18:00

Черные дыры - необычное явление Вселенной


Прежде чем заняться вопросом о черных дырах, давайте рассмотрим понятие «скорость убегания». Этот термин довольно хорошо известен, и многие считают, что скорость должна двигаться вверх, чтобы вырваться из гравитационного притяжения Земли. Естественно, все не так просто (включая связь с наукой баллистики), но для примера - вполне достаточно.

Логически, чем сильнее гравитационное притяжение, тем выше должна быть скорость убегания. На Земле, например, скорость убегания составляет 11,2 км в секунду. С другой стороны, Солнцу требуется ускоряющая скорость около 618 км в секунду.

Из примера может показаться, что скорость вылета определяется размером объекта, но на самом деле она связана с его массой. Как говорил мой школьный учитель физики: «Масса - это количество вещей в объекте». Не совсем технический способ объяснения, но, надеюсь, вы поймете, что он имел в виду. Солнце более массивное, чем Земля.

Предположим, что у вас есть объект с очень высокой плотностью - тот, который довольно мал, но содержит множество «вещей» и все они очень сильно упакованы. Это сделало бы его массу действительно высокой, даже с небольшими размерами. Затем представьте, что он был настолько массивным, что его скорость вылета была больше 300 000 км в секунду - скорость света. По сути, с таким объектом сам свет не имел бы достаточной скорости, чтобы избежать гравитационного притяжения и остался бы там в ловушке. Объект был бы, по сути, невидимым. И такой объект - черная дыра.

Геолог по имени Джон Мичелл, еще в 1783 году предложил идею о том, что объект теоретически может быть настолько плотным, что сам свет будет захвачен его гравитационным полем и он назвал его «темной звездой». Позже, когда теория относительности Эйнштейна показала, что свет действительно может быть затронутым гравитацией, это сделало предположения Мичелла более правдоподобными.
 
Как формируется черная дыра
 
Еще в 1960-х годах многие астрофизики считали, что черная дыра не может образоваться естественным образом. Эйнштейн, конечно, придерживался такого мнения, поскольку он считал, что объект стабилизируется, прежде чем он станет достаточно плотным для образования черных дыр. Однако сегодня мы знаем, что существует три разных способа создания черной дыры.

 
1. Гравитационный коллапс
 
Это, безусловно, самая распространенная причина создания черной дыры. В небесном теле, таком как звезда, действуют две противоположные силы - гравитация, которая пытается сжать массу внутрь и внутреннее давление, которое противостоит этому и выталкивает все наружу. Обычно эти две силы стабилизируются, звезда спокойно мерцает в пространстве, и все в порядке.

Однако, когда источник энергии звезды истощается, это внутреннее давление нарушается, и тогда гравитация имеет преимущество. Звезда начинает схлопываться сама по себе. Во многих случаях равновесие в конечном итоге достигается еще раз, и результатом является карликовая или даже нейтронная звезда. Но, если звезда была настолько огромной и массивной, что гравитации было достаточно для полного преодоления внутреннего давления, то звезда продолжает разрушаться до того, что считается бесконечно плотной точкой, пока не становится черной дырой.
 
2. Плотность Большого Взрыва
 
Как стало ясно, образование черной дыры требует очень высокой плотности и в истории Вселенной, общая плотность была очень высокой, сразу после Большого взрыва. Небольшие вариации в общей плотности Вселенной в это время позволили создать черные дыры всех размеров - от микроскопических до тех, которые в сотни тысяч раз больше массы, чем Солнце.
 
3. Столкновения субатомных частиц
 
Предполагается, что микро-черная дыра может быть создана при столкновениях субатомных частиц высоких энергий. Это подтверждают законы квантовой гравитации. Любые такие отверстия могут возникать, когда космические лучи попадают в атмосферу Земли, но они испаряются в течение наносекунды (это очень быстро).
 
Они не могут быть замечены!
 
Если черные дыры не дают света, как мы можем их видеть, и откуда мы знаем, что они существуют? Ответ довольно простой - они искажают пространство-время вокруг себя, что можно наблюдать.
 

На изображении вокруг черной дыры искажены фоновые звезды. Довольно часто свет согнут до такой смехотворной степени, что изображение звезды будет появляться с обеих сторон черной дыры одновременно. Это явление известно как «гравитационное линзирование».
 

Структура черной дыры
 
Есть несколько свойств черной дыры, некоторые из которых могут показаться знакомыми.
 
1. Горизонт событий
 
Если вы изучаете черную дыру на космическом корабле (припаркованном на безопасном расстоянии), и наблюдаете за приближением к ней другого космического корабля, наступит момент, когда покажется, что другое судно остановилось и застыло на месте. Это место, где свет больше не может выходить из гравитационного притяжения дыры, и называется горизонтом событий. Космический корабль, конечно, продолжает лететь к центру черной дыры, но этого никогда не увидеть. На борту обреченного космического корабля его экипаж не испытает никаких изменений (кроме того, что невероятно сильная гравитация разорвет их на части).
 
2. Радиус Шварцшильда
 
Это определено в радиусе гипотетической сферы, которая, если бы содержалась в нем масса объекта, скорость вылета этого объекта равнялась бы скорости света. Радиус был впервые рассчитан немецким астрономом Карлом Шварцшильдом в 1915 году.

Критерий соответствует не многим объектам. Большинство небесных тел имеют фактические радиусы намного больше, чем радиусы Шварцшильда. Например, для Земли он составляет менее одного сантиметра. Это означает, что для того, чтобы Земля превратилась в черную дыру, всю планету пришлось бы сжать в сферу диаметром менее двух сантиметров. Таким образом, условия для радиуса Шварцшильда больше фактического радиуса снова сводятся к хорошей старой плотности. По сути, радиус Шварцшильда находится там, где происходит горизонт событий черной дыры.
 
3. Предел Чандрасекара
 
Построенный индейско-американским астрофизиком Субрахманяном Чандрасекаром в 1930 году, абсолютный предел массы, которую может поддерживать в стабильном состоянии белый карлик. Любое запредельное увеличение массы приведет к дальнейшему коллапсу либо в нейтронную звезду, либо в черную дыру. В цифрах, параметр составляет примерно в 1,44 раза больше массы Солнца.
 
Сингулярность

Один из выводов теории относительности Эйнштейна заключался в том, что сила тяжести является результатом искажения пространства-времени.
 

Изображение: Джонстон

Выше показана кривизна пространства-времени, созданная нашей Земля. Как можно увидеть, это своего рода решетка, изображающая двумерное представление координат пространства-времени. Наглядно, можно предположить, что Земля не слишком сильно искажает пространство-время.
 

Изображение: обзор Вселенной

С другой стороны, эта диаграмма показывает, сколько пространства-времени искажено черной дырой. «Центральная точка», в графике - место, где гравитация и плотность становятся бесконечными. Это «сингулярность» черной дыры.
 
Различные типы черных дыр
 
В самом широком смысле черные дыры классифицируются по размеру:

1. Супермассивные имеют массовый эквивалент до одного миллиарда Солнц и нередко встречаются в центре галактик - наш Млечный Путь не исключение.

2. Звездные имеют более нормальный размер (если что-то можно считать «нормальным» в отношении этих явлений) и образуются в результате разрушения одной звезды.

3. Однако черные дыры могут быть классифицированы в соответствии с различными свойствами. В этой системе существует три разных типа:
 
 - Черная дыра Шварцшильда
 - Reissner-Nordstrøm Черная дыра
 - Черная дыра Керр
Черные дыры съедят Вселенную?
 
Наблюдения были сделаны из звездных черных дыр, поглощающих близлежащие звезды:
 

Изображение:  ESO / L Calçada

В представлении художника о реальном событии, нарисована двойная система с черной дырой обнаруженная в спиральной галактике NGC 300 (также известной как Caldwell 70), в созвездии Скульптора, на расстоянии 5,41 миллиона световых лет. Материя от звезды постепенно перетекает к черной дыре благодаря сильной гравитации. Либо звезда в конце концов будет полностью поглощена, либо сама станет черной дырой, впоследствии слившись с первой.

В конечном счете можно подумать, что сверхмассивная черная дыра в центре Млечного пути, например, в конечном итоге поглотит всю галактику. На самом деле, это правда! Но утешительная вещь - процесс поглощения займет невероятно много времени. Звезды в галактическом центре постепенно исчезнут в черной дыре, так что к тому времени, когда Солнце окажется в опасности, черная дыра увеличится до 100 миллиардов солнечных масс. Это не произойдет в последующие миллион миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов лет.

Считается, что черные дыры в конечном итоге захватят Вселенную. Независимо от того, справятся ли они с этим, прежде чем Вселенная испытает тепловую смерть или «большой разрыв», мы никогда не узнаем.
 
Судьба черных дыр
 
Черные дыры - вечные? Теоретически, да. Они будут продолжать поглощать любые близлежащие объекты, становясь все более и более массивными. Некоторые предсказывают, что вся Вселенная однажды может оказаться гигантской черной дырой.

Несмотря на то, что уникальность черной дыры - факт, что от нее ничего не может избежать, это еще не все. В 1974 году грозный астрофизик Стивен Хокинг предсказал, что вращающиеся черные дыры могут фактически излучать из-за квантовых эффектов вблизи горизонта событий.

И Впоследствии это было найдено, и излучение названо «излучением Хокинга». Такая черная дыра, по сути, может выкидывать больше материала, чем поглощает. В результате отверстие постепенно уменьшается, в конечном итоге испаряясь.
 
Белые дыры?
 
Готов поспорить, вы не слышали об этом, не так ли? Прежде чем мы пойдем дальше, я собираюсь бросить математическую концепцию в вашу сторону. Вы знаете, как проходит известное уравнение Эйнштейна E = mc²? Ну, оно также может быть записано как c = квадратный корень из E / m (поверьте мне). Теперь квадратный корень может быть как положительным, так и отрицательным (как в квадратном корне, скажем, 9, равным 3 и -3). В этом математическом контексте черная дыра является положительной версией, а белая дыра - отрицательной.

Однако в реальном мире белые дыры очень гипотетичны. Считается, что они имеют точно противоположные свойства, чем черные дыры, если вообще существуют. Таким образом, ничто не могло пройти горизонт событий, приближаясь к белой дыре, но материя могла бы свободно выходить из отверстия, в другом направлении.

Поскольку такие дыры являются противоположностями друг друга, они могут быть очень хорошо связаны, так что вещество, попадающее в черную дыру, затем выбрасывается белой дырой. Таким образом, считается, что особенности двух дыр связаны мостом Эйнштейна-Розена - или, более знакомым для вас и меня, кротовой норой (червоточиной)!
 

Представление связи между черной и белой дырой.
Изображение: AllenMcC

Поскольку кротовые норы искривляют пространство-время, любой, кто пройдет через них, реально станет путешественником во времени. Однако эти червоточины очень нестабильны, поэтому до тех пор, пока технология не станет доступной для их стабилизации, такие возможности будут в далеком-далеком будущем. Тем не менее, довольно увлекательная концепция.

Источник: guide-to-the-universe.com

Смотрите также:
Галактика Млечный Путь - наш дом
Галактики во Вселенной - разные типы
Звезды. Виды, продолжительность жизни

Астрономия | Просмотров: 78 | Добавил: alienshooter | Дата: 13.10.2017

Черные дыры - необычное явление Вселенной. Всего комментариев: 0
Проверка *:

Опрос
Какая серия игр лучшая?
Всего ответов: 43
Чат