Черные дыры являются одними из самых удивительных и в то же время пугающих объектов нашей Вселенной. Возникают они в тот момент, когда в звездах, имеющих огромную массу, заканчивается ядерное топливо. Ядерные реакции прекращаются и светила начинают остывать. Тело звезды сжимается под действием гравитации и постепенно она начинает притягивать к себе более мелкие объекты, трансформируясь в черную дыру.
Первые исследования
Изучать черные дыры светила науки начали не так давно, несмотря на то что основные концепции их существования были разработаны еще в прошлом столетии. Само понятие «черной дыры» было введено в 1967 году Дж. Уиллером, хотя вывод о том, что эти объекты неизбежно возникают при коллапсе массивных звезд, был сделан еще в 30-х годах прошлого столетия. Все, что внутри черной дыры - астероиды, свет, поглощенные ею кометы, - когда-то приблизилось слишком близко к границам этого загадочного объекта и не сумело их покинуть.
Границы черных дыр
Первая из границ черной дыры называется пределом статичности. Это граница области, попадая в которую посторонний объект уже не может находиться в состоянии покоя и начинает вращаться относительно черной дыры, чтобы удержаться от падения в нее. Вторая граница зовется горизонтом событий. Все, что внутри черной дыры, когда-то проходило ее внешнюю границу и двигалось по направлению к точке сингулярности. По мнению ученых, здесь вещество вливается в эту центральную точку, плотность которой стремится к значению бесконечности. Люди не могут знать, какие законы физики действуют внутри объектов с такой плотностью, и поэтому описать характеристики этого места невозможно. В буквальном смысле слова оно является «черной дырой» (или, быть может, «пробелом») в знаниях человечества об окружающем мире.
Строение черных дыр
Горизонтом событий называется неприступная граница черной дыры. Внутри этой границы находится зона, которую не могут покинуть даже объекты, скорость движения которых равна скорости света. Даже кванты самого света не могут покинуть горизонт событий. Находясь в этой точке, никакой предмет уже не может вырваться из черной дыры. О том, что внутри черной дыры, мы не можем узнать по определению - ведь в ее глубинах находится так называемая точка сингулярности, которая формируется за счет предельного сжатия вещества. Когда объект попадает внутрь горизонта событий, с этого момента он никогда не сможет вырваться снова из нее и стать видимым для наблюдателей. С другой стороны, те, кто находятся внутри черных дыр, не могут видеть ничего из происходящего снаружи.
Размер горизонта событий, окружающего этот загадочный космический объект, всегда прямо пропорционален массе самой дыры. Если ее масса будет удвоена, то вдвое больше станет и внешняя граница. Если бы ученые смогли найти способ, позволяющий превратить Землю в черную дыру, то размер горизонта событий составлял бы всего лишь 2 см в поперечном разрезе.
Основные категории
Как правило, масса среднестатистических черных дыр приблизительно равна трем солнечным массам и более. Из двух видов черных дыр выделяют звездные, а также сверхмассивные. Их масса превосходит массу Солнца в несколько сотен тысяч раз. Звездные образуются после смерти больших небесных светил. Черные дыры обычной массы появляются после завершения жизненного цикла больших звезд. Оба вида черных дыр, несмотря на различное происхождение, имеют сходные свойства. Сверхмассивные черные дыры расположены в центрах галактик. Ученые предполагают, что они сформировались во времена образования галактик за счет слияния плотно прилежащих друг к другу звезд. Однако это только догадки, не подтвержденные фактами.
Что внутри черной дыры: догадки
Некоторые из математиков считают, что внутри этих загадочных объектов Вселенной находятся так называемые червоточины - переходы в другие Вселенные. Иными словами, в точке сингулярности расположен пространственно-временной туннель. Эта концепция послужила для многих писателей и режиссеров. Однако подавляющее большинство астрономов считают, что никаких туннелей между Вселенными не существует. Однако даже если бы они действительно были, у человека нет никаких способов узнать, что находится внутри черной дыры.
Существует и другая концепция, согласно которой в противоположном конце такого туннеля находится белая дыра, откуда из нашей Вселенной в другой мир через черные дыры поступает гигантское количество энергии. Однако на данном этапе развития науки и техники о путешествиях подобного рода не может быть и речи.
Связь с теорией относительности
Черные дыры являются одним из самых удивительных предсказаний А. Эйнштейна. Известно, что сила тяготения, которая создается на поверхности любой планеты, обратно пропорциональна квадрату ее радиуса и прямо пропорциональна ее массе. Для этого небесного тела можно определить понятие второй космической скорости, которая необходима, чтобы преодолеть эту силу тяготения. Для Земли она равна 11 км/сек. Если же масса небесного тела будет увеличиваться, а диаметр - наоборот, уменьшаться, то вторая космическая скорость со временем может превысить скорость света. И поскольку, согласно теории относительности, никакой объект не может двигаться быстрее скорости света, то образуется объект, не дающий ничему вырваться за его пределы.
В 1963 году учеными были обнаружены квазары - космические объекты, являющиеся гигантскими источниками радиоизлучения. Располагаются они очень далеко от нашей галактики - их удаленность составляет миллиарды световых лет от Земли. Чтобы объяснить чрезвычайно высокую активность квазаров, ученые ввели гипотезу о том, что внутри них располагаются черные дыры. Эта точка зрения сейчас является общепринятой в научных кругах. Исследования, которые проводились в течение последних 50 лет, не только подтвердили данную гипотезу, но и привели ученых к выводу о том, что черные дыры есть в центре каждой галактики. В центре нашей галактики также есть такой объект, его масса составляет 4 миллиона солнечных масс. Эта черная дыра носит название «Стрелец А», и поскольку она расположена ближе всего к нам, ее больше всего исследуют астрономы.
Излучение Хокинга
Этот тип излучения, открытый известным физиком Стивеном Хокингом, значительно усложняет жизнь современным ученым - ведь из-за этого открытия в теории черных дыр появилось немало трудностей. В классической физике существует понятие вакуума. Этим словом обозначается полная пустота и отсутствие материи. Однако с развитием квантовой физики понятие вакуума было видоизменено. Ученые выяснили, что он заполнен так называемыми виртуальными частицами - под воздействием сильного поля они могут превратиться в реальные. В 1974 году Хокинг выяснил, что подобные превращения могут происходить в сильном гравитационном поле черной дыры - возле ее внешней границы, горизонта событий. Такое рождение является парным - появляется частица и античастица. Как правило, античастица обречена на падение в черную дыру, а частица улетает. В результате ученые наблюдают некоторое излучение вокруг этих космических объектов. Оно и получило название излучения Хокинга.
В ходе этого излучения то вещество, что внутри черной дыры, медленно испаряется. Дыра теряет массу, при этом интенсивность излучения обратно пропорциональна величине квадрата ее массы. Интенсивность излучения Хокинга ничтожно мала по космическим меркам. Если предположить, что существует дыра массой в 10 солнц, и на нее не попадает ни свет, ни какие-либо материальные объекты, то даже в этом случае время ее распада будет чудовищно велико. Жизнь такой дыры будет превосходить все время существования нашей Вселенной на 65 порядков.
Вопрос о сохранении информации
Одной из основных проблем, которая появилась после открытия излучения Хокинга, является проблема потери информации. Связана она с вопросом, кажущимся на первый взгляд очень простым: что произойдет, когда черная дыра испарится полностью? Обе теории - как квантовая физика, так и классическая - имеют дело с описанием состояния системы. Обладая информацией о начальном состоянии системы, при помощи теории можно описать, каким образом она будет меняться.
При этом в процессе эволюции информация о начальном состоянии не теряется - действует своего рода закон о сохранении информации. Но если черная дыра испарится полностью, то наблюдатель теряет информацию о той части физического мира, который когда-то попал в дыру. Стивен Хокинг считал, что информация о начальном состоянии системы каким-то образом восстанавливается после того, как черная дыра испарилась полностью. Но трудность состоит в том, что по определению из черной дыры передача информации невозможна - ничто не может покинуть горизонт событий.
Что будет, если попадешь в черную дыру?
Считается, что если бы каким-либо невероятным способом человек мог попасть на поверхность черной дыры, то она сразу стала бы его затягивать в направлении себя. В конечном счете человек бы растянулся настолько, что превратился бы в поток субатомных частиц, движущихся по направлению к точке сингулярности. Доказать эту гипотезу, конечо же, невозможно, ведь ученые вряд ли когда-нибудь смогут узнать, что происходит внутри черных дыр. Сейчас некоторые физики заявляют, что если бы человек попал в черную дыру, то у него появился бы клон. Первая из его версий сразу же была бы уничтожена потоком раскаленных частиц излучения Хокинга, а вторая бы прошла через горизонт событий без возможности вернуться назад.
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.
На днях ученый из США выступил с сенсационным заявлением о том, что «черных дыр» в природе не существует. К такому выводу американский физик пришел, после того, как соединил между собой две противоречивые теории на этот счет. Однако данная гипотеза вполне логично объясняет возникающее несоответствие между квантовой механикой и теорией относительности Эйнштейна.
Стоит отметить: более пятидесяти лет ученые считали, что материя под действием собственной гравитации при коллапсе звезды сжимается, образуя в итоге сингулярность, которая становится ядром черной дыры и способна уничтожить любую материю. Причем главной особенностью черный дыры является горизонт событий, своего рода граница за которую не может выйти даже свет.
На сегодняшний день большинство астрофизиков и любителей фантастики не сомневаются в существовании черных дыр, которые также неоднократно упоминаются в различных кинофильмах. Существуют даже косвенные доказательства существования черных дыр. В частности, считается, что в центре нашей галактики также располагается огромная черная дыра.
Между тем довольно часто в ходе объяснения происхождения и функционирования черных дыр возникают некоторые трудности. В частности, теория гравитации Эйнштейна подтверждает образование сингулярности, но согласно фундаментальным основам квантовой теории, во Вселенной никакая информация не может исчезнуть. Поэтому объединение двух этих теорий неизменной приводит к так называемому парадоксу потери информации.
Еще в 1974 году ученый Стивен Хокинг попробовал объяснить парадокс, используя квантовую механику. Он предположил, что несоответствие вполне можно объяснить существованием гипотетического излучения черной дыры. Данное излучение, которое назвали хокинговым, представляет собой поток виртуальных элементарных частиц. В результате воздействия квантовых эффектов они испаряются с поверхности черной дыры. Получается, что если сингулярность не будет поглощать энергию, то постепенно она «испарится», выбросив в итоге часть хаотичной информации. В какой-то мере это будет способствовать разрешению парадоксов.
Однако данная теория также порождает большое количество несоответствий. Тогда два года назад была выведена новая теорию, согласно которой в образовании квантовых эффектов виновата так называемая «стена огня» черной дыры, которая возникает позади невидимого события и мгновенно уничтожает любую материю. Данная теория вызвала огромный интерес в научном мире и в какой-то степени способствовала образованию ряда других гипотез. В частности, согласно гипотезе Хуана Малдасены наша Вселенная представляет собой проекцию информации на плоскость.
Другую теорию предложила профессор физики Лаура Мерсини-Хоутон. Она согласна с тем, что под действием гравитации звезда производит излучение Хокинга при коллапсировании. Однако, по расчетам эксперта звезда при этом также лишается массы. Поэтому она не сможет сжаться в сингулярность и образовать новую черную дыру. То есть, вместо того, чтобы умирающая звезда должна сформировать черную дыру, она взрывается.
Получается, что она не образует парадокс событий и другие, связанные с этим несоответствия. Таким образом,можно сказать, что черных дыр на самом деле не существует.
Таким образом, можно сказать, что гипотеза Мерсини-Хоутон порождает не меньше вопросов, чем гипотезы других ученых. Также ошибочными признаются теории о том, что наша Вселенная возникла из сингулярности, которая во время большого взрыва неожиданно начала расширяться. По мнению Мерсини-Хоутон, это не могло произойти, так как никакой сингулярности не было.
No related links found
Но сегодня мало кто из учёных сомневается в их существовании. Сверхплотные объекты с почти абсолютной массой и гравитацией являются конечным продуктом эволюции гигантских звёзд, они искривляют пространство и время и не позволяют , даже свету.
Тем не менее, Лаура Мерсини-Хоутон (Laura Mersini-Houghton), профессор физики из Северного Калифорнийского университета, доказала математически, что чёрных дыр вообще может не быть в природе. В связи со своими выводами исследовательница не предлагает пересматривать современные представления о пространстве-времени, но считает, что в теориях о происхождении Вселенной учёные что-то упускают.
"Я до сих пор шокирована. На протяжении полувека мы изучаем явление чёрных дыр, и эти гигантские объёмы информации вкупе с нашими новыми выводами дают нам пищу для серьёзного размышления", — признаётся Мерсини-Хоутон в пресс-релизе .
Общепринятая теория гласит, что чёрные дыры образуются, когда массивная звезда коллапсирует под действием собственной гравитации к одной точке пространства. Так рождается сингулярность , бесконечно плотная точка. Её окружает так называемый горизонт событий, условная черта, которую всё то, что когда-либо пересекало, более никогда не возвращалось обратно в открытый космос, настолько сильным оказывалось притяжение чёрной дыры.
Причина необычности таких объектов заключается в том, что природу чёрных дыр описывают противоречащие друг другу физические теории — релятивизм и квантовая механика. Теория гравитации Эйнштейна предсказывает формирование чёрных дыр, но фундаментальный закон квантовой теории гласит, что никакая информация из Вселенной не может исчезнуть навсегда, а чёрные дыры, согласно Эйнштейну, частицы (и информация о них) исчезают для остальной части Вселенной за горизонтом событий навсегда.
Попытки объединить эти теории и прийти к единому описанию чёрных дыр во Вселенной закончились тем, что возник математический феномен — парадокс потери информации .
В 1974 году известнейший космолог Стивен Хокинг (Stephen Hawking) использовал законы квантовой механики, чтобы доказать, что за горизонт событий всё же могут выходить частицы. Этот гипотетический поток "удачливых" фотонов получил название излучении Хокинга . С тех пор астрофизики обнаружили несколько довольно точных свидетельств существования такого излучения.
(иллюстрация NASA/JPL-Caltech).
Но теперь Мерсини-Хоутон описывает совершенно новый сценарий эволюции Вселенной. Она соглашается с Хокингом в том, что звезда коллапсирует под действием собственной гравитации, после чего испускает потоки частиц. Тем не менее, в своей новой работе Мерсини-Хоутон показывает, что, испуская это излучение, звезда также теряет свою массу и делает это с такой скоростью, что при сжатии она не может обрести плотность чёрной дыры.
В своей статье исследовательница утверждает, что сингулярность не может сформироваться и, как следствие, . С документами ( , ), опровергающими существование чёрных дыр, можно ознакомиться на сайте препринтов ArXiv.org.
Поскольку считается, что наша Вселенная сама , то вопрос о верности теории Большого Взрыва также ставится под сомнение в связи с новыми выводами. Мерсини-Хоутон утверждает, что в её расчётах квантовая физика и релятивизм идут рука об руку, как и всегда мечтали учёные, и потому именно её сценарий может оказаться достоверным.
Интересные факты о черных дырахГениальный физик-теоретик и космолог Стивен Хокинг любит рассуждать на темы, которые заставляют нас переосмыслить множество научных явлений. Несколько дней назад его новое исследование заставило усомниться в существовании одного из самых загадочных явлений космоса — черных дыр.
По мнению исследователя (которое изложено в работе “Сохранение информации и прогнозы погоды для черных дыр”), то, что мы называем чёрными дырами, может существовать без так называемого “горизонта событий”, за который вырваться уже ничто не может. Хокинг считает, что чёрные дыры удерживают свет и информацию только какое-то время, а потом “выплёвывают” обратно в космос, правда, в изрядно искажённом виде.
Свое название чёрные дыры получили потому, что всасывают свет, который касается ее границ, и не отражают его
Формируясь в момент, когда достаточно сжатая масса вещества деформирует пространство и время, черная дыра имеет определенную поверхность, называемую “горизонтом событий”, знаменующую собой точку невозврата.
Черные дыры влияют на течение времени
Близко к уровню моря часы идут медленнее, чем на космической станции, а вблизи черных дыр и того медленнее. Это каким-то образом связано с силой тяжести.
Ближайшая черная дыра находится примерно в 1600 световых лет от нас
Наша галактика усеяна черными дырами, однако ближайшая из тех, что теоретически способны уничтожить нашу скромную планету, находится далеко за пределами нашей Солнечной системы.
Огромная черная дыра находится в центре галактики Млечный Путь
Она расположена на расстоянии 30 тысяч световых лет от Земли, а её размеры более чем в 30 миллионов раз превышают размеры нашего Солнца.
Черные дыры, в конце концов, испаряются
Считается, что ничто не может вырваться из черной дыры. Единственное исключение из этого правила - радиация. По мнению некоторых ученых, по мере того, как черные дыры излучают радиацию, они теряют массу. В результате этого процесса черная дыра может и вовсе исчезнуть.
Черные дыры имеют форму не воронки, а сферы
В большинстве учебников вы увидите черные дыры, которые выглядят, как воронки. Это происходит потому, что они проиллюстрированы с точки зрения гравитационного колодца. В действительности они больше похожи на сферу.
Вблизи черной дыры всё искажается
Черные дыры обладают способностью искажать пространство, и, поскольку они вращаются, то искажение усиливается по мере вращения.
Черная дыра может убить ужасным образом
Хотя это кажется очевидным, что черная дыра несовместима с жизнью, большинство людей думают, что там их бы просто раздавило. Не обязательно. Вас, скорее всего, растянуло бы до смерти, потому что часть вашего тела, первой достигшая «горизонта событий» оказалась бы под значительно большим влиянием силы тяжести.
Черные дыры не всегда черные
Хотя они известны своей чернотой, как мы уже говорили ранее, они на самом деле излучают электромагнитные волны.
Черные дыры способны не только разрушать
Конечно, в большинстве случаев, так и есть. Однако существуют многочисленные теории, исследования и предположения о том, что черные дыры действительно могут быть приспособлены для получения энергии и для космических путешествий.
Открытие черных дыр принадлежит не Альберту Эйнштейну
Альберт Эйнштейн только возродил теорию черных дыр в 1916 году. Задолго до того, в 1783 году, ученый по имени Джон Митчелл первым разработал эту теорию. Это произошло после того, как он задался вопросом, может ли гравитация стать настолько сильной, что даже легкие частицы не могли бы избежать ее.
Черные дыры гудят
Хотя вакуум в космосе на самом деле не передает звуковых волн, если слушать с помощью специальных инструментов, то можно услышать звуки атмосферных помех. Когда черная дыра затягивает что-то внутрь, ее горизонт событий ускоряет частицы, вплоть до скорости света, и они производят гул.
Черные дыры могут генерировать элементы, необходимые для зарождения жизни
Исследователи считают, что черные дыры создают элементы по мере своего распада на субатомные частицы. Эти частицы способны создавать элементы тяжелее гелия, такие как железо и углерод, а также многие другие, необходимые для формирования жизни.
Черные дыры не только “проглатывают”, но и “выплевывают”
Черные дыры известны тем, что всасывают все, что оказывается вблизи их горизонта событий. После того, как что-то попадает в черную дыру, оно сдавливается с такой чудовищной силой, что отдельные компоненты сжимаются и в конечном счете распадаются на субатомные частицы. Некоторые ученые предполагают, что эта материя затем выбрасывается из того, что называют “белой дырой”.
Любая материя может стать черной дырой
С технической точки зрения, черными дырами могут становиться не только звезды. Если бы ключи от вашей машины уменьшились до бесконечно малой точки, сохранив при этом свою массу, то их плотность достигла бы астрономического уровня, и сила их тяжести увеличилась бы до невероятности.
Законы физики теряют силу в центре черной дыры
Согласно теориям, вещество внутри черной дыры сжимается до бесконечной плотности, а пространство и время перестают существовать. Когда это происходит, законы физики перестают действовать, просто потому, что человеческий разум не способен вообразить предмет, имеющий нулевой объем и бесконечную плотность.
Черные дыры определяют количество звезд
По мнению некоторых ученых, число звезд во Вселенной ограничено количеством черных дыр. Это связано с тем, как они влияют на газовые облака и образование элементов в тех частях Вселенной, где рождаются новые звезды.
