыли супергиганта, собирающегося вокруг него.

Полагают, черные дыры возникают из коллапсов взрывающихся звезд на стадии сверхновых. Когда гравитация достигает 10 миллиардов, разрушенное вещество и все формы радиации исчезают через «горизонт превращения» или радиус Шварцшильда из нашей вселенной, создавая нечто подобное бездонной яме. Ничто, даже свет, не может ускользнуть от ужасной силы тяжести. Она буквально искажает пространство-время и полностью раздробляет вещество, сводя его к математической единице. Время на гравитационной горе замедляется, а за горизонтом превращения останавливается совсем.

Человек, видимый с внешней поверхности, будет захвачен навечно внутрь и попадает, по-видимому, в некую точку, где все часы останавливаются, будь то биологические или механические.

Если в водоворот радиации и силы тяжести каким-то образом попадет некто, обладающий сознанием, то течение времени для него будет казаться нормальным. Но как только он окажется за горизонтом превращения в глубине черной дыры, он неотвратимо сведется к математической единице.

Причины появления черных дыр

Существует предположение, что черные дыры создаются сверхбольшими давлениями и, находясь поблизости друг от друга, имеют тенденцию объединяться. Это привело к идее «сверхмерных дыр» в галактических центрах. Они постоянно расширяются, поглощая более мелкие черные дыры, образующиеся при переходе звезд в сверхновые, из чего следует вывод, что космос таким образом может быть поглощен в абсолютно безвременную ночь конечной черной дыры. Это согласуется с древнеиндусским мифом о пожарище, спалившем всю Вселенную и превратившем ее в Ночь Брахмана.

Но что же происходит за черной дырой? Космические энергетические фонтаны, так сказать белые дыры, через которые извергается вещество нового творения. Как иначе объяснить высокоэнергетические космические источники, где вещество скорее всего исходит из тонких центральных частей? Это тоже соответствует индусской традиции, что из Брахмана, несотворенной и невыраженной пустоты, возникает новое творение.

Рассуждения о запуске космического корабля в крутящуюся черную дыру, чтобы он вынырнул где- нибудь в другом месте вселенной и начал новое путешествие, и по сей день остаются всего лишь рассуждениями, как и само существование черных дыр…

Образование

Как мы знаем из астрофизики, все звезды (в том числе и наше Солнце) имеют некоторый ограниченный запас топлива. И хотя жизнь звезды может длиться миллиарды лет, рано или поздно этот условный запас топлива подходит к концу, и звезда «гаснет». Процесс «угасания» звезды сопровождается интенсивными термодинамическими реакциями, в ходе которых звезда проходит значительную трансформацию и в зависимости от своего размера может превратиться в белого карлика, нейтронную звезду или же черную дыру. Причем в черную дыру, обычно, превращаются самые крупные звезды, обладающие невероятно внушительными размерами – за счет сжимание этих самых невероятных размеров происходит многократное увеличение массы и силы гравитации новообразованной черной дыры, которая превращается в своеобразный галактический пылесос – поглощает все и вся вокруг себя.

Как выглядит Черная дыра ее реальный вид, как может уничтожить землю за секунду

Черная дыра поглощает звезду.

Маленькая ремарка – наше Солнце по галактическим меркам вовсе не является крупной звездой и после угасания, которое произойдет примерно через несколько миллиардов лет, в черную дыру, скорее всего, не превратиться.

Но будем с вами откровенны – на сегодняшний день, ученые пока еще не знают всех тонкостей образования черной дыры, несомненно, это чрезвычайно сложный астрофизический процесс, который сам по себе может длиться миллионы лет. Хотя возможно продвинуться в этом направлении могло бы обнаружение и последующее изучение так званых промежуточных черных дыр, то есть звезд, находящихся в состоянии угасания, у которых как раз происходит активный процесс формирования черной дыры. К слову, подобная звезда была обнаружена астрономами в 2014 году в рукаве спиральной галактики.

Теория черных дыр

Не смотря на огромную массу (которая в сотни тысяч раз превосходит массу нашего Солнца) и невероятной силы гравитацию увидеть черные дыры в телескоп было не просто, ведь они совсем не излучают света. Ученым удалось заметить черную дыру только в момент ее «трапезы» – поглощения другой звезды, в этот момент появляется характерное излучение, которое уже можно наблюдать. Таким образом, теория черной дыры нашла фактическое подтверждение.

Озарение Джона Мичелла

Имя Джона Мичелла, физика, астронома и геолога, профессора Кембриджского университета и пастора англиканской церкви, совершенно незаслуженно затерялось среди звезд английской науки XVIII века. Мичелл заложил основы сейсмологии — науки о землетрясениях, выполнил превосходное исследование магнетизма и задолго до Кулона изобрел крутильные весы, которые использовал для гравиметрических измерений. В 1783 году он попытался объединить два великих творения Ньютона — механику и оптику. Ньютон считал свет потоком мельчайших частиц. Мичелл предположил, что световые корпускулы, как и обычная материя, подчиняются законам механики. Следствие из этой гипотезы оказалось весьма нетривиальным — небесные тела могут превратиться в ловушки для света.

Как рассуждал Мичелл? Пушечное ядро, выстреленное с поверхности планеты, полностью преодолеет ее притяжение, лишь если его начальная скорость превысит значение, называемое теперь второй космической скоростью и скоростью убегания. Если гравитация планеты столь сильна, что скорость убегания превышает скорость света, выпущенные в зенит световые корпускулы не смогут уйти в бесконечность. Это же произойдет и с отраженным светом. Следовательно, для очень удаленного наблюдателя планета окажется невидимой. Мичелл вычислил критическое значение радиуса такой планеты Rкр в зависимости от ее массы М, приведенной к массе нашего Солнца Ms: Rкр = 3 км*M/Ms.

Джон Мичелл верил своим формулам и предполагал, что глубины космоса скрывают множество звезд, которые с Земли нельзя разглядеть ни в один телескоп. Позже к такому же выводу пришел великий французский математик, астроном и физик Пьер Симон Лаплас, включивший его и в первое (1796), и во второе (1799) издания своего «Изложения системы мира». А вот третье издание вышло в свет в 1808-м, когда большинство физиков уже считали свет колебаниями эфира. Существование «невидимых» звезд противоречило волновой теории света, и Лаплас счел за лучшее о них не упоминать. В последующие времена эту идею считали курьезом, достойным изложения лишь в трудах по истории физики.

Модель Шварцшильда

В ноябре 1915 года Альберт Эйнштейн опубликовал теорию гравитации, которую он назвал общей теорией относительности (ОТО). Эта работа сразу же нашла благодарного читателя в лице его коллеги по Берлинской академии наук Карла Шварцшильда. Именно Шварцшильд первым в мире применил ОТО для решения конкретной астрофизической задачи, расчета метрики пространства-времени вне и внутри невращающегося сферического тела (для конкретности будем называть его звездой).

Из вычислений Шварцшильда следует, что тяготение звезды не слишком искажает ньютоновскую структуру пространства и времени лишь в том случае, если ее радиус намного больше той самой величины, которую вычислил Джон Мичелл! Этот параметр сначала называли радиусом Шварцшильда, а сейчас именуют гравитационным радиусом. Согласно ОТО, тяготение не влияет на скорость света, но уменьшает частоту световых колебаний в той же пропорции, в которой замедляет время. Если радиус звезды в 4 раза превосходит гравитационный радиус, то поток времени на ее поверхности замедляется на 15%, а пространство приобретает ощутимую кривизну. При двукратном превышении оно искривляется сильнее, а время замедляет свой бег уже на 41%. При достижении гравитационного радиуса время на поверхности звезды полностью останавливается (все частоты обнуляются, излучение замораживается, и звезда гаснет), но кривизна пространства все еще конечна. Вдали от светила геометрия по-прежнему остается евклидовой, да и время не меняет своей скорости.

Несмотря на то, что значения гравитационного радиуса у Мичелла и Шварцшильда совпадают, сами модели не имеют ничего общего. У Мичелла пространство и время не изменяются, а свет замедляется. Звезда, размеры которой меньше ее гравитационного радиуса, продолжает светить, однако видна она только не слишком удаленному наблюдателю. У Шварцшильда же скорость света абсолютна, но структура пространства и времени зависит от тяготения. Провалившаяся под гравитационный радиус звезда исчезает для любого наблюдателя, где бы он ни находился (точнее, ее можно обнаружить по гравитационным эффектам, но отнюдь не по излучению).

От неверия к утверждению

Шварцшильд и его современники полагали, что столь странные космические объекты в природе не существуют. Сам Эйнштейн не только придерживался этой точки зрения, но и ошибочно считал, что ему удалось обосновать свое мнение математически.

В 1930-е годы молодой индийский астрофизик Чандрасекар доказал, что истратившая ядерное топливо звезда сбрасывает оболочку и превращается в медленно остывающий белый карлик лишь в том случае, если ее масса меньше 1,4 масс Солнца. Вскоре американец Фриц Цвикки догадался, что при взрывах сверхновых возникают чрезвычайно плотные тела из нейтронной материи; позднее к этому же выводу пришел и Лев Ландау. После работ Чандрасекара было очевидно, что подобную эволюцию могут претерпеть лишь звезды с массой больше 1,4 масс Солнца. Поэтому возник естественный вопрос — существует ли верхний предел массы для сверхновых, которые оставляют после себя нейтронные звезды?

В конце 1930-х годов будущий отец американской атомной бомбы Роберт Оппенгеймер установил, что такой предел действительно имеется и не превышает нескольких солнечных масс. Дать более точную оценку тогда не было возможности; теперь известно, что массы нейтронных звезд обязаны находиться в интервале 1,5−3 Ms. Но даже из приблизительных вычислений Оппенгеймера и его аспиранта Джорджа Волкова следовало, что самые массивные потомки сверхновых не становятся нейтронными звездами, а переходят в какое-то другое состояние. В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер на идеализированной модели доказали, что массивная коллапсирующая звезда стягивается к своему гравитационному радиусу. Из их формул фактически следует, что звезда на этом не останавливается, однако соавторы воздержались от столь радикального вывода.

Окончательный ответ был найден во второй половине XX века усилиями целой плеяды блестящих физиков-теоретиков, в том числе и советских. Оказалось, что подобный коллапс всегда сжимает звезду «до упора», полностью разрушая ее вещество. В результате возникает сингулярность, «суперконцентрат» гравитационного поля, замкнутый в бесконечно малом объеме. (У неподвижной дыры это точка, у вращающейся — кольцо.) Кривизна пространства-времени и, следовательно, сила тяготения вблизи сингулярности стремятся к бесконечности. В конце 1967-го американец Джон Арчибальд Уилер первым назвал такой финал звездного коллапса черной дырой. Новый термин полюбился физикам и привел в восторг журналистов, которые разнесли его по всему миру (хотя французам он сначала не понравился, поскольку выражение trou noir наводило на сомнительные ассоциации).

Чернодырное излучение

Все предыдущие модели были построены исключительно на основе ОТО. Однако наш мир управляется законами квантовой механики, которые не обходят вниманием и черные дыры. Эти законы не позволяют считать центральную сингулярность математической точкой. В квантовом контексте ее поперечник задается длиной Планка-Уилера, приблизительно равной 10−33 сантиметра. В этой области обычное пространство перестает существовать. Принято считать, что центр дыры нафарширован разнообразными топологическими структурами, которые появляются и погибают в соответствии с квантовыми вероятностными закономерностями. Свойства подобного пузырящегося квазипространства, которое Уилер назвал квантовой пеной, еще мало изучены.

Наличие квантовой сингулярности имеет прямое отношение к судьбе материальных тел, падающих в глубь черной дыры. При приближении к центру дыры любой объект, изготовленный из ныне известных материалов, будет раздавлен и разорван приливными силами. Однако даже если будущие инженеры и технологи создадут какие-то сверхпрочные сплавы и композиты с невиданными ныне свойствами, они все равно обречены на исчезновение: ведь в зоне сингулярности нет ни привычного времени, ни привычного пространства.

Как выглядит Черная дыра ее реальный вид, как может уничтожить землю за секунду

Теперь рассмотрим в квантовомеханическую лупу горизонт дыры. Пустое пространство — физический вакуум — на самом деле отнюдь не пусто. Из-за квантовых флуктуаций различных полей в вакууме непрерывно рождается и погибает множество виртуальных частиц. Поскольку тяготение около горизонта весьма велико, его флуктуации создают чрезвычайно сильные гравитационные всплески. При разгоне в таких полях новорожденные «виртуалы» приобретают дополнительную энергию и подчас становятся нормальными долгоживущими частицами.

Виртуальные частицы всегда рождаются парами, которые движутся в противоположных направлениях (этого требует закон сохранения импульса). Если гравитационная флуктуация извлечет из вакуума пару частиц, может случиться так, что одна из них материализуется снаружи горизонта, а вторая (античастица первой) — внутри. «Внутренняя» частица провалится в дыру, а вот «внешняя» при благоприятных условиях может уйти. В результате дыра превращается в источник излучения и поэтому теряет энергию и, следовательно, массу. Поэтому черные дыры в принципе нестабильны.

Этот феномен называется эффектом Хокинга, в честь замечательного английского физика-теоретика, который его открыл в середине 1970-х годов. Стивен Хокинг, в частности, доказал, что горизонт черной дыры излучает фотоны точно так же, как и абсолютно черное тело, нагретое до температуры T = 0,5*10−7*Ms/M. Отсюда следует, что по мере похудания дыры ее температура возрастает, а «испарение», естественно, усиливается. Этот процесс чрезвычайно медленный, и время жизни дыры массы M составляет около 1065*(M/Ms)3 лет. Когда ее размер становится равным длине Планка-Уилера, дыра теряет стабильность и взрывается, выделяя ту же энергию, что и одновременный взрыв миллиона десятимегатонных водородных бомб. Любопытно, что масса дыры в момент ее исчезновения все еще довольно велика, 22 микрограмма. Согласно некоторым моделям, дыра не исчезает бесследно, а оставляет после себя стабильный реликт такой же массы, так называемый максимон.

Глубины космоса

Черные дыры не противоречат законам физики, но существуют ли они в природе? Совершенно строгих доказательств наличия в космосе хоть одного подобного объекта пока нет. Однако весьма вероятно, что в некоторых двойных системах источниками рентгеновского излучения являются черные дыры звездного происхождения. Это излучение должно возникать вследствие отсасывания атмосферы обычной звезды гравитационным полем дыры-соседки. Газ во время движения к горизонту событий сильно нагревается и испускает рентгеновские кванты. Не меньше двух десятков рентгеновских источников сейчас считаются подходящими кандидатами на роль черных дыр. Более того, данные звездной статистики позволяют предположить, что только в нашей Галактике существует около десяти миллионов дыр звездного происхождения.

Черные дыры могут формироваться и в процессе гравитационного сгущения вещества в галактических ядрах. Так возникают исполинские дыры с массой в миллионы и миллиарды солнечных, которые, по всей вероятности, имеются во многих галактиках. Судя по всему, в закрытом пылевыми облаками центре Млечного Пути прячется дыра с массой 3−4 миллиона масс Солнца.

Стивен Хокинг пришел к выводу, что черные дыры произвольной массы могли рождаться и сразу после Большого Взрыва, давшего начало нашей Вселенной. Первичные дыры массой до миллиарда тонн уже испарились, но более тяжелые могут и сейчас скрываться в глубинах космоса и в свой срок устраивать космический фейерверк в виде мощнейших вспышек гамма-излучения. Однако до сих пор такие взрывы ни разу не наблюдались.

Фабрика черных дыр

А нельзя ли разогнать частицы в ускорителе до столь высокой энергии, чтобы их столкновение породило черную дыру? На первый взгляд, эта идея просто безумна — взрыв дыры уничтожит все живое на Земле. К тому же она технически неосуществима. Если минимальная масса дыры действительно равна 22 микрограммам, то в энергетических единицах это 1028 электронвольт. Этот порог на 15 порядков превышает возможности самого мощного в мире ускорителя, Большого адронного коллайдера (БАК), который будет запущен в ЦЕРНе в 2007 году.

Однако не исключено, что стандартная оценка минимальной массы дыры значительно завышена. Во всяком случае, так утверждают физики, разрабатывающие теорию суперструн, которая включает в себя и квантовую теорию гравитации (правда, далеко не завершенную). Согласно этой теории, пространство имеет не три измерения, а не менее девяти. Мы не замечаем дополнительных измерений, поскольку они закольцованы в столь малых масштабах, что наши приборы их не воспринимают. Однако гравитация вездесуща, она проникает и в скрытые измерения. В трехмерном пространстве сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, а в девятимерном — восьмой степени. Поэтому в многомерном мире напряженность гравитационного поля при уменьшении дистанции возрастает намного быстрее, нежели в трехмерном. В этом случае планковская длина многократно увеличивается, а минимальная масса дыры резко падает.

Теория струн предсказывает, что в девятимерном пространстве может родиться черная дыра с массой всего лишь в 10−20 г. Примерно такова же и расчетная релятивистская масса протонов, разогнанных в церновском суперускорителе. Согласно наиболее оптимистическому сценарию, он сможет ежесекундно производить по одной дыре, которая проживет около 10−26 секунд. В процессе ее испарения будут рождаться всевозможные элементарные частицы, которые несложно зарегистрировать. Исчезновение дыры приведет к выделению энергии, которой не хватит даже для того, чтобы нагреть один микрограмм воды на тысячную градуса. Поэтому есть надежда, что БАК превратится в фабрику безвредных черных дыр. Если эти модели верны, то такие дыры смогут регистрировать и орбитальные детекторы космических лучей нового поколения.

Все вышеописанное относится к неподвижным черным дырам. Но существуют и вращающиеся дыры, обладающие букетом интереснейших свойств. Результаты теоретического анализа чернодырного излучения привели также к серьезному переосмыслению понятия энтропии, которое заслуживает отдельного разговора.

Свойства

Как выглядит Черная дыра ее реальный вид, как может уничтожить землю за секунду

Основное свойство черно дыры – это ее невероятные гравитационные поля, не позволяющие окружающему пространству и времени оставаться в своем привычном состоянии. Да, вы не ослышались, время внутри черной дыры протекает в разы медленнее чем обычно, и окажись вы там, то вернувшись обратно (если б вам так повезло, разумеется) с удивлением бы заметили, что на Земле прошли века, а вы даже состариться не успели. Хотя будем правдивы, окажись внутри черной дыры вы вряд ли бы выжили, так как сила гравитации там такая, что любой материальный объект просто разорвала бы даже не на части, на атомы.

А вот окажись вы даже поблизости черной дыры, в пределах действия ее гравитационного поля, то вам тоже пришлось бы не сладко, так как, чем сильнее вы бы сопротивлялись ее гравитации, пытаясь улететь подальше, тем быстрее бы упали в нее. Причинной этому казалось бы парадоксу является гравитационное вихревое поле, которым обладают все черные дыры.

Сколько черных дыр во Вселенной?

Никто не знает, поскольку наблюдать их достаточно сложно, и человечество пока находится только в самом начале изучения этих космических объектов. Точно известно, что в Млечном пути ученые обнаружили около десятка, однако в нашей галактике до 400 млрд звезд, из которых каждая тысячная имеет достаточно массы, чтобы образовать в конце своего существования черную дыру.

Эпоха чёрных дыр

На самом деле, раньше не один учёный, который изучал чёрные дыры, не имел доказательств их реального существования. В основном, их идеи были основаны на математических расчётах.

Впервые предположение о существовании подобных областей во Вселенной выдвинул английский священник Д. Мичел в 1783 году. В свободное время он увлекался астрономией. Согласно его расчётам, если сжать астрофизический объект, то возникнет мощнейшая гравитационная сила. При этом его пределы не сможет покинуть даже свет.

Кроме того, подобную гипотезу выдвинул французский учёный Пьер Лаплас. Он считал, что в случае высокой гравитации тела скорость убегания больше световой скорости. То есть частицы света двигающиеся в точку не смогут двигаться бесконечно, и будут удерживаться гравитационной силой.

Спустя много лет в 1915 году Альберт Эйнштейн написал основные уравнения общей теории относительности. Они также предсказывали наличие особых областей в космическом пространстве.

В 1916 году на основе общей теории относительности Карл Шварцшильд расчитал числовое значение пространства и времени внутри и за пределами тела, влияющее на движение частиц и античастиц.

Между тем, официально термин «чёрная дыра» был введён в 1968 году благодаря труду американского физика-теоретика Джона Уиллера. Он описал свойства этих областей, использовав новое для них понятие.

Стоит отметить, что большой вклад в историю изучения и исследования чёрных дыр внёс индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар. Он написал книгу «Математическая теория чёрных дыр» (1974-1983 гг).

В дальнейшем многие великие учёные, в том числе и Стивен Хокинг, продолжили работу по изучению этих загадочных областей нашей Вселенной.

Как обнаружить чёрную дыру

Хотя они обладают огромной массой и гравитацией, обнаружение чёрных дыр с помощью телескопа практически невозможно. Дело в том, что они не излучают свет, а значит сливаются с тёмным небом.

Однако учёные смогли увидеть её, когда она поглощала вещество звезды. При этом появилось особенное и яркое излучение.

Можно сказать, что настоящее открытие области пространства-времени произошло в 1971 году. Тогда чёрная дыра Лебедь Х-1 была замечена в телескоп.

По правде говоря, история открытия и изучения чёрных дыр длилась очень долго и продолжается по сей день. Разумеется, мы прошли непростой путь от теории до их фактического обнаружения. Вероятно, в будущем нас ждут новые открытия. Мы, наконец, узнаем всё про эти таинственные области космоса.

Размеры чёрных дыр

Учёные считают, что самые маленькие чёрные дыры, размером всего в один атом, могли возникнуть в первые мгновения существования Вселенной. Подобные условия создают на большом адронном коллайдере, и у общественности возникают опасения, что это может привести к возникновению чёрной дыры.

Другой вид чёрных дыр называется «звёздным». Их масса может быть в 20 раз больше массы Солнца. В нашей галактике возможно существование множества чёрных дыр звёздной массы.
Как выглядит Черная дыра ее реальный вид, как может уничтожить землю за секунду

Первое реальное фото тени чёрной дыры, полученное напрямую в радиодиапазоне

Самые большие чёрные дыры называются «сверхмассивными». Они имеют массы, которые составляют более 1 миллиона Солнц. Ученые нашли доказательства того, что каждая большая галактика содержит сверхмассивную черную дыру в своем центре. Такой объект в центре галактики Млечный Путь называется Стрелец А. Она имеет массу, равную примерно 4 миллионам Солнц.

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.

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.

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.

  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

Модель пространства вокруг чёрной дыры

Может ли чёрная дыра уничтожить Землю

Чёрные дыры не передвигаются по космосу, поглощая звёзды, луны и планеты. Земля не упадет в чёрную дыру, потому что ни одна из них не находится достаточно близко к Солнечной системе.

Даже если бы в центре нашей системы образовалась чёрная дыра той же массы, что Солнце, Землю всё равно бы не затянуло туда. Чёрная дыра будет иметь ту же гравитацию, что и Солнце. Земля и другие планеты будут вращаться вокруг неё, как они вращаются вокруг Солнца.

Как выглядит Черная дыра ее реальный вид, как может уничтожить землю за секунду
В Солнечной системе мало что изменится, не считая неприятностей на Земле…В любом случае Солнце не такая большая звезда, чтобы когда-то превратиться в чёрную дыру.

Испарение

Английский астроном С. Хокинг открыл интересный факт: черные дыры также, оказывается, выделяют испарение. Правда это касается только дыр сравнительно небольшой массы. Мощная гравитация около них рождает пары частиц и античастиц, один из пары втягивается дырой внутрь, а второй исторгается наружу. Таким образом, черная дыра излучает жесткие античастицы и гамма-кванты. Это испарение или излучение черной дыры было названо на честь ученого, открывшего его – «излучение Хокинга».

Самая большая черная дыра

Согласно теории черных дыр в центре почти всех галактик находятся огромные черные дыры с массами от нескольких миллионов до нескольких миллиардом солнечных масс. И сравнительно недавно учеными были открыты две самые большие черные дыры, известные на сегодняшний момент, они находятся в двух близлежащих галактиках: NGC 3842 и NGC 4849.

NGC 3842 – самая яркая галактика в созвездии Льва, от нас находится на расстоянии 320 миллионов световых лет. В центре нее иметься огромная черная дыра массой в 9,7 миллиарда солнечных масс.

NGC 4849 – галактика в скопление Кома, на расстоянии 335 миллионов световых лет от нас может похвалится не менее внушительной черной дырой.

Зоны действия гравитационного поля этих гигантских черных дыр, или говоря академическим языком, их горизонт событий, примерно в 5 раз больше дистанции от Солнца до Плутона! Такая черна дыра скушала бы нашу солнечную систему и даже не поперхнулась бы.

Как выглядит Черная дыра ее реальный вид, как может уничтожить землю за секунду

Самая маленькая черная дыра

Но есть в обширном семействе черных дыр и совсем маленькие представители. Так самая карликовая черная дыра, открытая учеными на настоящий момент по своей массе всего лишь в 3 раза превосходит массу нашего Солнца. По сути это теоретический минимум, необходимый для образования черной дыры, будь та звезда чуть меньше, дыра бы не образовалась.

5 теорий о том, что происходит внутри черной дыры

Не исключено, что именно в черной дыре уже наступил коммунизм.

В физике черных дыр используется термин «горизонт событий». Это мнимая граница вокруг центра черной дыры, где гравитация настолько высока, что ее пределы не могут покинуть даже кванты света. Собственно, поэтому черные дыры и называют «черными».

1. Удлинение по-итальянски

Одна из теорий гласит, что материя внутри черной дыры не стремится к центру по кратчайшему пути, а находится в состоянии очень быстро вращающегося вихря. Провалившись в черную дыру, ты очень сильно удлинишься и будешь вращаться вокруг центра. Ученые назвали этот процесс «спагеттификация».

В пользу этой теории говорят процессы, которые происходят прямо за пределами горизонта событий, и ученые предполагают, что за его пределами эффект остается.

2. Пан пропал, но обещал вернуться антипаном

Теорию информационного парадокса черных дыр сформулировал Стивен Хокинг. Он предположил, что из объятий черной дыры кое-чему все-таки удается вырваться, это кое-что — излучение. А раз есть излучение, значит, со временем черные дыры сходят на нет. При этом с точки зрения квантовой механики черная дыра — неразрушаемый объект, он не может исчезнуть.

Иными словами, согласно общей теории относительности и идеям Максвелла и Эйнштейна, ты в виде набора информации остаешься в черной дыре навсегда. А по мнению Хокинга, ты все же вернешься в наш мир в виде излучения (имени Хокинга).

В рамках этой теории очень сложно рассуждать в терминах вроде «выживет ли космонавт». Речь идет о сохранении квантовых чисел, то есть зарядов элементарных частиц, а также о переходах из материи в антиматерию и обратно.

Хотя понять это все равно проще, чем сюжет фильма «Тенет».

3. Заходим, не стесняемся

Самая позитивная теория: в черной дыре с тобой не случится ничего плохого. Ученые только-только подтвердили само существование черных дыр, но во многих аспектах это все еще сильно теоретизированный космический объект.

Мы знаем наверняка, что за пределы горизонта событий не выходит свет. Не исключено, что это касается только света, а сам сверхмассивный гравитационный объект находится глубоко за горизонтом событий. Зонд или звездолет сможет легко влететь внутрь, разведать, что там и как, и свободно вылететь обратно.

4. Белая дыра

Помнишь старый глупый анекдот про двух блондинок и холодильник?

Блондинка выключает свет в комнате и спрашивает другую: «Видишь, свет пропал! А знаешь куда он делся?» Вторая недоумевает: «Нет! А куда?» Первая, открывая холодильник: «А вот где он!»

Представь себе, что это реальная история, однако спорили не блондинки, а Альберт Эйнштейн со Стивеном Хокингом. А холодильник — черная дыра.

Если черная дыра не выпускает за свои пределы свет, то что же тогда с ним происходит внутри черной дыры? Одна из теорий утверждает, что внутри черных дыр в действительности находятся другие вселенные, но, в в отличие от нашей вселенной, в сжатом виде. А мета-вселенная — это матрешка из вселенных.

5. Поживи в одной вселенной и получи вторую в подарок

Обычно о параллельных вселенных мечтают фантасты, но эту гипотезу высказал Стивен Хокинг. Он не исключил, что состояние сингулярности черной дыры — это на самом деле альтернативная пространственно-временная реальность. Или, иначе говоря, параллельная вселенная. В отличие от предыдущей теории, эта вселенная действительно параллельная, но не вложенная одна в другую.

Если теория верна, то через черные дыры все же удастся безболезненно попадать в другие миры. Но вернуться ты вряд ли сможешь.

Любопытно: про нейтронные звезды

Как выглядит Черная дыра ее реальный вид, как может уничтожить землю за секунду

Если существует сверхгигант, это не означает, что такое астрономическое тело вечно. Со временем оно меняется, отбрасывает внешние слои. Из остатков могут появиться белые карлики. Второй вариант – нейтронные звезды. Конкретные процессы определяются тем, какова ядерная масса первичного тела. Ежели она оценивается в пределах 1,4-3 солнечных, тогда разрушение сверхгиганта сопровождается очень большим давлением, из-за которого электроны как бы вдавливаются в протоны. Это приводит к формированию нейтронов, излучению нейтрино. В физике это назвали нейтронным вырожденным газом. Его давление таково, что звезда не может сжиматься дальше.

Впрочем, как показали исследования, вероятно, не все нейтронные звезды появились именно так. Некоторые из них – остатки крупных, взорвавшихся по принципу второй сверхновой.

Радиус тела тем меньше, чем больше масса. У большинства он варьируется в пределах 10-100 км. Проводились исследования для определения плотностей черных дыр, нейтронных звезд. Для вторых, как показали испытания, параметр сравнительно близок к атомной. Конкретные цифры, установленные астрофизиками: 10^10 г/см3.

Может ли дыра умереть?

Ученые выдвигают предположения о существовании процессов, обусловленных участием частицы и античастицы. Флуктуация элементов может стать причиной того, что пустое пространство будет характеризоваться нулевым энергетическим уровнем, который (вот парадокс!) не будет равен нулю. Одновременно горизонт событий, свойственный телу, получит низкоэнергетический спектр, присущий абсолютному черному телу. Такое излучение станет причиной утери массы. Горизонт слегка сожмется. Предположим, что есть две пары из частицы и ее антагониста. Происходит аннигиляция частицы из одной пары и ее антагониста из другой. Как следствие, появляются фотоны, которые вылетают из дыры. Вторая пара предположенных частиц падает в дыру, одновременно поглощая некоторый объем массы, энергии. Постепенно это приводит к смерти черной дыры.

Никто не знает, что будет дальше

Поскольку масса черной дыры сгущается в очень маленькую точку, сила тяжести может сильно варьироваться. Это означает, что любой объект, который входит, начинает быстро менять свою форму. Даже черная дыра растягивается до такой степени, что она занимает большую часть вашего зрения.
После того как поверхность черной дыры достигнута, все остальное остается загадкой. Ничто не ускользает от сингулярности, поэтому нет способа извлечь точные данные, чтобы выяснить, что именно происходит внутри. С дальнейшими достижениями в наших теориях физики мы должны стать ближе к разгадке этой тайны.

В качестве заключения

Как считают некоторые, черная дыра – это своеобразный космический пылесос. Дыра может поглотить звезду, может даже «съесть» галактику. Во многом объяснение качеств дыры, а также особенностей ее формирования можно найти в теории относительности. Из нее известно, что время непрерывно, равно как и пространство. Это объясняет, почему процессы сжатия невозможно остановить, они беспредельны и ничем не ограничены.

Как выглядит Черная дыра ее реальный вид, как может уничтожить землю за секунду

Таковы эти загадочные черные дыры, над которыми уже не первое десятилетие ломают голову астрофизики.