Черная дыра: космическая загадка размером в миллионы солнц

Феномен «черных дыр» (black holes) давно интересует астрономов и физиков. Черная дыра – это явление, связанное с нарушением всех законов физики, загадочный объект, внутрь которого невозможно заглянуть. Рассмотрим подробнее, что такое черная дыра и какими особенностями она обладает, как образуются черные дыры, интересные факты о черных дырах.

Что такое черная дыра

Это область космического пространства, где уровень гравитации аномально высокий и ни один объект не способен вырваться за пределы этого участка.

В 2020 году Нобелевской премии по физике был удостоен Роджер Пенроуз, математик, проделавший расчет с доказательством происхождения черных дыр как неизбежного следствия гравитационного воздействия. Также награду получили А. Гэз и Р.Генцель, доказавшие наличие такого сверхмассивного участка в центральной части нашей галактики. Исследованиями в этой области занимались А. Эйнштейн, Стивен Хокинг (он считал, что черных дыр не существует).

Основной период существования черной дыры они неактивны, но в активный период «пожирают» целые звезды, пространства газов и пыли, могут затмить собой целую галактику, которая в этом случае будет называться квазаром. Но на самом деле основной массы сведений о космических дырах очень немного.

Почему черная дыра называется черной

Первое название этого космического явления – коллапсар. Но в научной журналистике стало мелькать наименование «черная дыра» (black holes), которое понравилось физикам, они вывели его на практический уровень в астрономии. Свойства черной дыры – абсолютно аннигилирует свет и является невидимой. Рассмотреть его возможно, если на краю есть вещественная оболочка – газовые образования или другие объекты. В ином случае зрение и техника черную дыру не зафиксируют.

Как появляются черные дыры

Зарождение таких объектов black holes находится в прямой пропорциональности от веса. Здесь их можно поделить на околосолнечные (вес равен нескольким светилам) и массивно-масштабные (габариты в миллионы раз больше). Чем она тяжелее, тем шире горизонт событий.

Самые старшие – околосолнечные, они зародились на заре появления во Вселенной. Изначально габариты черной дыры превышали Солнце в 25-70 раз, когда сокращение остановилось, произошел взрыв, центр стал черной дырой. Превышение Солнца в миллионы раз создается за счет огромных газовых туманностей, их масса формирует мегабольшую дыру. Пример – Стрелец А*, что в 26 св. лет от нашей системы. Этот объект пребывает в центре. Если поглощение одностороннее, то вся масса вращается в одном направлении.

Как обнаружить черную дыру

Вычисляют черные дыры в основном на основе математических методов. В основном это теоретические суждения, базируются они на сложных вычислениях. Но есть координаты, которые позволяют зафиксировать определенный уровень космического излучения или отсутствия сигналов, что дает основания предположить наличие подобных поглощающих объектов.

Как умирают черные дыры

Для исчезновения необходима потеря всей массы, но ничто не может выйти из-за пределов после пересечения границы. Дыра может излучать виртуальные частицы в виде туннельного эффекта – они попарно рождаются и аннигилируются, не контактируя с миром. Если они появятся на горизонте, то мощная гравитация их способна разделить. Одна упадет внутрь, другая начнет двигаться в противоположном направлении, будет наблюдаема, имеет положительный заряд. И дыра начнет терять свою энергию, начнется эффект испарения.

Постепенно с сокращением массы излучение частиц черной дыры станет интенсивнее. На финальной стадии размер сократится до квантовой формы, выделится колоссальное количество излучения, равное миллиону атомных бомб. Такие дыры могли появиться в ходе Большого взрыва, и масса в 1012 кг могла бы испаряться до наших дней. Но сам факт взрыва черных дыр земными средствами наблюдения не фиксируется.

Структура черных дыр

Из чего состоит черная дыра? Состоящее из двух базовых элементов, это чудо природы включает горизонт событий – своеобразную границу гравиполя, и сингулярность. Предел находится по периметру, сингулярность является наполнением внутреннего пространства. Но что именно есть внутри – пока не очень известно науке. Только можно предположить, что там сильно искажается все пространство, не работают физические законы. Если весь массив вращается, то вокруг горизонта черной дыры формируется эргосфера, в ней в том же направлении несутся другие объекты. Но в сингулярность из этой зоны ничто не затягивается, притяжения не хватает. То есть эргосферу можно покинуть в момент импульса, и чем больше вес дыры, тем меньшей уплотненностью она обладает.

Сингулярность

Что внутри черной дыры? Она имеет центральную часть, точку вне времени-пространства, где невозможно установить координаты и наблюдать законы физики. Поэтому есть теория, что здесь возможен переход в параллельные миры – скачком через сингулярность. Это машина времени, потому что нет противоречий с физикой, можно перенестись в любом направлении. Создают модели сингулярности, так как увидеть ее напрямую нельзя, она располагается за пределом видения – горизонтом событий.

Горизонт событий

Так называемый «горизонт событий» связывают с космическими явлениями. Принцип эквивалентности А. Эйнштейна гласит, что нет разницы между ускорением в условиях плоскости и гравитационного поля, которое пространство искривляет. Если наблюдать издалека за дырой, то можно видеть падение другого объекта. При этом движение этого объекта будет замедляться ближе к горизонту. Как будто время на этом участке течет медленнее. После пересечения горизонта объект упадет внутрь радиуса Шварцшильда (радиус черной дыры).

Что происходит на горизонте

Замедление на горизонте объясняется действием приливных сил гравитации. На этом участке они обратно пропорциональный квадратной массе всей дыры. Чем она больше – тем меньше сила. И только при большой массе можно преодолеть горизонт и зафиксировать изменения. Так называемый эффект спагетти, «спагеттификация» будет растягивать объект за счет приливных сил.

Изначально считали, что есть сингулярность, но позднее эта теория была отвергнута.

Виды черных дыр

Всего существует четыре разновидности этих объектов, у каждого вида – свои отличия.

Первичные черные дыры

Черные дыры вселенной – результат полного выгорания звездного топлива. После термоядерных процессов светило остывает и сжимается под силой гравитации. Если этот процесс приостановится, то появится нейтронная звезда. Продолжаясь, из-за коллапса притяжения звезда превращается в черную дыру.

Сверхмассивные черные дыры

Это черные дыры гигантских размеров и массы. Их вес больше, чем думали ранее, например, 3 млрд. солнечных весит дыра в галактике М-87. Они способствуют вращению звезд, и весить должны еще больше. Чаще всего дыра находится по центру звездного скопления и служит галактическим ядром. Наращивание веса идет за счет поглощения материала в черную дыру из космоса.

Черные дыры звездных масс

Пока их наличие не доказано. Возможно, такие объекты появились в результате колебаний гравиполя, отклонений однородности. Если такие дыры есть, то они относительно невелики по габаритам и массе, даже меньше Солнца.

Квантовые черные дыры

Образуются в итоге ядерных процессов, где активизируется большой объем энергии. Но это только теория, человеческая наука порог не преодолела в своих исследованиях. Такую черную дыру можно получить после столкновения массы протонов. Результатом будет максимона – простая частица. Она и будет считаться черной дырой квантового типа. Это будет тяжелейшая элементарная частица.

Если попали в черную дыру

Куда ведут черные дыры? Часто в фантастических фильмах показывают, как герои переносятся между измерениями black holes, используя как портал в черной дыре. Но она не обладает такими возможностями. После пересечения горизонта событий, в пространстве сильнейшего гравиполя объект начнет сплющиваться или растягиваться одновременно, до полного распада на атомы и слияния с сингулярностью, так что путешествия опасны и пока невозможны.

Белая дыра

Есть ли противоположность – «белая дыра»? Да, теоретически ее специфика будет состоять в невозможности проникновения за горизонт событий. Это сингулярность безмассового типа, внутри нет никакой материи, как и массы. О таких объектах начали говорить в 1970-е, но ни одного примера в обозримом космосе не обнаружено, это только теория. Белые дыры должны, по идее, выбрасывать свет и не пропускать объекты свозь излучение. В реальности данное явление было бы невероятно ярким, сильнее любых звезд.

С течением времени такой объект из категории black holes должен стать звездой, испуская и накапливая энергию. Процесс бесконечной отдачи энергии без ее поддержания невозможен. Обычно сингулярность – следствие угасания звезд, а здесь она должна появиться сама. Такой спонтанный сценарий невероятен. Но намеки в космосе есть: гамма-всплески, необъяснимое явление, когда в космосе излучается огромное количество энергии.

Самая большая черная дыра

Наиболее масштабный объект такого типа на сегодняшний день известен, он зафиксирован в галактике S5 0014+81. Ему присвоена категория блазара и название FSRQ. Это ядро звездного скопления на расстоянии от Солнца в 12 млрд. световых лет. Вес – 40 млрд. солнц, диаметр тоже огромный – 0,026 св. лет. Возраст объекта – 12 млрд. лет, то есть он на 1,5 млрд. лет младше Вселенной.

Вот такое неоднозначное явление существует в нашей необъятной Вселенной. Теперь вы знаете, как образуется черная дыра. Она представляет собой один из сценариев будущего, когда начнут гаснуть все звезды – им предстоит превратиться в необозримое количество черных дыр.

Так же может заинтересовать

Полярная звезда

Звезда Сириус

Созвездие Тельца

Спутник Фобос

Спутник Деймос

Планета Нептун

Планета Юпитер

Церера

Кометы