Школьная энциклопедия. Первое практическое доказательство существования черных дыр

Как для ученых минувших столетий, так и для исследователей нашего времени наибольшей загадкой космоса является черная дыра. Что внутри этой совсем незнакомой для физики системы? Какие законы там действуют? Как идет время в черной дыре, и почему оттуда не могут вырваться даже кванты света? Сейчас мы попробуем, конечно же, с точки зрения теории, а не практики, разобраться в том, что внутри черной дыры, почему она, в принципе, образовалась и существует, как она притягивает объекты, которые ее окружают.

Для начала опишем этот объект

Итак, черной дырой именуется определенная область пространства во Вселенной. Выделить ее как отдельную звезду или планету невозможно, так как это не твердое и не газовое тело. Не имея базовых пониманий того, что такое пространство-время и как эти измерения могут видоизменяться, невозможно постичь того, что находится внутри черной дыры. Дело в том, что эта область не является лишь пространственной единицей. который искажает как три известных нам измерения (длину, ширину и высоту), так и временную шкалу. Ученые уверены в том, что в районе горизонта (так называется область, окружающая дыру) время принимает пространственное значение и может двигаться как вперед, так и назад.

Познаем тайны гравитации

Если мы желаем разобраться в том, что внутри черной дыры, рассмотрим детально, что такое гравитация. Именно это явление ключевое в понимании природы так называемых «кротовых нор», из которых не выбирается даже свет. Гравитацией называется взаимодействие между всеми телами, которые имеют материальную основу. Сила такого тяготения зависит от молекулярного состава тел, от концентрации атомов, а также от их состава. Чем больше частиц сколлапсировано в определенном участке пространства, тем больше гравитационная сила. Это неразрывно связано с Теорией Большого взрыва, когда наша Вселенная была размером с горошину. Это было состояние максимальной сингулярности, и в результате вспышки квантов света пространство стало расширяться за счет того, что частицы отталкивались друг от друга. С точностью до наоборот описывается учеными черная дыра. Что внутри такой штуковины в соответствии с ТБЗ? Сингулярность, которая равна показателям, присущим нашей Вселенной в момент зарождения.

Как попадает материя в «кротовую нору»?

Бытует мнение, что человек никогда не сможет понять, что происходит внутри черной дыры. Так как, попав туда, он будет буквально раздавлен гравитацией и силой тяжести. На самом деле это не совсем так. Да, действительно, черная дыра представляет собой область сингулярности, где все сжато до максимума. Но это вовсе не «космический пылесос», который способен затянуть в себя все планеты и звезды. Любой материальный объект, оказавшийся на горизонте событий, будет наблюдать сильное искажение пространства и времени (пока что эти единицы стоят отдельно). Эвклидова система геометрии начнет давать сбои, иными словами, пересекутся, очертания стереометрических фигур перестанут быть привычными. Что касается времени, то оно будет постепенно замедляться. Чем ближе вы будете приближаться к дыре, тем медленнее будут идти часы относительно Земного времени, но вы этого не заметите. При попадании в «кротовую нору» тело будет падать с нулевой скоростью, но при этом данная единица будет равняться бесконечности. кривизны, который приравнивает бесконечное к нулю, что окончательно останавливает время в области сингулярности.

Реакция на излучаемый свет

Единственным объектом в космосе, который притягивает свет, является черная дыра. Что внутри нее находится и в каком оно там виде - неизвестно, но полагают, что это кромешная тьма, которую представить себе невозможно. Световые кванты, попадая туда, не просто исчезают. Их масса умножается на массу сингулярности, что делает ее еще больше и увеличивает ее Таким образом, если внутри «кротовой норы» вы включите фонарик, чтобы осмотреться, он не будет светиться. Излучаемые кванты будут постоянно множиться на массу дыры, и вы, грубо говоря, лишь усугубите свое положение.

Черные дыры на каждом шагу

Как мы уже разобрались, основой образования является гравитация, величина которой там в миллионы раз превосходит земную. Точное представление о том, что такое черная дыра, подарил миру Карл Шварцшильд, который, собственно, и открыл тот самый горизонт событий и точку невозврата, а также установил, что ноль в состоянии сингулярности равен бесконечности. По его мнению, черная дыра может образоваться в любой точке пространства. При этом определенный материальный объект, имеющий сферическую форму, должен достичь гравитационного радиуса. Например, масса нашей планеты должна уместиться в объеме одного горошка, чтобы стать черной дырой. А Солнце должно иметь диаметр в 5 километров при своей массе - тогда его состояние станет сингулярным.

Горизонт образования нового мира

Законы физики и геометрии отлично действуют на земле и в открытом космосе, где пространство близится к вакууму. Но они полностью теряют свою значимость на горизонте событий. Именно поэтому с математической точки зрения невозможно рассчитать, что внутри черной дыры. Картинки, которые можно придумать, если искривлять пространство в соответствии с нашими представлениями о мире, наверняка далеки от истины. Установлено лишь, что время тут превращается в пространственную единицу и, скорее всего, к существующим измерениям прибавляются еще какие-то. Это дает возможность полагать, что внутри черной дыры (фото, как известно, этого не покажет, так как свет там съедает сам себя) образуются совсем иные миры. Эти Вселенные могут состоять из антивещества, которое ныне незнакомо ученым. Также существуют версии, что сфера невозврата - это лишь портал, который ведет либо в другой мир, либо в другие точки нашей Вселенной.

Рождение и смерть

Куда более чем существование черной дыры, является ее зарождение или исчезновение. Сфера, искажающая пространство-время, как мы уже выяснили, образуется в результате коллапса. Это может быть взрыв большой звезды, столкновение двух и более тел в космосе и так далее. Но каким образом материя, которую теоретически можно было бы ощупать, превратилась в область искажения времени? Загадка находится в процессе работы. Но за ней следует второй вопрос - почему такие сферы невозврата исчезают? И если черные дыры испаряются, то почему из них не выходит тот свет и вся космическая материя, которую они втянули? Когда вещество в зоне сингулярности начинает расширяться, гравитация постепенно снижается. В результате черная дыра просто растворяется, и на ее месте остается обычное вакуумное космическое пространство. Из этого вытекает еще одна загадка - куда подевалось все то, что в нее попало?

Гравитация - наш ключ к счастливому будущему?

Исследователи уверены в том, что энергетическое будущее человечества может сформировать именно черная дыра. Что внутри этой системы, пока что неизвестно, но удалось установить, что на горизонте событий любая материя трансформируется в энергию, но, конечно же, частично. К примеру, человек, оказываясь около точки невозврата, отдаст 10 процентов своей материи для ее переработки в энергию. Этот показатель просто колоссальный, он стал сенсацией у астрономов. Дело в том, что на Земле при материя перерабатывается в энергию лишь на 0,7 процента.

Да, существуют. Черной дырой называется область пространства-времени, в которой гравитационное поле настолько сильно, что даже свет не может покинуть эту область. Это происходит, если размеры тела меньше его гравитационного радиуса rg.

Что это такое?

Черные дыры должны возникать в результате очень сильного сжатия массы , при этом поле тяготения возрастает настолько сильно, что не выпускает ни свет, ни какое-либо другое излучение. Чтобы преодолеть тяготение и вырваться из черной дыры, потребовалась бы вторая космическая скорость – больше световой. Но, согласно теории относительности, никакое тело не может развить скорость, большую скорости света. Поэтому из черной дыры ничто не может вылететь. Оттуда также не может поступать информация. Невозможно узнать, что произошло с тем, кто попал в черную дыру. Уже вблизи дыр резко изменяются свойства пространства и времени.

Теоретическая возможность существования таких областей пространства-времени вытекает из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна. Проще говоря, Эйнштейн предсказал удивительные свойства черных дыр , из которых важнейшее – наличие у черной дыры горизонта событий. Согласно новейшим данным наблюдений, черные дыры действительно существуют и им присущи удивительные свойства. Существование черных дыр вытекает из теории гравитации: если эта теория верна, то истинным является существование черных дыр. Поэтому утверждения о непосредственных доказательствах существования чёрных дыр следует понимать в смысле подтверждения существования астрономических объектов, таких плотных и массивных, а также обладающих некоторыми другими наблюдаемыми свойствами, что их можно интерпретировать как чёрные дыры общей теории относительности. Кроме того, чёрными дырами часто называют объекты, не строго соответствующие данному выше определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к такой чёрной дыре - например, это могут быть коллапсирующие звёзды на поздних стадиях коллапса.

Невращающаяся черная дыра

Для невращающейся черной дыры радиус горизонта событий совпадает с гравитационным радиусом. На горизонте событий для внешнего наблюдателя ход времени останавливается. Космический корабль, посланный к черной дыре, с точки зрения далекого наблюдателя никогда не пересечет горизонт событий, а будет непрерывно замедляться по мере приближения к нему. Все, что происходит под горизонтом событий, внутри черной дыры, внешний наблюдатель не видит. Космонавт в своем корабле в принципе способен проникнуть под горизонт событий, но передать какую-либо информацию внешнему наблюдателю он не сможет. При этом космонавт, свободно падающий под горизонтом событий, вероятно, увидит другую Вселенную и даже свое будущее. Это связано с тем, что внутри черной дыры пространственная и временная координаты меняются местами, и путешествие в пространстве здесь заменяется путешествием во времени.

Вращающаяся черная дыра

Ее свойства еще более удивительны. У них горизонт событий имеет меньший радиус, он погружен внутрь эргосферы – такой области пространства-времени, в которой тела должны непрерывно двигаться, подхваченные вихревым гравитационным полем вращающейся черной дыры.
Эти необычные свойства черных дыр кажутся просто фантастическими, поэтому их существование в природе часто ставится под сомнение.

Черная дыра в составе двойной звездной системы

В этом случае наиболее сильно проявляются эффекты черной дыры, т.к. в двойной звездной системе одна звезда – яркий гигант, а вторая - черная дыра. Газ из оболочки звезды-гиганта вытекает к черной дыре, закручивается вокруг нее, образуя диск. Слои газа в диске по спиральным орбитам приближаются к черной дыре и падают в нее. Но до падения у границы черной дыры газ разогревается в результате трения до огромной температуры в миллионы градусов и излучает в рентгеновском диапазоне. По этому рентгеновскому излучению черные дыры и находят в двойных звездных системах.

Заключение

Предполагается, что массивные черные дыры возникают в центрах компактных звездных скоплений. Возможно, рентгеновский источник в созвездии Лебедя – Лебедь-Х-1 и есть такая черная дыра.

Астрономы не исключают, что в прошлом черные дыры могли возникать в начале расширения Вселенной, поэтому не исключено образование очень маленьких черных дыр.

Значения масс большого числа нейтронных звезд и черных дыр подтверждают справедливость предсказаний теории относительности А. Эйнштейна. В последние годы проблема гипотезы черных дыр во Вселенной превратилась в наблюдательную реальность. Это означает качественно новый этап в исследованиях черных дыр и их удивительных свойств, есть надежда на новые открытия в этой области.

Что это такое?

Невращающаяся черная дыра

Вращающаяся черная дыра

Черная дыра в составе двойной звездной системы

Заключение

С момента, когда силой коллективного разума блестящих учёных всего мира была сформулирована теория чёрных дыр, сама возможность существования неразличимых в космическом пространстве гравитационных ловушек будоражила умы учёных. До недавнего времени считалось, что чёрные дыры — убеждённые одиночки, не способные мирно сосуществовать со своими собратьями, однако обнаружение невероятного с точки зрения астрофизики древнего звёздного скопления, включающего в себя сотни чёрных дыр, в корне опровергло это представление.

Чёрные дыры снискали славу одних из самых спорных и загадочных объектов во Вселенной. Этих невероятно массивных космических монстров, не выпускающих из своих цепких гравитационных щупалец даже свет, практически невозможно обнаружить, а значит, и исследовать. Чёрная дыра становится «видна» лишь тогда, когда она избирает и поглощает очередную жертву. Именно в этот момент наблюдается аномальное поведение звезд и межзвёздного вещества, сопровождающееся всплесками гравитационных волн и мощным рентгеновским излучением, позволяющим обнаружить дыру.

ШАГ ЗА ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ

По сей день астрофизикам не удаётся прийти к единому мнению относительно природы черных дыр. Согласно одной из популярных теорий, во время взрыва сверхновой, то есть гибели достаточно массивной звезды, гравитационное сжатие достигает таких масштабов, что вещество погибшей звезды начинает коллапсировать, стягиваться к центру, образуя точку настолько высокой плотности и массы, что все законы физики внутри неё отменяются. Образуется сингулярность, способная силой одного лишь гравитационного воздействия не просто поглощать попавшую в область притяжения материю, но и искривлять окружающее пространство и изменять само течение времени. Именно поэтому одно из общепринятых на сегодня определений описывает чёрную дыру как невероятно плотную область пространства-времени, обладающую столь мощным гравитационным притяжением, что ни одна частица не может вырваться за её предел, называемый горизонтом событий.

Как уже говорилось, учёные способны судить о происходящих в чёрных дырах процессах только по состоянию излучений поглощаемых дырами объектов, в состоянии покоя же эти притаившиеся в космических глубинах сверхплотные тела остаются совершенно неразличимыми для наблюдателя. Первые доказательства существования чёрных дыр были получены благодаря наблюдению вращения светящихся дисков разогретых газов и «танцующих» звёзд, без видимой причины начинавших стремительно кружиться по вытянутым орбитам вокруг пустой на первый взгляд области пространства.

Современной науке не известен другой такой объект, способный раскрутить, разогреть, перемолоть и вывернуть наизнанку невообразимые массы материи. Именно сверхмассивные чёрные дыры таятся в сердцах галактик и, пожалуй, самых ярких объектов во Вселенной — квазаров.

Однако происхождение чёрных дыр достойно отдельного, более внимательного рассмотрения, тем более что далеко не на все подробности этого процесса учёным удалось пролить свет понимания- На сегодня исследователи не могут прийти к единому мнению даже о том, чем на самом деле является чёрная дыра — обособленным объектом, бесконечно коллапсирующей звездой или же особой областью пространства. Более того: астрофизики не имеют неоспоримых доказательств самого существования объектов, наделяемых свойствами чёрных дыр, так как оно напрямую зависит от правильности постулатов современной теории гравитации. Но, как показывает практика, человеческие представления о законах Вселенной — не авторитет для чёрных дыр.

СОТНИ ЧЁРНЫХ ДЫР СОЗВЕЗДИЯ РАЙСКОЙ ПТИЦЫ

Вначале осени текущего года исследователи из Университета Суррея () заявили об открытии невероятного с точки зрения астрофизики сосредоточения сотен чёрных дыр в шаровом звёздном скоплении NGC 6101 из созвездия Райской Птицы. Согласимся, на человека, далёкого от науки, открытие группы «компанейских» чёрных дыр вряд ЛИ способно оказать должное впечатление, но для учёных эта находка стала по-настоящему шокирующей.

Согласно традиционному представлению, многочисленное скопление чёрных дыр может возникнуть в системах, включающих в себя большое число массивных звёзд, располагающихся на относительно небольшом по космическим меркам расстоянии друг от друга и сформировавшихся примерно в одно время. Благодаря большой концентрации звёзд, относящихся к одному «поколению», и примерно одинаковой скорости движения элементов системы в пространстве в подобных скоплениях процесс превращения массивных звезд в сверхновые протекает практически синхронно, что приводит к выбросу газов и чёрных дыр за пределы скопления. Но формирование в созвездии Райской Птицы, по-видимому, не желает вписываться в стандартную модель.

Оказалось, шаровые звёздные скопления, подобные NGC 6101, могут содержать сотни чёрных дыр звёздной массы, правда, не без последствий для структуры самого формирования.

МОЛОДЯЩИЕСЯ «ИЗГОИ»

Обнаружение чёрных дыр в отдалённых областях стало возможным благодаря открытию 2013 года, когда астрономам удалось засечь присутствие дыры по излучению, выделяемому при её «трапезе», когда звезда-компаньон отдавала свою материю черной дыре. В случае NGC 6101 внимание астрофизиков привлекло, в частности, аналогичное поведение звёзд и присутствие большого количества так называемых звезд-изгоев, В стандартных шаровых скоплениях подавляющее большинство звёзд распределяется ближе к центру формирования, но в скоплении созвездия Райской Птицы наблюдается обратная картина.

«Черные дыры нельзя увидеть в телескоп, так как фотоны просто физически не могут выбраться из них, — рассказывает один из авторов открытия Миклос Пойтен. — Для того чтобы найти эти объекты, нам пришлось наблюдать за тем, как их притяжение влияет на поведение видимой материя вокруг них. Наблюдения за этими эффектами и расчеты помогли нам понять, где находятся черные дыры, и таким образом найти то, что нельзя увидеть».

BNGC61Q1 множество звезд расположено на периферии системы, тогда как стандартная модель шарового скопления, как нам уже известно, требует, чтобы концентрация звезд от центра к окраинам неуклонно снижалась. Нетипично малое количество звёзд в центре скопления говорит о высоком проценте присутствия звёзд — «изгоев», вынесенных внешними силами из участков пространства, где они были сформированы. Возникновение «изгоев» свидетельствует о наличии мощных гравитационных полей: воздействие со стороны невидимого для невооруженного глаза источника заставляет звезды покидать их привычные места обитания и отправляться в путь по непостоянной траектории, пополняя запасы вещества для поддержания ядерного синтеза за счёт энергии других звезд.

Подобный рассеянный тип распределения нормальных звёзд и «изгоев» наиболее характерен для молодых звёздных скоплений, хотя возраст исследуемой области составляет около 13 миллиардов лет.

Изучив расположение вырванных из родных областей голубых с<изгоев» по отношению к нормальным звёздам, астрофизики построили гипотетическую модель перемещения звезд Б системе за период её существования. Согласно полученным в ходе моделирования данным, подобная организация звёздного скопления возможна лишь в том случае, если NGC населена невероятным количеством чёрных дыр небольшой массы, которые силой своего воздействия перераспределяют объекты в скоплении» Кроме того, скорости перемещения блуждающих объектов указывают на то, что в NGC 6101 соседствуют звёзды как минимум двух поколений, что, как выяснилось, является частным проявлением воздействия сил притяжения.

Это открытие позволило сделать вывод, что подобные скопления черных дыр не только существуют, что в корне опровергает полученные ранее расчёты, но и являются едва лине основными «фабриками» по производству чёрных дыр.

ДАЛЬНЕЙШИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

Главную ценность открытия сотрудников Университета Суррея представляет не просто сам факт реальности существования групп чёрных дыр, которые оказались в состоянии противостоять мощи взрывов сверхновых, не разметавшись по всему обозримому пространству. И даже не уникальная возможность изучения динамики жизненного цикла звёзд и нетипичных шарообразных скоплений.

Космический телескоп Хаббл, возможно, впервые, позволил получить четкое доказательство существования черных дыр. Он наблюдал исчезновение вещества, падающего в зону действия черной дыры, за так называемый "горизонт событий".

Наблюдаемые слабые световые импульсы потоков горячего газа в ультрафиолетовом спектре обесцвечивались и затем исчезали, образовывая завихрение вокруг массивного, компактного объекта по имени Cygnus XR-1. Этот механизм падения, похожий, к примеру, на падение воды на краю водопада, соответствует четкой аналогии теоретических расчетов падения вещества в черную дыру.

Горизонт событий - это область пространства, окружающая черную дыру, попав в которую, вещество уже никогда не сможет покинуть эту область и провалится в черную дыру. Свет еще может преодолеть огромную силу гравитации и послать последние потоки от пропадающего вещества, но только в течение небольшого промежутка времени, пока падающее вещество не попадет в так называемую зону сингулярности, за которую уже не может выйти даже свет.

Согласно общеизвестным теориям никакой другой астрономический объект, кроме черной дыры не может обладать зоной горизонта событий.

Черные дыры были выявлены путем наблюдения картин по засасыванию (перетеканию) в них масс звездного газа. Оценивая, сколько массы переходит в крошечную область пространства, можно определить, сколько черная дыра занимает места и ее массу.

Никто до сих пор никогда не видел, чтобы вещество уже попавшее в зону горизонта событий, падало в черную дыру. Обычно наблюдалась картина простого перетекания вещества из соседней с черной дырой звездой. При этом, черная дыра была полностью сферически окутана массой перетекающего газа и сама напоминала по внешнему виду небольшую звезду, но излучающую свет в спектре, близком к ультрафиолетовому или в нейтронах.

Этот секрет был скрыт от общественности довольно долго. Ученые занимались дотошным анализом и проверкой этих данных.

Сам Хаббл, конечно, не видел зоны горизонта событий - это слишком малая область пространства на таком расстоянии, чтобы ее можно было бы оценить. Хаббл измерил хаотические флуктуации в ультрафиолетовом свете кипящего газа, пойманного в зоне гравитационного воздействия черной дыры. Хаббл поймал уникальные моменты "затухающей последовательности импульсов", которые очень быстро ослабевали.

Этот механизм соответствует общепринятой теории, предсказанной учеными: когда вещество падает близко в зоне горизонта событий, свет от него быстро тускнеет, поскольку, чем ближе к центру черной дыры, тем сильнее сила гравитации и тем более длинными становятся волны, постепенно переходя от ультрафиолетового спектра к нейтронному, а затем и вовсе исчезают. Этот эффект носит название "красного смещения".

Наблюдаемый фрагмент падающего вещества исчез с поля зрения телескопа Хаббла прежде, чем он фактически достиг горизонта событий. Быстродействующий фотометр Хаббла отбираемый световые импульсы со скоростью 100000 измерений в секунду. Ультрафиолетовая разрешающая способность Хаббла позволила видеть слабое мерцание падающего вещества в пределах 1000 миль от горизонта событий.

Динамические модели предсказывали и раньше, что Cygnus XR-1"s относится к черной дыре. Газ не может непосредственно падать в нее, как в канаву, но образовывает завихрение в виде сглаженного спирального диска.