Теория черных дыр: что будет, если туда попасть

История открытия

Впервые теоретическое существование черных дыр задолго до их фактического открытия было высказано неким Д. Мишелем (английским священником из Йоркшира, любящим астрономию) еще в 1783 году наше Солнце взято и сжимается (на современном компьютерном языке — поле) в радиусе 3 км, образуется гравитационная сила настолько большая (просто огромная), что даже свет не может покинуть его. Так появилось понятие «черная дыра», хотя на самом деле она совсем не черная, на наш взгляд, термин «темная дыра» был бы более уместным, потому что это происходит из-за отсутствия света.

Позже, в 1918 году, великий ученый Альберт Эйнштейн писал о черных дырах в контексте теории относительности. Но только в 1967 году благодаря усилиям американского астрофизика Джона Уиллера концепция черных дыр наконец завоевала место в академических кругах.

Как бы то ни было, Д. Мишель, Альберт Эйнштейн и Джон Уиллер в своих работах выдвинули гипотезу лишь о теоретическом существовании этих загадочных небесных объектов в космосе, но настоящее открытие черных дыр произошло в 1971 году, именно тогда их впервые заметили в телескоп.

Так выглядит черная дыра.

Что внутри черной дыры: догадки

Некоторые математики считают, что внутри этих загадочных объектов Вселенной есть так называемые кротовые норы — переходы в другие вселенные. Другими словами, в точке сингулярности есть туннель пространства-времени. Эта концепция послужила источником вдохновения для многих писателей и режиссеров. Однако подавляющее большинство астрономов считают, что между вселенными нет туннелей. Однако, даже если бы они действительно были, у людей нет возможности узнать, что внутри черной дыры.

Существует еще одна концепция, согласно которой на противоположном конце такого туннеля находится белая дыра, откуда огромное количество энергии поступает из нашей Вселенной в другой мир через черные дыры. Однако на данном этапе развития науки и техники о таких поездках не может быть и речи.

Структура и физика черных дыр

Схема строения черной дыры

Каждая черная дыра состоит из двух основных элементов. Горизонт событий — это граница, на которой объект гарантированно находится в гравитационном поле и сингулярности. Последний заполняет внутреннюю область. Ученые до сих пор не могут определить, что именно находится внутри. Известно, что время и пространство внутри искажены, законы физики не работают.

По мере вращения черной дыры вокруг горизонта событий появляется эргосфера. Объекты в этой области также перемещаются в этом направлении. Однако притяжения недостаточно, чтобы втянуть их в сингулярность. В результате объекты могут покинуть эргосферу.

Интересный факт: чем больше весит черная дыра, тем меньше ее плотность. Это связано с тем, что с увеличением веса ее объем быстро растет.

Сияющий свет двойных черных дыр

В 2015 году астрономы с помощью обсерватории гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) впервые обнаружили гравитационные волны. С тех пор с помощью этого инструмента было замечено множество других подобных инцидентов. Гравитационные волны, наблюдаемые LIGO, возникли в результате слияния маленьких черных дыр.

Наблюдения LIGO также предоставляют информацию о направлении вращения черной дыры. Когда пара черных дыр вращается вокруг друг друга, они могут вращаться в одном направлении. Или направления вращения могут быть совершенно разными.

Существуют две теории образования двойных черных дыр. Первый предполагает, что они образовались примерно в одно время из двух звезд. Они могли родиться вместе и умереть примерно в одно время. Звезды-компаньоны будут иметь такое же чувство вращения. Следовательно, оставленные ими черные дыры также будут вращаться аналогичным образом.

Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении спускаются к центру и сливаются. Эти спутники будут иметь случайную ориентацию вращения относительно друг друга. Наблюдения LIGO за черными дырами с разной ориентацией спина предоставляют более убедительные доказательства этой теории образования.

Образование

Как мы знаем из астрофизики, у всех звезд (включая наше Солнце) ограниченный запас топлива. И хотя жизнь звезды может длиться миллиарды лет, рано или поздно этот условный запас топлива заканчивается, и звезда «гаснет». Процесс «угасания» звезды сопровождается интенсивными термодинамическими реакциями, во время которых звезда претерпевает значительные преобразования и, в зависимости от своих размеров, может превратиться в белого карлика, нейтронную звезду или черную дыру. Кроме того, более крупные звезды с невероятно внушительными размерами обычно превращаются в черную дыру — из-за уменьшения этого невероятного размера происходит многократное увеличение массы и силы тяжести недавно образованной черной дыры, которая превращается в своего рода галактический вакуум очиститель: он поглощает все и всех вокруг.

Черная дыра окутывает звезду.

Небольшое наблюдение: наше Солнце по галактическим меркам совсем не является большой звездой и после угасания, которое произойдет примерно через несколько миллиардов лет, оно, скорее всего, не превратится в черную дыру.

Но давайте будем честны с вами: ученые сегодня еще не знают всех тонкостей образования черной дыры, без сомнения, это чрезвычайно сложный астрофизический процесс, который сам по себе может длиться миллионы лет. Хотя можно двигаться в этом направлении, открытие и последующее изучение так называемых промежуточных черных дыр, то есть звезд в процессе вымирания, в которых происходит активный процесс образования черных дыр. Кстати, похожая звезда была открыта астрономами в 2014 году в рукаве спиральной галактики.

Существование и эволюция черных дыр

Имея приблизительное представление о природе таких странных космических объектов, интересно кое-что еще. Каковы истинные размеры черных дыр, как быстро они растут? Размер черных дыр определяется их гравитационным радиусом. Для черных дыр радиус черной дыры определяется ее массой и называется радиусом Шварцшильда. Например, если объект имеет массу, равную массе нашей планеты, то радиус Шварцшильда в этом случае равен 9 мм. Наш главный светильник имеет дальность действия 3 км. Средняя плотность черной дыры, образовавшейся на месте звезды с массой 10⁸ солнечной массы, будет близка к плотности воды. Радиус этого образования составит 300 миллионов километров.

Гравитационный луч

такие гигантские черные дыры, вероятно, находятся в центре галактик. На сегодняшний день известно 50 галактик, в центре которых находятся огромные пространственно-временные колодцы. Масса таких гигантов составляет миллиарды массы Солнца. Можно только представить, какой колоссальной и чудовищной силой притяжения обладает такая дыра.

Что касается дыр, то это мини-объекты, радиус которых достигает ничтожных значений, всего 10¹¹² см, масса этой крошки 10¹⁴гр. Такие образования возникли во время Большого взрыва, но со временем они увеличились в размерах и сегодня они выставляют себя в космосе как монстры. Условия, в которых происходило образование малых черных дыр, ученые сегодня пытаются воссоздать в земных условиях. Для этих целей проводятся эксперименты на электронных коллайдерах, с помощью которых элементарные частицы ускоряются до скорости света. Первые эксперименты позволили получить в лабораторных условиях плазму кварков и глюонов — материю, существовавшую на заре образования Вселенной. Подобные эксперименты позволяют надеяться, что черная дыра на Земле — это вопрос времени. Другой вопрос, окажется ли такой прорыв в науке о человеке катастрофой для нас и для нашей планеты. Создав искусственную черную дыру, мы можем открыть ящик Пандоры.

Электронный коллайдер

Недавние наблюдения других галактик позволили ученым открыть черные дыры, размеры которых превышают все мыслимые ожидания и гипотезы. Эволюция, происходящая с этими объектами, позволяет лучше понять, почему масса черных дыр растет, каков ее реальный предел. Ученые пришли к выводу, что все известные черные дыры выросли до натуральных размеров за 13-14 миллиардов лет. Разница в размерах обусловлена ​​плотностью окружающего пространства. Если у черной дыры достаточно пищи в пределах досягаемости силы тяжести, она будет расти не по дням, а по часам, достигая массы в сотни и тысячи солнечных масс. Отсюда гигантские размеры таких объектов, расположенных в центре галактик. Огромное скопление звезд, огромные массы межзвездного газа — изобильная пища для роста. Когда галактики сливаются, черные дыры могут сливаться вместе, образуя новый сверхмассивный объект.

Типы черных дыр

Судя по анализу эволюционных процессов, принято выделять два класса черных дыр:

• объекты массой, в 10 раз превышающей массу Солнца;
• массивные объекты, масса которых составляет сотни тысяч, миллиарды солнечных масс.

Есть черные дыры со средней промежуточной массой 100-10 тысяч масс Солнца, но их природа до сих пор неизвестна. На каждую галактику приходится примерно один такой объект. Изучение рентгеновских звезд позволило обнаружить на расстоянии 12 миллионов световых лет в галактике M82 одновременно две черные дыры средней массы. Масса объекта колеблется в диапазоне 200-800 солнечных масс. Другой объект намного крупнее и имеет массу 10-40 тысяч солнечных масс. Интересна судьба таких предметов. Они находятся возле звездных скоплений, постепенно притягиваясь к сверхмассивной черной дыре, расположенной в центральной части галактики.

Как черные дыры испускают излучение?

Черные дыры испускают излучение, каким бы безумным оно ни казалось

Черные дыры испускают излучение из-за квантовых эффектов. Важно отметить, что это квантовые эффекты материи, а не квантовые эффекты гравитации. Динамическое пространство-время схлопывающейся черной дыры меняет само определение частицы. Подобно течению времени, которое искажается рядом с черной дырой, понятие частиц слишком зависит от наблюдателя. В частности, когда наблюдатель, который падает в черную дыру, думает, что он падает в вакуум, наблюдатель вдали от черной дыры думает, что это не вакуум, а пространство, полное частиц. Этот эффект вызывает удлинение пространства-времени.

Впервые обнаруженное Стивеном Хокингом излучение, испускаемое черной дырой, называется излучением Хокинга. Это излучение имеет температуру, обратно пропорциональную массе черной дыры: чем меньше черная дыра, тем выше температура. Известные нам звездные и сверхмассивные черные дыры имеют температуру значительно ниже температуры микроволнового фона и поэтому не наблюдаются.

Количество во Вселенной

Согласно теории современных ученых, наша галактика Млечный Путь может содержать до сотен миллионов черных дыр. Не меньше может быть и в соседней галактике Андромеды, в которую ничто не может улететь из нашего Млечного Пути — 2,5 миллиона световых лет.

Почему Хокинг ошибся по поводу черных дыр?

Согласно недавнему исследованию Стивена Хокинга, которое вызвало настоящий переполох, в некоторых публикациях было объявлено, что черных дыр нет. Однако это не совсем то, что утверждал Хокинг. Однако уже ясно, что гипотеза Хокинга о черных дырах неверна, потому что парадокс, который он пытается доказать, больше не является парадоксом.

Все сводится к известному парадоксу огненной стены черных дыр. Главная особенность черной дыры — ее горизонт событий. Горизонт событий черной дыры становится переломным моментом по мере приближения. В общей теории относительности Эйнштейна горизонт событий — это пространство и время, которые настолько деформированы гравитацией, что покинуть их невозможно. Пересеките горизонт событий, и вы навсегда останетесь в ловушке.

Эта односторонняя природа горизонта событий долгое время была проблемой для понимания физики гравитации. Например, горизонт событий черной дыры явно нарушает законы термодинамики. Один из принципов термодинамики гласит, что ничто не должно иметь температуру абсолютного нуля. Очень холодные предметы также выделяют немного тепла, но если черная дыра поглощает свет, она не выделяет тепла. Следовательно, температура черной дыры равна нулю, что невозможно.

Затем в 1974 году Стивен Хокинг доказал, что черные дыры излучают свет благодаря квантовой механике. В квантовой теории есть пределы тому, что можно знать об объекте. Например, вы не можете точно знать энергию объекта. Из-за этой неопределенности энергия системы может самопроизвольно колебаться, пока ее среднее значение остается постоянным. Хокинг показал, что вблизи горизонта событий черной дыры могут появляться пары частиц, когда одна частица оказывается в ловушке внутри горизонта событий (немного уменьшая массу черной дыры), а другая может ускользать ниже. Форма излучения (забирая часть энергии у черной дыры) отверстие).

Хотя излучение Хокинга решило одну проблему с черными дырами, оно создало другую, известную как парадокс стены огня. Когда квантовые частицы появляются парами, они запутываются, то есть связаны в квантовом смысле. Если одна частица захватывается черной дырой, а другая выбрасывается, запутывание пары прерывается. В квантовой механике можно сказать, что пара частиц появляется в своей чистой первоначальной форме, и горизонт событий, по-видимому, нарушает это состояние.

В прошлом году было показано, что если излучение Хокинга чистое, оно не может излучаться в направлении, требуемом термодинамикой, или оно создаст огненную стену из высокоэнергетических частиц около поверхности горизонта событий. Это часто называют парадоксом стены огня, потому что согласно общей теории относительности, если вы приблизитесь к горизонту событий черной дыры, вы не сможете заметить ничего необычного. Основная идея общей теории относительности (принцип эквивалентности) требует, чтобы, если вы свободно падаете к горизонту событий, не должно быть сильного брандмауэра частиц высоких энергий. В своей работе Хокинг предложил решение этого парадокса, предположив, что черные дыры не имеют горизонтов событий. Вместо этого у них есть очевидные горизонты, которые не требуют сочетания стены огня и термодинамики. Поэтому в прессе популярно утверждение «черных дыр нет.

Но парадокс огненной стены возникает только тогда, когда излучение Хокинга чистое, а исследования Сабины Хоссенфельдер показывают, что излучение Хокинга не чистое. В своей статье Хоссенфельдер показывает, что вместо одной пары запутанных частиц с двумя из этих пар связано излучение Хокинга. Одна запутанная пара попадает в ловушку черной дыры, а другая сбегает. Процесс аналогичен первоначальному предложению Хокинга, но частицы Хокинга не являются чистыми.

Следовательно, нет никакого парадокса. Черные дыры могут излучать свет в соответствии с термодинамикой, и область вблизи горизонта событий не имеет стены огня, как того требует общая теория относительности. В конечном итоге предложение Хокинга — это решение проблемы, которой не существует.

Опасность

Когда у звезды заканчивается топливо, она может инициировать процесс самоуничтожения. Если бы его масса была в три раза больше, чем у Солнца, оставшееся ядро ​​стало бы нейтронной звездой или белым карликом. Но самая большая звезда превращается в черную дыру.

Связь между массой черной дыры и массой балджа

Эти объекты маленькие, но невероятно плотные. Представьте, что перед вами объект размером с город, но его масса в три раза больше массы Солнца. Это создает невероятно большую гравитационную силу, которая притягивает пыль и газ, увеличивая их размер. Удивительно, но Млечный Путь может содержать несколько сотен миллионов звездных черных дыр.

Как обнаружить черную дыру

В конце своей жизни массивные звезды могут превращаться в черные дыры. И на этапе, когда они как раз пытались найти первые черные дыры, возник вопрос: как их найти. Первая идея была такая: звезды, особенно массивные, часто рождаются парами. Одна из этих звезд превращается в черную дыру, и мы перестаем ее видеть. Однако продолжает существовать. Предполагалось, что мы сможем увидеть вращение ближайшей звезды вокруг этого невидимого объекта, используя вычисления, чтобы измерить его массу и обнаружить, что в этом месте есть черная дыра.

Сергей Попов утверждает, что исторически это был первый предложенный метод исследования. С 1960-х годов ученые пытались найти их этим методом, но ничего не нашли. Возможные кандидаты на звание черных дыр начали появляться в последние пару лет, но ученые до сих пор не уверены, связаны ли они с обычными звездами.

Если мы обратимся к черной дыре, смежной со звездой, материя нормальной звезды может перетечь в дыру. Черная дыра будет всасывать это вещество своей гравитацией. Если вы представите, что в него одновременно были брошены два камня, они могут столкнуться на горизонте со скоростью, почти равной скорости света. При таком столкновении выделяется много энергии, которую можно заметить.

Но звезды не камни, а газ. Когда разные слои газа трутся друг о друга, они нагреваются до миллионов градусов, и это тепло можно увидеть. С помощью этого метода в конце 1960-х — начале 1970-х годов, когда в космос были запущены первые детекторы рентгеновского излучения, были обнаружены и первые черные дыры.

Визуализация черной дыры рядом со звездой

В начале 1960-х стало ясно, что существуют светящиеся астрономические объекты — квазары. Буквально — «звездообразный радиоисточник». Это ядра галактик, активные на ранней стадии развития, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Их можно обнаружить даже на очень большом расстоянии. В ходе изучения квазаров выяснилось, что это небольшой источник, который находится в центре далекой галактики и при этом излучает много энергии. Попов говорит, что когда ученые открывают квазар, они уверены, что там «сидит» сверхмассивная черная дыра. Сейчас это самый массовый способ обнаружить черные дыры.

Квазар вид

Почти все массивные звезды превращаются в черные дыры, но не все они находятся в двойных системах или не имеют переполнения. В этом случае поиск отверстий осуществляется иначе. Сергей говорит, что черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя, но важна не столько масса, сколько компактность. Это легко понять, просто представьте заостренный предмет. Это статья с очень маленькой площадью. Если вы просто ткните куда-то пальцем, вы не сможете проткнуть поверхность, а если надавить на иглу с той же силой, палец, которым вы надавите на нее, проткнет. Таким образом, маленькие объекты с одинаковой массой с большей силой изгибают пространство-время вокруг себя. Этот эффект называется гравитационным линзированием.

Ученые наблюдают за звездой и внезапно замечают, что ее яркость увеличивается, а затем полностью симметрично падает. Со звездой ничего не случилось, но между нами и звездой пролетел огромный объект. И этот огромный объект, искажающий пространство-время, собирал лучи света.

Таким образом, похоже, что яркость звезды увеличивается, но на самом деле было собрано больше света и дошло до нее. Звезда с массой, в десять раз превышающей массу Солнца, будет светить очень четко, ученые не останутся незамеченными. И в таких наблюдениях появляется абсолютно темный объект с массой около десяти масс Солнца. Что бы это могло быть? Просто черная дыра.

Если есть пара черных дыр, то, сливаясь, они будут генерировать гравитационную волну. А в 2015 году такие всплески гравитационного излучения были зарегистрированы впервые. Это последний на сегодняшний день хороший способ найти черные дыры.

Визуализация двух черных дыр

Теория черных дыр

Несмотря на огромную массу (которая в сотни тысяч раз больше массы нашего Солнца) и невероятную силу тяжести, увидеть черные дыры в телескоп было непросто, потому что они вообще не излучают света. Ученым удалось заметить черную дыру только в момент ее «трапезы» — поглощения другой звезды, в это время появляется характерное излучение, которое уже можно наблюдать. Таким образом, теория черной дыры нашла фактическое подтверждение.

Насколько огромными бывают черные дыры?

Самые маленькие — размером с большой мегаполис, а самым большим не с чем сравнивать. Об известном в 2018 году масштабе черных дыр рассказывает новый ролик канала Harry Evett.

В этом году ученые, впервые применившие телескоп ALMA, сфотографировали окрестности черной дыры, которая находится в центре активного ядра галактики M77, и измерили диаметр окружающего газа и пылевого кольца. Конечно, сама черная дыра не видна на изображении, потому что черные дыры не излучают свет, который могли бы уловить телескопы. Если мы когда-нибудь получим снимок черной дыры и ее окружения, на нем будут видны только аккреционный петух и окружающее кольцо материи, что очевидно, потому что частицы движутся вокруг нее с субрелятивистскими скоростями, высвобождая энергию в виде электромагнитного излучения. Возможно, в этом году появится снимок близости черной дыры Стрелец A *, которая находится в центре нашей галактики. А пока насчет появления черных дыр мы знаем только из задумок художников. Но мы знаем их массу и размер, а на голове они просто не помещаются.

Диаметр некоторых черных дыр не больше длины большого города, скажем, Лондона, но он весит всего пять тысяч солнц; радиус других сравним с радиусом Земли, но их масса на пять миллионов больше, чем у нашей планеты. Еще немного о Солнце: самые легкие из известных черных дыр всего в пять раз массивнее нашей звезды, но в то же время в 100000 раз компактнее. Черная дыра, расположенная в центре Млечного Пути, имеет относительный вес, но далеко не рекордсмен как по массе, так и по размеру, хотя она весит до 4 миллионов Солнц. Он просто теряется на фоне, скажем, дыры в центре галактики Мессье 60, масса которой составляет 4,5 миллиарда солнечных масс. Вокруг этой массы начинается класс сверхмассивных черных дыр, из-за самой большой из которых даже 4,5 миллиарда Солнца выглядят как пух. Самая большая (и самая массивная) из известных черных дыр находится в центре квазара TON 618: 66 миллиардов солнечных масс.

Теория черных дыр — как они работают

Черные дыры невероятно массивны. Но при этом они занимают небольшую площадь пространства. Между массой и гравитацией существует прямая связь. Это означает, что у них очень сильное гравитационное поле. От них почти ничего не ускользнет. В классической физике даже свет, попадающий в черную дыру, не может ее покинуть.

Когда дело доходит до черных дыр, такое сильное притяжение создает проблемы для наблюдения. Ученые просто не могут их «видеть», как они могут видеть звезды и другие объекты в космосе. Чтобы обнаружить эти объекты, ученые полагаются на излучение, испускаемое при поглощении пыли и газа черной дырой. Сверхмассивные черные дыры в центре галактики могут быть покрыты пылью и газом вокруг них. Это может заблокировать наблюдение за тестовыми выбросами.

Иногда, когда материя движется к черной дыре, она отскакивает от горизонта событий и улетает, а не втягивается внутрь. Создаются светящиеся струи материала, которые движутся практически с релятивистской скоростью. Хотя сама черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно увидеть с больших расстояний.

Черные дыры как область пространства-времени

Черные дыры также определяются как область пространства-времени. Сергей Попов объясняет, что все современные теории гравитации являются геометрическими. Они описывают гравитацию как свойство пространства и времени. Это означает, что вы можете составить уравнение между пространством и временем, это взаимосвязанные величины.

С начала двадцатого века, со времени первых работ Эйнштейна по теории относительности, пространство и время в определенной степени были объединены. Любые тела, не только массивные, но и самые маленькие, складывают пространство вокруг себя и одновременно влияют на ход времени. Современные измерения позволяют определить, что время идет не в одном месте, а в другом. Вы можете поэкспериментировать и найти эту разницу.

Черная дыра — это крайний способ воздействия на пространство — когда в одном месте собрано столько вещества или энергии, что пространство-время сморщилось и сформировало определенную область. Мы можем сказать, что черная дыра — это объект, но с повседневной точки зрения объект — это то, что имеет поверхность. Если вы войдете в полностью темную комнату, вы можете натолкнуться на стол, это будет объект с началом в определенной точке. Если в совершенно темной комнате или с завязанными глазами вы упадете в черную дыру, ее край невозможно заметить. Поскольку твердой поверхности нет, человек сразу окажется внутри этой области.

Сергей сравнивает этот переход с государственными или региональными границами. Если пройти по лесу из одной страны в другую, без указателей и карт невозможно заметить, в какой точке заканчивается одно государство и начинается другое. Лес в Финляндии ничем не отличается от леса в России, и здесь нет четкой границы, в которую можно попасть. А черная дыра — это область, в которой масса свернулась в пространстве-времени, и в результате ни один объект не может покинуть ее, как только он пересечет границу. Все, что туда попало, навсегда останется за горизонтом.

Черные дыры представляют интерес прежде всего как экстремальные объекты. Это наиболее запутанное пространство-время, и многие эффекты становятся более заметными вблизи черных дыр. Начинают появляться принципиально новые физические явления.

В теории гравитации они стремятся максимально приблизиться к этим экстремальным объектам. Поэтому, говорит Сергей, изучение поведения материи около черных дыр — очень интересное дело.

Что предлагает Хокинг для решения информационного парадокса черной дыры?

Эндрю Строминджер

Идея состоит в том, что черные дыры должны иметь способ хранить информацию, которую еще не приняли. Информация хранится на горизонте черной дыры и может вызывать небольшие смещения частиц в излучении Хокинга. В этих небольших сдвигах может быть информация о захваченном веществе. Точные детали этого процесса в настоящее время неясны. Ученые ждут более подробной белой книги от Стивена Хокинга, Малькольма Перри и Эндрю Строминджера. Говорят, появится в конце сентября.

На данный момент мы уверены, что черные дыры существуют, мы знаем, где они находятся, как они образуются и кем они станут в конечном итоге. Но подробности того, куда идет информация, по-прежнему представляют собой одну из величайших загадок во Вселенной.

Свойства

Главное свойство черной дыры — ее невероятные гравитационные поля, которые не позволяют окружающему пространству и времени оставаться в обычном состоянии. Да, вы не ослышались, время внутри черной дыры течет во много раз медленнее, чем обычно, и если бы вы были там, то, возвращаясь назад (если бы вам, конечно, повезло), вы были бы удивлены, заметив, что на Земле прошли столетия., и ты даже не стареешь, у тебя было время. Хотя будем честны, если бы вы оказались внутри черной дыры, вы бы вряд ли выжили, поскольку сила гравитации такова, что любой материальный объект просто разорвется на части, даже не по частям, на атомы.

Но если бы вы были даже совсем близко к черной дыре, в радиусе ее гравитационного поля, у вас также были бы трудности, потому что чем больше вы сопротивляетесь ее гравитации, пытаясь улететь, тем быстрее вы в нее упадете. Причина этого, казалось бы, парадокса — поле гравитационных вихрей, которым обладают все черные дыры.

Промежуточные черные дыры — застрявшие посередине

Ученые когда-то считали, что черные дыры бывают только маленькими и большими. Но недавние исследования показали возможность образования промежуточных или промежуточных черных дыр (IMBH). Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в цепной реакции. Некоторые из этих звезд, сформированные в той же области космоса, могут в конечном итоге схлопнуться вместе с центром галактики и создать сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили объект, который оказался черной дырой промежуточной массы. Он расположен в рукаве спиральной галактики.

Что происходит на горизонте?

Когда вы пересекаете горизонт, вокруг вас ничего особенного не происходит. Все из-за принципа эквивалентности Эйнштейна, из которого следует, что нельзя найти разницу между ускорением в плоском пространстве и гравитационным полем, которое создает искривление пространства. Однако наблюдатель вдали от черной дыры, наблюдающий за тем, как кто-то падает в нее, заметит, что человек будет двигаться все медленнее и медленнее, приближаясь к горизонту. Как будто время ближе к горизонту событий движется медленнее, чем от горизонта. Однако пройдет время, и наблюдатель, который упадет в дыру, пересечет горизонт событий и окажется в пределах радиуса Шварцшильда.

То, что вы испытываете на горизонте, зависит от приливных сил гравитационного поля. Приливные силы на горизонте обратно пропорциональны квадрату массы черной дыры. Это означает, что чем больше и массивнее черная дыра, тем меньше сила. И если только черная дыра достаточно массивна, вы можете пересечь горизонт еще до того, как узнаете, что что-то происходит. Эффект этих приливных сил удлинит вас: физики используют для этого технический термин «приготовление спагетти».

На заре развития общей теории относительности считалось, что на горизонте есть сингулярность, но оказалось, что это не так.

Испарение

Английский астроном С. Хокинг обнаружил интересный факт: как оказалось, черные дыры также испускают испарения. Правда, это касается только дырок относительно небольшой массы. Сильная гравитация вокруг них порождает пары частиц и античастиц, одна из пар притягивается к дыре, а вторая выбрасывается наружу. Следовательно, черная дыра испускает твердые античастицы и гамма-кванты. Это испарение или излучение черной дыры названо в честь открывшего ее ученого: «излучение Хокинга».

Зачем изучают черные дыры, и сколько их открыто?

Первая фотография черной дыры, сделанная в 2019 году. На ней изображена сверхмассивная черная дыра галактики M87.

Ученые изучают черные дыры, потому что с этими объектами связаны многие свойства Вселенной. Они служат центрами галактик и помогают им вращаться. Столкновение черных дыр создает гравитационные волны. Особый интерес представляет внутреннее пространство, которое не подчиняется законам физики. Изучение черных дыр позволяет лучше понять принципы устройства космоса.

В настоящее время астрономы открыли и изучили область с десятью отверстиями. Также отслеживается большое количество объектов с похожими свойствами. Но имеющейся информации недостаточно, чтобы доказать их принадлежность к классу черных дыр.

Почему в прошлом году Хокинг сказал, что черные дыры не существуют?

Так действительно ли существуют черные дыры?

Он имел в виду, что черные дыры не имеют вечного горизонта событий, а имеют только временный видимый горизонт. Строго говоря, черной дырой считается только горизонт событий.

Могут ли черные дыры столкнуться друг с другом?

Столкновение черных дыр

Черные дыры могут сталкиваться, но для этого необходимо, чтобы они находились на небольшом расстоянии друг от друга. Чаще всего этот процесс можно наблюдать после угасания двойной звезды. Когда обе звезды, находящиеся на небольшом расстоянии, превращаются в черные дыры, последние начинают сближаться и сталкиваться.

Кроме того, это явление возможно при слиянии галактик. Во время этого процесса две дыры из разных звездных скоплений могут сближаться и сталкиваться. Но такое явление происходит редко, примерно раз в несколько миллиардов лет.

Когда черные дыры сталкиваются друг с другом, начинается процесс слияния, который длится несколько десятилетий. При этом объекты становятся одним целым, даже сингулярность внутри них смешивается. Фактически, после столкновения черных дыр получается одна, но гораздо большего размера.

Самая большая черная дыра

Согласно теории черных дыр, в центре почти всех галактик находятся огромные черные дыры с массами от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца. И относительно недавно ученые обнаружили две из самых больших черных дыр, известных на сегодняшний день, обнаруженные в двух соседних галактиках: NGC 3842 и NGC 4849.

NGC 3842 — самая яркая галактика в созвездии Льва, примерно в 320 миллионах световых лет от нас. В его центре находится огромная черная дыра весом 9,7 миллиарда солнечных масс.

NGC 4849 — галактика в скоплении Кома, на расстоянии 335 миллионов световых лет от нас, и может похвастаться столь же впечатляющей черной дырой.

Зоны действия гравитационного поля этих гигантских черных дыр или, говоря академическим языком, их горизонт событий примерно в 5 раз больше расстояния от Солнца до Плутона! Такая черная дыра поглотит нашу солнечную систему и даже не задохнется.

Супермассивные черные дыры — рождение гигантов

Во Вселенной много маленьких черных дыр. Однако в космосе преобладают отверстия большего размера. Сверхмассивные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз тяжелее Солнца. Но их радиус близок к радиусу ближайшей к Земле звезды. Считается, что такие черные дыры находятся в центре почти всех галактик, включая Млечный Путь.

Ученые еще не до конца определили, как возникают такие большие черные дыры. Как только они родятся, они могут начать образовывать вокруг себя массу пыли и газа. То есть материала, которым изобилует центр галактик. И это позволяет им вырасти до огромных размеров.

Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч маленьких черных дыр. В этом процессе также могут быть задействованы большие газовые облака. Они позволяют черным дырам быстро накапливать массу. Третий вариант — коллапс звездного скопления, когда одновременно коллапсирует группа звезд.

Самая маленькая черная дыра

Но в большом семействе черных дыр есть очень маленькие представители. Таким образом, самая карликовая черная дыра, обнаруженная учеными на данный момент с точки зрения массы, всего в 3 раза больше массы нашего Солнца. Фактически, это теоретический минимум, необходимый для образования черной дыры, если бы эта звезда была больше детка, дыра бы не образовалась.

Черные дыры – каннибалы

Да, есть такое явление, как мы писали выше, черные дыры — это своего рода «галактические пылесосы», которые поглощают все вокруг себя, в том числе и другие черные дыры. Недавно астрономы обнаружили, что черную дыру из одной галактики поедает большая черная росомаха из другой галактики.

Почему черная дыра не излучает свет

Черные дыры обладают такой массой и гравитацией, что пространство и время внутри них искривляются. По этой причине ни один объект, пересекающий горизонт событий, не может убежать, включая свет. Следовательно, черные дыры лишены радиации.

Откуда мы знаем, что черные дыры существуют?

Черные дыры еще не изучены и вряд ли будут изучены в ближайшие несколько десятилетий

У нас есть множество наблюдательных свидетельств компактных объектов с большими массами, которые не излучают свет. Эти объекты передаются за счет гравитационного притяжения, например, из-за движения других звезд или газовых облаков вокруг них. Они также создают гравитационные линзы. Мы знаем, что у этих объектов нет твердой поверхности. Это происходит из наблюдений, потому что материя, падающая на объект с поверхностью, должна вызывать выброс большего количества частиц, чем материя, падающая за горизонт.

Сколько черных дыр в нашей галактике?

Млечный путь

Обнаружение черных дыр — довольно сложный процесс, требующий длительного наблюдения за космосом и сбора большого количества данных. Более того, многие из этих объектов остаются невидимыми, пока не начнут поглощать материю в ближайшем космосе.

На территории Млечного Пути открыто десять черных дыр, которые регулярно отслеживаются. Однако в пределах галактики могут существовать миллионы таких небесных тел, и среди них будут как маленькие, так и сверхмассивные.

Интересный факт: в Млечном Пути около 400 миллионов звезд, у которых достаточно массы, чтобы превратиться в черную дыру.

В 2005 году была обнаружена неоднородная область, которая постепенно перемещается вокруг центра галактики. Полученные данные показывают, что в этой части Млечного Пути могло быть до 20 тысяч черных дыр.

Несколько лет назад японские астрономы обнаружили объект, расположенный недалеко от Стрельца A *. Его масса составляет 100 000 солнечных, а диаметр — 0,3 светового года. Также это может быть черная дыра.

Интересные факты

• Согласно гипотезам некоторых ученых, черные дыры — это не просто галактические пылесосы, которые всасывают все в себя, но при определенных обстоятельствах они могут сами создавать новые вселенные.
• Черные дыры со временем могут испаряться. Выше мы писали, что английский ученый Стивен Хокинг обнаружил, что черные дыры обладают свойством излучения, и через очень долгий период времени, когда вокруг нечего поглощать, черная дыра начнет испаряться сильнее, пока в конце концов не начнет испаряться не отдаст всю свою массу в окружающее пространство. Даже если это всего лишь гипотеза, гипотеза.
• Черные дыры замедляют время и искривляют пространство. Мы уже писали о замедлении времени, но пространство в условиях черной дыры будет полностью искривленным.
• Черные дыры ограничивают количество звезд во Вселенной. То есть их гравитационные поля препятствуют охлаждению газовых облаков в космосе, из которых, как известно, рождаются новые звезды.