Черные дыры

Первое предположение о существовании чёрных дыр сделал Джон Митчелл

Большинство полагает, что открытие существования чёрных дыр — заслуга Альберта Эйнштейна.

Однако Эйнштейн закончил свою теорию к 1916-му году, а Джон Митчелл обдумывал эту идею ещё в далёком 1783-м. Она не нашла применения потому, что этот английский священник просто не знал, что с ней делать.

Митчелл начал разрабатывать теорию чёрных дыр, когда принял идею Ньютона, согласно которой свет состоит из маленьких материальных частиц, называемых фотонами. Он размышлял о движении этих световых частиц и пришёл к выводу, что оно зависит от гравитационного поля звезды, которую они покидают. Он пытался понять, что произойдёт с этими частицами, если гравитационное поле будет слишком большим, чтобы свет мог его покинуть.

Митчелл также является основателем современной сейсмологии. Он предположил, что землетрясения распространяются в земле подобно волнам.

Типы Чёрных дыр

До сих пор астрономы выделяли три типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.

Звездные чёрные дыры

Когда звезда сжигает остатки своего топлива она может сжаться. Для более мелких звезд (которые примерно в три раза превышают массу Солнца) новое ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но когда большая звезда коллапсирует, она продолжает сжиматься и создает звездную черную дыру .

Черные дыры, образованные коллапсом отдельных звезд, относительно невелики, но имеют очень большую плотность. Один из таких объектов содержит более чем в три раза больше массы Солнца. Это приводит к сумасшедшему количеству гравитационной силы, притягивающей объекты вокруг чёрной дыры. Затем звездные черные дыры поглощают пыль и газ из окружающих их галактик, что позволяет им расти в размерах.

Согласно данным Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, — Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов звездных черных дыр.

Сверхмассивные черные дыры

Маленькие черные дыры населяют бесконечную вселенную, но их родственники, — сверхмассивные черные дыры, — доминируют над ними. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но примерно одинакового размера в диаметре. Считается, что такие черные дыры лежат в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.

Возникновение:

Ученые не уверены, как возникают такие большие черные дыры. Как только эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг себя, материала, который в изобилии находится в центре галактик, что позволяет им расти до еще более огромных размеров.

  • Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр. 
  • Большие газовые облака также могут быть причастны к формированию сверхмассивной дыры, — схлопываясь вместе, они быстро наращивают массу. 
  • Третий вариант — это коллапс звездного скопления, когда все звезды падают вместе. 
  • В-четвертых, сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать через его гравитационное воздействие на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не испускает свет и не может быть непосредственно наблюдаема.

Промежуточные черные дыры

Ученые когда-то думали, что черные дыры бывают только малых и больших размеров, но недавние исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (IMBHs). Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в цепной реакции. Некоторые из этих промежуточных черных дыр, образующихся в одной и той же области, могут затем в конечном итоге столкнуться в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили нечто похожее на черную дыру средней массы в рукаве спиральной галактики.

Астрономы очень усердно искали эти черные дыры среднего размера, — говорится в заявлении соавтора исследования Тима Робертса из Университета Дарема в Великобритании. Были намеки, что они существуют, но IMBHs вели себя как давно потерянный родственник, который не заинтересован в том, чтобы его нашли.

Более новые исследования, начиная с 2018 года, предположили, что эти промежуточные черные дыры могут существовать в центре карликовых галактик (или очень маленьких галактик). Наблюдения 10 таких галактик (пять из которых были ранее неизвестны науке до этого последнего исследования) выявили рентгеновскую активность — обычную для черных дыр — предполагая наличие в них черных дыр с массой от 36 000 до 316 000 солнечных масс. Эта информация поступила от компании Sloan Digital Sky Survey, которая изучает около 1 миллиона галактик.

Ничто не может ускользнуть от их притяжения

Когда что-либо (это может быть и планета, и звезда, и галактика, и частица света) проходит достаточно близко от чёрной дыры, то этот объект неизбежно будет захвачен её гравитационным полем. Если что-то ещё воздействующее на объект, скажем, на ракету, сильнее силы притяжения чёрной дыры, то он сможет избежать поглощения.

До тех пор, конечно, пока оно не достигнет горизонта событий. Точки, после которой покинуть чёрную дыру уже невозможно. Для того, чтобы покинуть горизонт событий, необходимо развить скорость, большую чем скорость света, а это невозможно.

Это тёмная сторона чёрной дыры — если уж свет не может её покинуть, то мы никогда не сможем заглянуть внутрь.

Учёные полагают, что даже маленькая чёрная дыра разорвёт вас на куски задолго до того, как вы проскочите через горизонт событий. Сила притяжения тем больше, чем вы ближе к планете, звезде или чёрной дыре. Если вы летите к чёрной дыре вперёд ногами, то сила притяжения в ваших ступнях будет намного больше, чем в голове. Это и разорвёт вас на части.

Что такое радиус Шварцшильда и как он связан с чёрными дырами?

В математическом смысле всё что угодно может стать чёрной дырой, но при условии, что есть возможность сжать объект до достаточно малых размеров, при этом сохранив его массу. Всё во Вселенной имеет так называемый гравитационный радиус или радиус Шварцшильда. Это радиус сферы, до которого нужно сжать объект, сконцентрировав всю его массу в столь малом объёме, что его плотность станет настолько большой, а его гравитационное поле станет так велико, что даже свет не сможет избежать притяжения этого объекта. Размер чёрной дыры, а точнее — радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и чёрная дыра может быть сколь угодно велика.

Они действительно притягивают пространство вокруг себя

Попробуйте представить космос в виде резинового листа. Представьте, что планеты — это шарики, которые давят на этот лист. Он деформируется и больше не имеет прямых линий. Это создаёт гравитационное поле и объясняет, почему планеты движутся вокруг звёзд.

Если масса объекта возрастёт, то деформация пространства может стать ещё больше. Эти дополнительные возмущения увеличивают силу притяжения и ускоряют движение по орбите, заставляя спутники двигаться вокруг объектов всё быстрее и быстрее.

Например, Меркурий движется вокруг солнца со скоростью 48 км/с, в то время как орбитальная скорость звёзд неподалёку от чёрной дыры в центре нашей галактики достигает 4800 км/с.

Если сила притяжения достаточно сильна, то спутник сталкивается с большим по размеру объектом.

Не все чёрные дыры одинаковы

Мы обычно думаем, что всё чёрные дыры по сути одно и то же. Однако астрономы недавно выяснили, что их можно разделить на несколько разновидностей.

Есть вращающиеся чёрные дыры, черные дыры с электрическим зарядом и чёрные дыры, включающие черты первых двух. Обычные чёрные дыры возникают путём поглощения материи, а вращающаяся чёрная дыра образуется путём слияния двух таких дыр.

Эти чёрные дыры расходуют намного больше энергии из-за возросшего возмущения пространства. Заряженная вращающаяся чёрная дыра действует как ускоритель частиц.

Чёрная дыра, названная GRS 1915+105, находится на расстоянии около 35 тысяч световых лет от Земли. Она крутится со скоростью 950 оборотов в секунду.

Они ограничивают количество звёзд

Однажды известный астрофизик, Карл Саган, сказал: во Вселенной больше звёзд, чем песчинок на пляжах всего мира. Но похоже, что во Вселенной всего 1022 звезды.

Это число определяется количеством чёрных дыр. Потоки частиц, выпускаемые чёрными дырами, расширяются до пузырей, которые распространяются сквозь области формирования звёзд. Области формирования звёзд — это участки газовых облаков, которые могут охлаждаться и образовывать звёзды. Потоки частиц нагревают эти газовые облака и предотвращают появление звёзд.

Это означает, что существует сбалансированное соотношение между количеством звёзд и активностью чёрных дыр. Очень большое количество звёзд расположенных в галактике сделает её слишком горячей и взрывоопасной для развития жизни, однако слишком маленькое количество звёзд также не способствует возникновению жизни.

Как рождаются чёрные дыры?

Чёрные дыры возникают из огромных звёзд, известных как красные гиганты. Они в разы тяжелее нашего Солнца, но полностью выгорают всего за небольшой отрезок их жизни. Гравитационная сила такой звезды заставляет температуру подниматься выше миллиарда градусов. Гелий и углерод переплавляются в более тяжёлые элементы, а затем звезда сжимается и взрывается под тяжестью своей огромной гравитации, распространяя вокруг себя ударную волну.

Происходит взрыв со вспышкой сверхновой звезды. На её месте остаётся плотное ядро из субатомных частиц — нейтронная звезда либо чёрная дыра, диаметром всего несколько километров. Но его плотность настолько огромна, что чайная ложка, сделанная из такого материала, будет весить около миллиарда тонн. Гравитационное притяжение вырастет до таких пределов, что уже ничто не сможет вырваться оттуда.

Их плотность невероятно высока

Чёрным дырам необходимо быть чрезмерно массивными при невероятно маленьких размерах, чтобы создавать достаточно большую силу притяжения для сдерживания света. К примеру, если сделать чёрную дыру массой равной массе Земли, то получится шарик с диаметром всего 9 мм.

Чёрная дыра, масса которой в 4 миллиона раз превышает массу Солнца, может уместиться в пространство между Меркурием и Солнцем. Чёрные дыры в центре галактик могут иметь массу, превышающую массу Солнца от 10 до 30 миллионов раз.

Такая большая масса на таком маленьком пространстве означает, что чёрные дыры имеют невероятно большую плотность и силы, действующие внутри них, также очень сильны.

Бинарные чёрные дыры

В 2015 году астрономы с помощью лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) обнаружили гравитационные волны от слияния звездных черных дыр.

«У нас есть еще одно подтверждение существования черных дыр звездной массы, которые больше, чем 20 солнечных масс — это объекты, о существовании которых мы не знали до того, как LIGO обнаружило их», — сказал Дэвид Шумейкер, представитель LIGO Scientific Collaboration (LSC). Наблюдения ЛИГО также дают представление о том, в каком направлении вращается черная дыра. Поскольку две черные дыры вращаются по спирали вокруг друг друга, они могут вращаться в одном и том же направлении или в противоположном направлении.

Существует две теории о том, как формируются бинарные черные дыры: 

  1. Первая предполагает, что две черные дыры в двоичной форме возникли примерно в одно и то же время, из двух звезд, которые родились вместе и умерли (взорвались) примерно в одно и то же время. Звезды-компаньоны имели бы такую же ориентацию спина, как и друг у друга, поэтому две черные дыры, также будут иметь такую же ориентацию.
  2. Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении опускаются к центру скопления и образуют пару. Эти компаньоны будут иметь случайные спиновые ориентации по сравнению друг с другом. Наблюдения ЛИГО за черными дырами-компаньонами с различной ориентацией спинов дают более веские доказательства этой теории образования.

«Мы начинаем собирать реальную статистику по бинарным системам черных дыр», — сказал ученый LIGO Кейта Кавабе из Caltech, который базируется в обсерватории LIGO Hanford. «Это интересно, потому что некоторые модели бинарного образования черных дыр несколько предпочтительнее других даже сейчас, и в будущем мы можем еще больше сузить этот вопрос.»

Могут ли две черные дыры столкнуться

Теоретически это возможно, о чем сказано на официальном сайте НАСА. При столкновении 2-х черных дыр происходит их слияние в единый объект, практически с теми же свойствами, получается сверхмассивная черная дыра.

При этом нужно понимать, что черная дыра это не космический пылесос, который всасывает в себя все что не попадя. Она, как и любой другой объект имеет собственную гравитацию, которая притягивает объекты в зоне досягаемости своей силы тяготения. Чтобы 2 черные дыры слились в одно целое, необходимо чтобы хотя бы 1 из них попала в зону действия гравитации другой. Вероятность такого события увеличивается в системах с двумя массивными звездами, которые переходят в следующую фазу. А также вблизи центра галактики, где, как правило, располагаются сверхмассивные черные дыры и имеется большое скопление звезд.

Теоретически, такое событие как слияние черных дыр во вселенной происходит периодически и в масштабах вселенной это мгновения, а по нашему, человеческому времени на это может уйти не одно десятилетие.

Как получилось, что в центре крупных галактик встречаются чёрные дыры?

Из множества миллиардов галактик, составляющих наблюдаемую Вселенную, более миллиона уже были проанализированы. В центрах многих крупных галактик присутствуют чёрные дыры. Как так вышло? Чтобы понять это, нужно вернуться к самому началу — к Большому взрыву. Материя и энергия вырываются наружу и Вселенная начинает расширяться. Именно Большой взрыв даёт нам все компоненты для рождения: водород, гелий и другие элементы.

В течение десятков миллионов лет облака водорода сливались, становясь всё плотнее. Некоторые становятся такими горячими, что воспламеняются. Рождаются первые звёзды — гиганты, размером в сотни раз превышающие наше Солнце. Они быстро выгорают и взрываются, образуя вспышку сверхновой. Более крупные галактики поглощают более малые галактики, и если одна галактика съедает другую, в центре которой была чёрная дыра, значит она съедает и эту чёрную дыру. Она перемещается в центр новой галактики, делая её больше.

Странные факты о черных дырах

  • Если вы упадете в черную дыру, теория уже давно предполагает, что гравитация растянет вас, как спагетти, хотя ваша смерть наступит до того, как вы достигнете сингулярности. Но в 2012 году исследование, опубликованное в журнале Nature, предположило, что квантовые эффекты заставят горизонт событий действовать во многом как стена огня, которая мгновенно сожжет вас до смерти.
  • Всасывание вызвано втягиванием чего-то в вакуум, которым массивная черная дыра определенно не является. Вместо этого, объекты падают в них точно так же, как они падают на все, что оказывает гравитационное воздействие, например на Землю.
  • Первым объектом, который считается черной дырой, является Лебедь X-1 . Cygnus X-1 был предметом дружеского Пари 1974 года между Стивеном Хокингом и коллегой-физиком Кипом Торном, причем Хокинг сделал ставку на то, что источник не был черной дырой. В 1990 году Хокинг признал свое поражение.
  • Миниатюрные черные дыры могли образоваться сразу же после Большого Взрыва. Быстро расширяющееся пространство, возможно, сжало некоторые области в крошечные, плотные черные дыры, менее массивные, чем Солнце.
  • Если звезда проходит слишком близко к черной дыре, она может быть разорвана на части.
  • Астрономы подсчитали, что в Млечном Пути находится от 10 миллионов до 1 миллиарда звездных черных дыр, масса которых примерно в три раза превышает массу Солнца.
  • Черные дыры остаются потрясающим кормом для научно-фантастических книг и фильмов.