Черная дыра – что это, как выглядит, описание, строение, характеристики, фото и видео

Заглянуть во тьму: как устроена черная дыра

Широкая публика питает огромный интерес к черным дырам — возможно, концепция «горизонта событий» как-то перекликается с человеческим опытом непоправимости жизненных ошибок. Что касается астрофизиков, то многие из них воспринимают этот интерес скептически: черная дыра, говорят они, все же достаточно простой объект по сравнению, к примеру, с нейтронной звездой. Однако недавняя работа профессора Кена Паундза из университета Лестера и его коллег свидетельствует, что жизнь черных дыр, возможно, куда сложнее и разнообразнее, чем считалось раньше.

О том, как выглядит черная дыра в представлении физиков-теоретиков, можно узнать из фильма «Интерстеллар»: картинку для фильма помогал разрабатывать нобелевский лауреат Кип Торн. Согласно этому представлению, дыру окружает диск из падающего на нее газа. Газ вращается вокруг дыры, разгоняясь при этом до огромных скоростей, и излучает огромную энергию (это, видимо, самый эффективный способ преобразования материи в энергию, существующий во Вселенной). Излучение этого газа столь мощно, что земные астрономы способны фиксировать его, даже если черная дыра находится от нас на расстоянии в миллиарды световых лет. Подобные объекты известны с середины ХХ века и получили название квазаров.

Отчего-то было принято считать, что вокруг черной дыры образуется всего один диск из падающего газа («диск аккреции»), причем ось его вращения совпадает с осью вращения самой черной дыры. Однако такая картина выглядит упрощенной. Оси вращения в системах небесных тел, вообще говоря, не обязаны быть параллельны. К примеру, ось вращения Земли не параллельна оси ее орбиты, и из-за этого мы имеем шанс наслаждаться таким захватывающим явлением, как смена времен года. Возможно, в случае черных дыр несовпадение осей вращения тоже способно породить много интересных явлений. Именно такой случай и наблюдали британские астрономы.

Их внимание привлекла галактика PG211+143, находящаяся примерно в миллиарде световых лет от нас в созвездии Волосы Вероники (его можно найти в северном небе между Девой и Большой Медведицей). В ее центре находится черная дыра в 40 млн солнечных масс. Наблюдали ее с помощью рентгеновской обсерватории XMM-Newton Европейского космического агентства.

Спектр излучения газа свидетельствовал, что он падает на дыру почти отвесно, практически не вращаясь. При этом скорость его падения достигает трети скорости света — 100 000 километров в секунду. Исследователи в течение суток наблюдали за судьбой одного сгустка материи размером примерно с нашу планету, который за это время приблизился к черной дыре на беспрецедентно малое расстояние — всего в 20 раз больше, чем радиус горизонта.

О том, что чего-то в этом роде следовало ожидать, астрономы заранее знали из результатов компьютерной симуляции, проведенной на суперкомпьютере Dirac учеными из того же университета Лестера. Исследователи пытались понять, как будут взаимодействовать между собой несколько дисков аккреции, при условии что газ приближается к черной дыре по произвольным траекториям. Установлено, что взаимодействие образующихся при этом дисков и колец приведет к тому, что вращение будет тормозиться, а падение на дыру значительно ускорится.

Астрономы полагают, что подобная ситуация может быть довольно типична для черных дыр, находящихся в центрах галактик. В этом случае следует ожидать, что они будут вращаться сравнительно медленно, зато смогут заглатывать материю с очень высокой скоростью. Это может быть ответом на давний вопрос: каким образом сверхмассивные черные дыры успели набрать свою массу.

К той же проблеме с другой стороны подошли исследователи из Джорджии, проведя компьютерную симуляцию образования черной дыры путем «прямого коллапса» (то есть непосредственно из облака газа в момент образования галактики). Результаты опубликованы в Nature на этой неделе. Если верить суперкомпьютеру, в ходе этого процесса происходит много интересного, в том числе активное образование звезд в облаке коллапсирующего газа. Этот процесс мог происходить на ранних стадиях существования Вселенной, а это значит, что наблюдать нечто подобное можно лишь в галактиках, находящихся во многих миллиардах световых лет от нашей. Такую возможность астрономам даст космический телескоп James Webb, запуск которого намечен на 2021 год. На это событие и нацелена работа ученых из Джорджии: их симуляция призвана выявить характерные черты («подписи», или «сигнатуры») подобных объектов, чтобы астрономы, зафиксировав нечто подобное, сразу поняли, с чем имеют дело.

Итогом этих недавних научных работ стало более глубокое понимание того, насколько сложным объектом может оказаться черная дыра. Благодаря открытиям астрофизиков теперь совсем не обязательно лично падать в черную дыру, чтобы познакомиться с ее устройством. А если нечто подобное все-таки с вами случится, вы будете лучше подготовлены к тому, что вам предстоит увидеть.

Черные дыры и структура пространства-времени

Черные дыры — один из самых необыкновенных объектов, предсказываемых общей теорией относительности Эйнштейна. У черных дыр интересная история, поскольку они преподнесли теоретикам немало сюрпризов, приведших к лучшему пониманию природы пространства-времени.

Давайте начнем с теории всемирного тяготения Ньютона. Силу гравитационного притяжения мы испытываем прямо здесь, на поверхности земли. Если подбросить камень, он упадет под действием земного притяжения. А можно ли подбросить камень с такой скоростью, чтобы он на Землю не вернулся? Можно. Если запустить камень со скоростью выше второй космической скорости (около 11 км/с), он покинет гравитационное поле Земли. Эта «скорость выхода» зависит от массы и радиуса земного шара. Если бы Земля при ее нынешнем радиусе была массивнее или имела бы меньший радиус при ее нынешней массе, скорость выхода была бы выше. Возникает вопрос: что будет, если плотность и масса космического тела настолько велики, что скорость выхода из его гравитационного поля выше скорости света? Ответ: такое тело будет представляться внешнему наблюдателю абсолютно черным, поскольку свет его покинуть не может. Например, звезда с радиусом меньше, чем

где GN — постоянная Ньютона, а с — скорость света в вакууме, будет выглядеть абсолютно черной.

Для тех, кто не разбирается в формулах, приведу несколько примеров. Чтобы тело, масса которого равна массе Земли, превратилось в черную дыру, оно должно иметь радиус меньше сантиметра. Тело с массой Солнца должно сжаться до диаметра меньше километра. На это еще в конце XVIII века указал Пьер-Симон Лаплас, но тогда никто не придал этому особого значения.

С появлением в 1905 году специальной теории относительности у нас появилось понимание того факта, что скорость света в вакууме — не рядовая скорость. Это космический предел: ничто не может двигаться быстрее света. Теория относительности Эйнштейна также учит нас, что пространство и время тесно взаимосвязаны. Для наблюдателей, движущихся друг относительно друга, время течет с разной скоростью. Предположим, вы стоите на улице и смотрите на проезжающие машины. Для водителей машин время течет чуть медленнее, чем для вас, и несколько иначе. Предположим, вы видите, как два светофора в разных концах улицы одновременно переключаются на красный. Для водителей же они переключатся не одновременно. Это получается после того, как мы учтем время, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние от светофора до наблюдателей. И для вас, и для водителей свет движется с одинаковой скоростью, но время для них течет медленнее. То есть, время относительно, а скорость света абсолютна. Это противоречит нашим интуитивным представлениям о мире, так как эффект этот на нас практически не сказывается, поскольку мы обычно путешествуем на скоростях, которые очень далеки от скорости света, а время измеряем не с абсолютной точностью. Однако в ускорителях элементарных частиц этот эффект наблюдается постоянно. При скоростях, близких к скорости света, частицы живут значительно дольше.

Пространство и время объединяются в единую концепцию пространства-времени. Время воспринимается по-разному двумя наблюдателями, движущимися друг относительно друга. Однако оба наблюдателя воспринимают одно и то же пространство-время. Имеются точные формулы, позволяющие нам связать наблюдения этих двух наблюдателей.

Теперь вернемся к гравитации. Она обладает очень важным свойством, которое открыл еще Галилей: все тела падают одинаково, если не учитывать сопротивление воздуха. В безвоздушном пространстве пушинка и камень упадут на землю одновременно. В случае действия других сил это не так. В электрическом поле заряженная частица будет двигаться иначе в случае изменения ее массы или заряда. В теории всемирного тяготения Ньютона причина, по которой все тела движутся под воздействием гравитационных сил одинаково, сводится к тому, что сила гравитационного притяжения пропорциональна массе тела. Иногда это называют «принципом эквивалентности».

Эйнштейн осознал, что теория Ньютона противоречит теории относительности, поскольку согласно ньютоновской теории гравитационное взаимодействие между телами передается мгновенно. В 1915 году Эйнштейн решил эту проблему таким образом, что из этого решения естественным путем вытекает и принцип эквивалентности. Свою новую концепцию Эйнштейн назвал общей теорией относительности. Он предположил, что гравитация возникает вследствие искривления пространства-времени. В искривленном пространстве-времени частицы движутся по кратчайшим траекториям. Изначально параллельные линии таких траекторий в искривленном пространстве-времени могут сближаться. Например, два земных меридиана на пересечении с экватором параллельны, однако по мере удаления от него они сближаются и, в конечном итоге, пересекаются в точке Северного полюса. Конфигурация пространства-времени зависит от материи, перемещающейся в нем. Общая теория относительности подразумевает, что темп времени зависит от гравитационного поля. Следовательно, два жильца одного дома, обитающие на первом и последнем этажах, воспринимают ход времени по-разному. Для обитателя первого этажа время течет чуть медленнее, чем для обитателя верхнего этажа. Для земных зданий этот эффект пренебрежимо мал и составляет порядка 10 –15 секунды за секунду. Главное, что нам нужно усвоить, это то, что массивные тела стягивают пространство-время на себя. В частности, вблизи массивных объектов время течет медленнее, чем на удалении от них.

Физики всегда стремятся сначала разобрать простейшие ситуации. Поэтому в 1916 году, вскоре после открытия общей теории относительности, молодой немецкий физик Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschield) нашел простейшее сферически симметричное решение уравнений Эйнштейна. Это решения описывает частный случай искривления геометрии пространства-времени под воздействием точечной массы. Однако, вместо геометрии, давайте обратим внимание на другой их аспект: темп хода стационарных часов. Часы на поверхности Солнца идут на одну миллионную медленнее, чем удаленные от Солнца часы. Часы на поверхности нейтронной звезды идут со скоростью 70% от скорости часов вдали от нее. Здесь налицо уже весьма значительный эффект расхождения во времени. Так вот, решение Шварцшильда подразумевает, что часы в «центре» точечной массы вообще остановились бы. Поначалу физики сочли это «нефизическим» парадоксом, следствием слишком упрощенного анализа.

Дальнейшие расчеты показали, однако, что речь в решении Шварцшильда идет даже не о некоем условном «центре», а о целой идеальной сфере. Путешественник, пересекающий границы этой сферы и попадающий внутрь нее, не испытывает ничего странного или необычного — для него время течет по-прежнему. А вот для сторонних наблюдателей за пределами этой сферы, принимающих сигналы от падающего внутрь сферы путешественника, любые сигналы от него будут неуклонно замедляться, пока не исчезнут, как таковые, при пересечении им поверхности сферы. Поверхность, на которой стационарные часы замедляются до нуля, принято называть сферой Шварцшильда или «горизонтом». Возврата из-за горизонта нет. Наблюдатель, пересекший его и попавший внутрь сферы, обратно не выберется и будет неизбежно поглощен сингулярностью в ее центре. «Сингулярность» — это область сверхвысокого искривления пространства-времени, и путешественник в ней попросту исчезнет и будет раздавлен огромной гравитационной силой. Выясняется, что размер черной дыры согласно теории Эйнштейна описывается все той же формулой, предложенной еще Лапласом в рамках механики Ньютона, однако ее физическая интерпретация в корне меняется.

Черные дыры могут образовываться в результате астрофизических процессов, когда у звезд с массой, на порядок превышающей массу Солнца, кончается термоядерное топливо, и они обрушиваются внутрь себя под действием гравитационных сил. Имеется достаточно данных наблюдений, свидетельствующих о реальности существования таких черных дыр во Вселенной. С астрофизической точки зрения обнаруженные черные дыры подразделяются на две категории. Первый тип — это черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса массивных звезд и обладающие соответствующей массой. Поскольку черные дыры кажутся нам реально черными, наблюдать их крайне сложно. Если посчастливится, мы можем увидеть лишь шлейф газа, затягиваемого в черную дыру. Разгоняясь при падении, газ разогревается и испускает характерное излучение, которое мы только и можем обнаружить. Источником газа при этом является другая звезда, образующая парную систему с черной дырой и обращающаяся вместе с ней вокруг центра масс двойной звездной системы. Иными словами, сначала мы имели обычную двойную звезду, затем одна из звезд в результате гравитационного коллапса превратилась в черную дыру. После этого черная дыра начинает засасывать газ с поверхности горячей звезды. Второй тип — это гораздо более массивные черные дыры в центрах галактик. Их масса превышает массу Солнца в миллиарды раз. Опять же, падая на такие черные дыры, вещество разогревается и испускает характерное излучение, которое со временем доходит до Земли, его-то мы и можем обнаружить. Предполагается, что все крупные галактики, включая нашу, имеют в центре свою черную дыру.

Однако основным предметом нашего разговора является не астрофизика черных дыр, а исследование их влияния на структуру пространства-времени.

Согласно теории Эйнштейна черная дыра представляет собой бездонный провал в пространстве-времени, падение в который необратимо. Что упало, то пропало в черной дыре навеки.

У черных дыр очень интересные свойства. После коллапса звезды в черную дыру ее свойства будут зависеть только от двух параметров: массы и углового момента вращения. То есть, черные дыры представляют собой универсальные объекты, то есть, их свойства не зависят от свойств вещества, из которого они образованы. При любом химическом составе вещества исходной звезды свойства черной дыры будут одними и теми же. То есть, черные дыры подчиняются только законам теории гравитации — и никаким иным.

Другое любопытное свойство черных дыр заключается в следующем: предположим, вы наблюдаете процесс, в котором участвует черная дыра. Например, можно рассмотреть процесс столкновения двух черных дыр. В результате из двух черных дыр образуется одна более массивная. Этот процесс может сопровождаться излучением гравитационных волн, и уже построены детекторы с целью их обнаружения и измерения. Процесс этот теоретически просчитать весьма непросто, для этого нужно решить сложную систему дифференциальных уравнений. Однако имеются и простые теоретические результаты. Площадь сферы Шварцшильда получившейся черной дыры всегда больше суммы площадей поверхностей двух исходных черных дыр. То есть, при слиянии черных дыр площадь их поверхности растет быстрее массы. Это так называемая «теорема площадей», она была доказана Стивеном Хокингом (Steven Hawking) в 1970 году.

Черные дыры: откуда они взялись и почему ученые так ими интересуются

Во Вселенной существуют триллионы различных объектов, природу большинства из них современная наука до сих пор не понимает до конца. В число этих объектов входят и черные дыры — одни из самых странных явлений в космосе, существование которых даже не могли предположить научные фантасты. «Хайтек» подробно рассказывает, как открывали черные дыры и сможет ли человечество в дальнейшем как-то использовать их.

Читайте «Хайтек» в

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 некоторых черных дыр скорость движения этой плазмы достигает 99% от скорости света.

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 высказано предположение, что первичные черные дыры с массами в диапазоне от 10 14 до 10 23 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.

Открытие черных дыр

Концепция существования массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, которая необходима для его преодоления, превышает скорость движения света (а значит физически не может существовать во Вселенной), была впервые выдвинута английским ученым Джоном Мичеллом в 1784 году.

В своем письме в Королевское общество он рассказал, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов радиусом в 500 солнечных, но с плотностью Солнца, гравитация которых не позволит свету выйти наружу.

Однако эта гипотеза вскоре была забыта, поскольку в рамках классической физики скорость света не имеет фундаментального значения. И только после того, как в 1905 году Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности (СТО) использовал разработки электродинамики Лоренца, скорость света оказалась предельной, которую может развивать физическое тело. Это радикально изменило значение черных дыр в теоретической физике.

Следующий большой вклад в их изучение внес индийский нобелевский лауреат Субраманьян Чандрасекар, который создал фундаментальную для этого направления монографию — «Математическая теория черных дыр». Он изучал строение массивных звезд и возможное их превращение в нейтронные звезды либо черные дыры. Кроме того, он первым выдвинул теорию «об отсутствии волос» — о том, что у стационарной черной дыры нет внешних характеристик, помимо массы, момента импульса и определенных зарядов (специфических для различных материальных полей).

Фактически существование черных дыр было доказано только в 2015 году, а первый снимок их тени был сделан в апреле 2019 года — многие научные эксперты признали это открытие главным научным прорывом последнего десятилетия.

Существует несколько типов черных дыр:

  • Черная звезда звездной массы. Такие объекты, согласно общепринятым гипотезам, возникают в результате коллапса звезды. Минимальная масса тела, которая должна создать такой объект, составляет около трех солнечных.
  • Черная звезда средней массы. Промежуточный этап черной дыры, которая увеличилась за счет поглощения в себя газовых скоплений либо соседней звезды в системах парных звезд.
  • Сверхмассивные черные дыры. Объекты с массой с 10 5 –10 11 масс Солнца с достаточно невысокой плотностью и слабыми приливными силами. Именно такая черная дыра находится в центре Млечного пути.
  • Ультрамассивные черные дыры. Достаточно редкое явление во Вселенной. Например, в центре галактики Holm 15A, самой яркой в скоплении галактик Абель, ученые недавно обнаружили ультрамассивную черную дыру с массой в 40 млрд солнечных. Пока это самый тяжелый объект во Вселенной, известный ученым. Обнаружить объект исследователям удалось в ходе наблюдений за движением звезд в этой галактике. Его масса вдвое больше, чем у предыдущих рекордсменов. Кроме того, он в 10 000 раз массивнее, чем черная дыра Стрелец А* в центре Млечного пути.

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.

Что такое чёрная дыра?

Чёрная дыра

Чёрная дыра промежуточной массы в представлении художника. Авторы и права: Alain Riazuelo / CC BY-SA 2.5.

Чёрные дыры – одни из самых странных и удивительных объектов космоса. Они обладают чрезвычайной плотностью с настолько сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может избежать его, если проходит достаточно близко.

Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование чёрных дыр в 1916 году в его общей теории относительности. Термин “чёрная дыра” был введён много лет спустя, в 1967, американским астрономом Джоном Уилером. После десятилетий, когда чёрные дыры были известны только как теоретические объекты, первая из когда-либо обнаруженных физических чёрных дыр была замечена в 1971 году.

После этого, в 2019 коллаборация телескопа EHT (the Event Horizon Telescope) выпустила первое из когда-либо полученных изображений чёрной дыры. Телескоп EHT увидел чёрную дыру в центре галактики M87, когда исследовал горизонт событий, или область, минув которую, ничто не может покинуть чёрную дыру. Изображение отображает стремительную потерю фотонов (частиц света). Также, оно открывает совершенно новую область исследования чёрных дыр, теперь астрономы знают, как чёрные дыры выглядят.

На сегодняшний день астрономы выявили три типа чёрных дыр: чёрные дыры звёздной массы, сверхмассивные чёрные дыры и чёрные дыры с промежуточной массой.

Чёрные дыры звёздной массы – маленькие, но опасные

Когда звезда сжигает последнее топливо, объект может коллапсировать либо упасть сам на себя. Для меньших звёзд (вплоть до масс порядка трёх солнечных масс), новое ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Когда же коллапсирует звезда большей массы, она продолжает сжиматься и образует чёрную дыру звёздной массы.

Чёрные дыры, образованные в результате коллапса отдельных звёзд, относительно малы, но невероятно плотные. Один из таких объектов упаковывает более трёх масс Солнца в диаметр, сопоставимый с размерами одного города. Это приводит к сумасшедшей величине гравитационной силы, воздействующей на объекты вокруг. Далее чёрные дыры звёздной массы поглощают пыль и газ из окружающих галактик, что способствует увеличению из размеров.

Фото чёрной дыры

C помощью сети радиотелекопов EHT, учёным удалось сфотографировать чёрную дыру в галактике M87. Авторы и права: NASA / EHT Collaboration.

Согласно Гарвард-Смитсоновскому центру астрофизики, “Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов” чёрных дыр звёздной массы.

Сверхмассивные чёрные дыры – рождение гигантов

Вселенная заполнена маленькими чёрными дырами, но их кузены, сверхмассивные чёрные дыры преобладают. Эти гигантские чёрные дыры в миллионы или даже в триллионы раз массивнее Солнца, но приблизительно одного с ним диаметра. Считается, что такие чёрные дыры находятся в центре практически любой галактики, включая Млечный Путь. Учёные не знают точно, как рождаются такие большие чёрные дыры. Однажды сформировавшись, эти гиганты собирают массу из пыли и газа вокруг – материал, который в центрах галактик имеется в изобилии и позволяет им расти до ещё более невероятных размеров.

Сверхмассивные чёрные дыры, возможно, появляются вследствие слияния сотен или тысяч крошечных чёрных дыр. Большие газовые облака также могут быть за это ответственны, когда коллапсируют и стремительно аккрецируют массу. Третьим вариантом является коллапс звёздного кластера, группы вместе падающих звёзд. Четвёртый вариант: сверхмассивные чёрные дыры могли бы возникать из больших кластеров тёмной материи. Это субстанция, которую мы можем наблюдать через гравитационное действие на другие объекты; однако, мы не знаем, из чего тёмная материя состоит, потому что она не излучает свет и не наблюдается напрямую.

Чёрные дыры средней массы – застрявшие по середине

Учёные считали, что чёрные дыры доходят только до малых или больших размеров, но недавние исследования выявили возможность существования чёрных дыр промежуточных размеров (InterMidiate Black Holes – IMBHs). Такие объекты могут сформироваться, когда звёзды в кластере сталкиваются в цепной реакции. Несколько таких IMBHs, сформированных в одной области, должны в конце концов объединиться вместе в центре галактики и создать сверхмассивную чёрную дыру.

Галактика M82

Галактика Мессье 82, в которой была обнаружена чёрная дыра промежуточной массы M82 X-1. Авторы и права: NASA / H. Feng et al.

В 2014 году астрономы нашли объект, оказавшийся чёрной дырой промежуточной массы, в рукаве спиральной галактики.

“Астрономы очень усердно искали такие чёрные дыры средней массы”, – говорит соавтор исследования Тим Робертс из Даремского университета в Соединенном Королевстве. Он утверждает: “Догадки об их существовании были, но IMBHs вели себя, словно давно потерянный родственник, который не заинтересован в том, чтобы его нашли”.

В более новом исследовании, 2018 года, предполагается, что эти чёрные дыры могут существовать в центрах карликовых галактик (или, очень маленьких галактик). Наблюдения 10 таких галактик (пять из которых были неизвестны науке до этого исследования) выявили активность рентгеновского излучения – обычно свойственную для чёрных дыр – приводя к предположению о присутствии чёрных дыр от 36 000 до 316 000 солнечных масс. Эта информация была получена в данных обзора Sloan Digital Sky Survey, в результате которого проанализировано около миллиона галактик и задетектирован тот вид света, который часто наблюдается от чёрных дыр, собирающих осколки материи поблизости.

Как чёрные дыры выглядят?

Чёрные дыры состоят из трёх “слоёв”: внешнего и внутреннего горизонта и сингулярности.

Горизонт событий чёрной дыры – это граница вокруг “рта” чёрной дыры, пройдя которую, свет не может уже ее покинуть. Гравитация постоянна на всём горизонте событий.

Внутренний регион чёрной дыры, где находится масса объекта, известен как сингулярность, единственная точка в пространстве-времени, где сконцентрирована вся масса чёрной дыры.

Фото чёрной дыры

Первые прямые визуальные доказательства существования сверхмассивной чёрной дыры в центре эллиптической галактики Мессье 87 и её тени. Граница чёрной дыры – горизонт событий – примерно в 2,5 раза меньше, чем тень, которую она отбрасывает. Авторы и права: EHT Collaboration.

Учёные не могут видеть чёрные дыры так, как могут видеть звёзды и другие объекты в космосе. Вместо этого, астрономы должны полагаться на детектирование излучения чёрной дыры, испускаемое, когда пыль и газ вращаются вокруг неё. Но сверхмассивные чёрные дыры, находящиеся в центре галактики, могут быть окутаны густой пылью и газом, которые могут блокировать испускаемый свет.

Иногда, по мере того, как материя вращается и падает навстречу чёрной дыре, она отталкивается от горизонта событий назад и выбрасывается наружу, вместо того чтобы быть затянутой в пасть. Возникают яркие джеты материи, путешествующие на скоростях, близких к световым. Хотя чёрная дыра остаётся невидимой, эти мощные джеты могут быть замечены с огромных дистанций.

Изображение чёрной дыры в галактике M87, полученное телескопом EHT (выпущенное в 2019 году) было экстраординарным трудом, потребовавшим два года исследований, даже после того, как изображение было получено. Это всё потому, что коллаборация телескопа, которая включает в себя многие обсерватории по всему миру, собрала астрономический объём данных, настолько большой, что он не мог быть передан с помощью интернета.

Аккреционный диск

Мощная гравитация чёрной дыры изменяет траекторию по которой движется свет в разных частях аккреционного диска. Авторы и права: NASA’s Goddard Space Flight Center / Jeremy Schnittman.

Со временем исследователи планируют получить изображения других чёрных дыр и создать репозиторий того, как выглядят эти объекты. Следующей целью, вероятно, является Стрелец А* – чёрная дыра в центре нашей галактики Млечный Путь. Стрелец А* интригует, потому что она тише, чем ожидалось, что возможно происходит из-за магнитных полей, которые душат её активность, – так сообщается в докладе исследования 2019 года. Другое исследование этого года показало, что Стрельца А* окружает холодное газовое гало, что даёт беспрецедентное понимание того, как выглядит окружающая чёрную дыру среда.

Сияющий свет бинарной системы чёрных дыр

В 2015 году астрономы, используя обсерваторию LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), задетектировали гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр звёздных масс.

“У нас есть ещё большее подтверждение существования чёрных дыр звёздных масс, которые обладают массой более чем 20 солнечных – о существовании этих объектов мы не знали до того, как LIGO увидел их”, – сказал представитель коллаборации LIGO Дэвид Шумахер в своем заявлении.

Наблюдения LIGO также дают информацию о направлении вращения чёрной дыры. Обращаясь одна вокруг другой, они могут вращаться (каждая вокруг своей оси) в одном направлении либо в противоположных.

Гравитационные волны

Иллюстрация гравитационных волн. Авторы и права: NASA / CXC / M.Weiss.

Существует две теории о том, как формируются бинарные системы чёрных дыр. Первая предполагает, что обе чёрные дыры в паре формируются приблизительно в одно и то же время из двух звёзд, родившихся вместе и со взрывом погибших почти одновременно. Звёзды-компаньоны имеют ту же ориентацию вращения относительно друг друга, что и две оставшиеся чёрные дыры.

По второй модели чёрные дыры в звёздном кластере смещаются вплоть до центра кластера. У таких компаньонов направления вращения должны быть случайными друг относительно друга. Наблюдения LIGO чёрных дыр-компаньонов с разными направлениями вращения дают более сильное подтверждение этой теории формирования.

“Мы начинаем набирать реальную статистику для бинарных систем чёрных дыр”, – сказал учёный LIGO Кета Кавабе из Калифорнийского технологического института, базирующегося на Хэнфордской обсерватории LIGO. “Это интересно, потому что некоторые модели образования двойных чёрных дыр в некоторой степени предпочтительнее других уже сейчас, и в будущем мы сможем ещё больше сузить этот круг”.

Странные факты о чёрных дырах

— Теория долго предполагала, что если бы вы упали в черную дыру, гравитация растянула бы вас в спагетти. Так что вы бы умерли до того, как достигли бы сингулярности. Но в 2012 году в журнале Nature опубликовали статью с предположением, что из-за квантовых эффектов горизонт событий ведет себя как стена из огня, которая бы моментально сожгла вас.

– чёрные дыры не всасывают. Всасывание обуславливается вталкиванием чего-либо в вакуум, чего чёрные дыры определённо не делают. Вместо этого, объекты падают на них, как падали бы на что-либо, что оказывает гравитационное притяжение, как Земля.

– первым объектом, который рассматривали как чёрную дыру, считается Лебедь X-1. Лебедь X-1 был в 1974 году предметом дружеского пари между Стивеном Хокингом и его коллегой физиком Кипом Торном, причём Хокинг сделал ставку на том, что источником была не чёрная дыра. В 1990 Хокинг признал поражение.

Черная дыра

Огромное количество потенциально пригодных для жизни планет теоретически может существовать на стабильных орбитах вокруг сверхмассивных чёрных дыр. Авторы и права: Paramount Pictures.

– миниатюрные чёрные дыры могли сформироваться сразу после большого взрыва. Быстро расширяющееся пространство могло сжать некоторые области в крошечные, плотные чёрные дыры с массами меньше солнечной.

– если звезда проходит слишком близко к чёрной дыре, звезда может разорваться на части.

– астрономы оценивают, что Млечный Путь содержит от 10 миллионов до 1 триллиона чёрных дыр звёздной массы, с массами приблизительно около трёх солнечных масс.

– чёрные дыры остаются хорошей пищей для научно-фантастических книг и фильмов. Посмотрите фильм “Интерстеллар”, в котором Торн во многом использовал научные знания. Работа Торна с командой специалистов по спецэффектам позволила учёным лучше понять, как могут выглядеть далёкие звёзды, если их увидеть вблизи быстро вращающейся чёрной дыры (гравитационное линзирование).

Черная дыра – что это, как выглядит, описание, строение, характеристики, фото и видео

Гравитационная сингулярность (есть у невращающихся) — это такая область пространства, которая вертит это самое пространство как хочет, потому что они появляются в Общей теории относительности как точки пространства, имеющие нулевой объём, какую-нибудь массу и бесконечные плотность с кривизной, но они не объясняются этой самой теорией относительности. Сингулярности этого вида если и существуют, то находятся они только в чёрных дырах Шварцшильда. Но это не перестаёт делать сингулярности поистине особенными объектами: в них пространство «рвётся», и частица (да и вообще всё что угодно) просто берёт и тупо перестаёт существовать, создавая информационный парадокс, сингулярность обладает приливные силы, которые приводят к «спагеттификации». Как бы да, есть дохуя всяких теорий решающих эту проблему, как например создание голограммы на горизонте событий, равномерное распределение массы между горизонтом событий и сингулярностью, которая по мере старения чёрной дыры улетучивается или излучение энергии мягкими фотонами, но пока что эти теории имеют очень мало доказательств, так что проблема с этой хуетой пока не закончена и вряд ли сдвинется с мёртвой точки до формирования Квантовой гравитации.

Кольцеобразная сингулярность (есть у вращающихся) — это та же самая гравитационная сингулярность, только она имеет вид не точки, а плоского диска, высота которого равна нулю, а радиус больше нуля, ничем другим на не отличается.

БХЛ-сингулярность (может быть как у вращающихся, так и у невращающихся) — это гипотетическая сингулярность, которая обладает практически всеми теми же свойствами, что и кольцеобразная сингулярность, только она более стабильна и имеет другое строение с механизмом образования, но в ней всё так же пространство «рвётся» и хуй пойми, что происходит с попадающей туда материей. Эта сингулярность имеет приливные силы БХЛ-типа, которые не растягивают объект в сторону сингулярности, как обычные приливные силы, а объект расширяется и сжимается, причём чем ближе к сингулярности, тем сильнее амплитуда, поэтому в какой-то момент, объект разрывается и после бесследно исчезает (либо попадает в 5 измерение, как было в фильме «Интерстеллар»). При создании квантовой гравитации, скорее всего, существование этой сингулярности подтвердится.

Падающая сингулярность — сингулярность, находящаяся у старых вращающихся чёрных дыр. Эта сингулярность крута тем, что она реально может на тебя упасть, и тебе настанет пиздец. Падающая сингулярность образуется из всякой хуеты, которая упала после тебя в черную дыру. Из-за гравитационного замедления времени вся эта хуета будет образовывать слой, который будет деформировать пространство и материю с бесконечной скоростью, а после того, как он достигнет тебя, то он уже тебя будет растягивать с бесконечной скоростью, но растянет тебя лишь в конечной степени, то есть ты будешь похож на баганую расятнутую рэгдолл текстурку.

Вылетающая сингулярность — сингулярность, полостью идентичная предыдущей, но только она, исходя из названия, не падает, а вылетает.

Горизонт Коши
Горизонт событий

Горизонт событий (есть у всех чёрных дыр) — это воображаемая почти идеальная сфера вокруг сингулярности, определяемая радиусом Шварцшильда. Она является «почти идеальной», так как на самом деле он действует как проводящая мембрана, которая из-за гравитационных эффектов может слегка менять свою форму и колебаться. Этот горизонт отделяет нас от сингулярности и это то место, в котором вторая космическая скорость становится равной скорости света. Горизонт событий разделяет 2 области пространства, между которыми нельзя передавать информацию, то есть, попав за горизонт событий, ты туже ничего не сможешь передать тем, кто находится с нашей стороны. На границе горизонта событий происходит излучение Хокинга, и чёрная дыра теряет массу, но это при том, что горизонт никак не выделяется, как область пространства. При его пересечении ты не услышишь никаких свистяще-пердящих звуков, не увидишь каких-то дефектов пространства и не почувствуешь какого-то покалывания у тебя — ничего, просто большую часть твоего обзора начнёт занимать чёрная дыра, и хоть ты вообще ничего не заметишь, однако очень сильно заметит наблюдатель, который будет смотреть на тебя издалека — для него ты не пересечёшь горизонт событий, а достигнув его, будешь краснеть, пока в конечном итоге не исчезнешь (а исчезнешь ты очень быстро, понадобится пара секунд), после чего от тебя ничего не останется в этой Вселенной.

Второй горизонт событий (этот горизонт есть только у вращающихся чёрных дыр) — это такой горизонт событий, который появляется при вращении чёрных дыр и образовании кольцеобразных сингулярностей. Этот горизонт событий ничего особенного чёрной дыре не даёт, кроме того, что он ограничивает её скорость вращения, так как при охуенно большом моменте импульса внутренний и внешний горизонты сравниваются и исчезают, обнажая сингулярность, что недопустимо по космическому принципу.

Эргосфера
Предел статичности

Если граница обычных чёрных дыр — это горизонт событий, то у чёрных дыр, как и у Москвы, есть второе анальное колечко — предел статичности — сфера, отделяющая наш мир от эргосферы. Предел статичности, как и горизонт событий, какой-то охуеть важной структурой не является, он просто разграничивает пространство на области: «можно выбраться, двигаясь от чёрной дыры» и «можно выбраться, двигаясь по ходу вращения чёрной дыры».

На этом можно и закончить рассматривать внутреннее устройство, так как фотонная сфера и аккреционный диск не входят во внутреннее строение. Как можно видеть, реальное устройство чёрной дыры намного сложнее, чем считают многие люди, однако все внутренности были выведены путём логических домыслов и подсчётом всяких сложных формул, которые могут быть не до конца верны, поэтому пока мы не можем знать наверняка, что происходит внутри такого экзотического объекта, но с развитием науки, с формулированием квантовой гравитации, более интенсивным изучением этих загадочных объектов человечество сможет узнать, какую хуйню скрывает от нас чёрные дыры.

я четвертый фильм 2 часть дата

уравнитель фильм в хорошем

мультфильм иван царевич и серый волк советский

Ссылка на основную публикацию
×
×
Adblock
detector