Федор Дергачев
Черная дыра с массой Вселенной?
При сравнении физики черных дыр и процессов Большого взрыва у меня появился вопрос. Я хочу подробно рассмотреть его в одной из последующих частей моей новой статьи «Земля и Вселенная» , которую начал публиковать в «Живом журнале»:
Часть 1
Из вышеуказанного сравнения получается, что в первые секунды после Большого Взрыва материя, составляющая наблюдаемую часть Вселенной, находилась в условиях, аналогичных тем, которые описывает теория черных дыр !
Но, не исключаю, что при формулировке вопроса я что-либо не учел. Жду откликов…
Черные дыры
«Если эффекты специальной теории относительности становятся наиболее очевидными при больших скоростях движения тел, то общая теория относительности выходит на сцену, когда тела имеют очень большую массу и вызывают сильное искривление пространства и времени.
…Открытие, сделанное во время Первой мировой войны немецким астрономом Карлом Шварцшильдом, когда он, находясь в 1916 г. на русском фронте, в перерывах между расчетом траекторий артиллерийских снарядов знакомился с достижениями Эйнштейна в области гравитации. Удивительно, что спустя всего несколько месяцев после того, как Эйнштейн нанес завершающие мазки на полотно обшей теории относительности, Шварцшильд сумел, используя эту теорию, получить полную и точную картину того, как искривляются пространство и время в окрестности идеально сферической звезды. Шварцшильд послал полученные им результаты с русского фронта Эйнштейну, который по его поручению представил их Прусской академии.
Помимо подтверждения и математически точного расчета искривления, которое мы схематически показали на рис. 3.5, работа Шварцшильда - известная в настоящее время под названием «решения Шварцшильда» - выявила одно поразительное следствие общей теории относительности. Было показано, что если масса звезды сосредоточена в пределах достаточно малой сферической области (когда отношение массы звезды к ее радиусу не превосходит некоторого критического значения), то результирующее искривление пространства‑времени будет столь значительным, что никакой объект (включая свет), достаточно приблизившийся к звезде, не сможет ускользнуть из этой гравитационной ловушки. Поскольку даже свет не сможет вырваться из таких «сжатых звезд», первоначально они получили название темных, или замороженных, звезд. (Это название принадлежит советским ученым Я. Б. Зельдовичу и И. Д. Новикову. - Прим. ред) Более броское название было предложено годы спустя Джоном Уилером, который назвал их черными дырами - черными, потому что они не могут излучать свет, и дырами, потому что любой объект, приблизившийся к ним на слишком малое расстояние, никогда не возвращается назад. Это название прочно закрепилось и устоялось. Решение Шварцшильда иллюстрируется на рисунке. Хотя черные дыры известны своей «прожорливостью», тела, которые проходят мимо них на безопасном расстоянии, отклоняются точно так же, как они отклонились бы под действием обычной звезды, и следуют дальше своей дорогой. Но тела любой природы, подошедшие слишком близко, ближе, чем на расстояние, которое называется горизонтом событий черной дыры, приговорены — они будут неуклонно падать к центру черной дыры, подвергаясь действию все более интенсивных и становящихся, в конце концов, разрушительными гравитационных деформаций
.
Черная дыра искривляет структуру окружающего пространства‑времени настолько сильно, что любой объект, пересекающий ее «горизонт событий» — обозначенный черной окружностью — не может ускользнуть из ее гравитационной ловушки. Никто не знает в точности, что происходит в глубинах черных дыр.
Если, например, вы подплываете к центру черной дыры ногами вперед, то при пересечении горизонта событий вы будете ощущать растущее чувство дискомфорта. Гравитационное притяжение черной дыры возрастет столь значительно, что оно будет притягивать ваши ноги гораздо сильнее, чем голову (ведь ноги будут несколько ближе к центру черной дыры, чем голова), настолько сильно, что сможет быстро разорвать ваше тело на куски.
Если же вы будете благоразумнее в странствиях в окрестностях черной дыры и позаботитесь о том, чтобы не пересекать ее горизонт событий, то можно использовать черную дыру для замечательного трюка. Представим, например, что вы обнаружили черную дыру, масса которой в 1000 раз превышает массу Солнца, и спускаетесь на тросе, точно так же, как Джордж спускался на Солнце, до высоты 3 см над горизонтом событий. Как мы уже отмечали, гравитационные поля вызывают искривление времени, это означает, что ваше путешествие во времени замедлится. В действительности, поскольку черные дыры имеют столь сильные гравитационные поля, ход вашего времени замедлится очень сильно. Ваши часы будут идти примерно в десять тысяч раз медленнее, чем часы вашего друга, оставшегося на Земле. Если вы провисите над горизонтом событий черной дыры в таком положении один год, а потом вскарабкаетесь по тросу назад на ожидающий вас неподалеку космический корабль для короткого, но приятного путешествия домой, то по возвращении вы обнаружите, что с момента вашего отбытия прошло более десяти тысяч лет. Вы можете использовать черную дыру в качестве своего рода машины времени, которая позволит вам попасть в отдаленное будущее Земли.
Чтобы почувствовать всю грандиозность масштабов этих явлений, отметим, что звезда массой, равной массе Солнца, станет черной дырой, если ее радиус будет составлять не наблюдаемое значение (около 700 000 км), а всего лишь около 3 км. Вообразите, что все наше Солнце сжалось до размеров Манхэттена. Чайная ложка вещества такого сжатого Солнца будет весить столько же, сколько гора Эверест. Чтобы сделать черной дырой нашу Землю, мы должны сжать ее в шарик радиусом менее сантиметра. В течение долгого времени физики скептически относились к возможности существования таких экстремальных состояний материи, многие из них считали, что черные дыры являются всего лишь издержками разгулявшегося воображения перетрудившихся теоретиков.
Однако в течение последнего десятилетия накопилось достаточно много наблюдательных данных, подтверждающих существование черных дыр. Конечно, поскольку они являются черными, их нельзя наблюдать непосредственно, исследуя небосвод с помощью телескопа. Вместо этого астрономы пытаются обнаружить черные дыры по аномальному поведению обычных излучающих свет звезд, расположенных поблизости от горизонтов событий черных дыр. Например, когда частицы пыли и газа из внешних слоев находящихся по соседству с черной дырой обычных звезд устремляются в направлении горизонта событий черной дыры, они разгоняются почти до световой скорости. При таких скоростях трение в газопылевом водовороте засасываемого вещества приводит к выделению огромного количества тепла, заставляющего газопылевую смесь светиться, излучая обычный видимый свет и рентгеновское излучение. Поскольку это излучение генерируется вне горизонта событий,оно может избежать попадания в черную дыру. Это излучение распространяется в пространстве, оно может непосредственно наблюдаться и изучаться. Общая теория относительности детально предсказывает характеристики такого рентгеновского излучения; наблюдение этих предсказанных характеристик дает убедительные, хотя и косвенные подтверждения существования черных дыр. Например, имеется все больше свидетельств в пользу того, что очень массивная черная дыра, масса которой в два с половиной миллиона раз превосходит массу нашего Солнца, расположена в центре нашей Галактики. Но даже эти прожорливые черные дыры бледнеют по сравнению с теми, которые, по мнению астрономов, расположены в центрах рассеянных по всему космосу сияющих ошеломляюще ярким светом квазаров. Это черные дыры, массы которых в миллиарды раз превосходят массу Солнца.
Шварцшильд умер всего через несколько месяцев после того, как нашел свое решение. Он умер от кожного заболевания, которым заразился на русском фронте. Ему было 42 года. Его трагически краткое знакомство с теорией гравитации Эйнштейна открыло одну из наиболее ярких и таинственных граней жизни Вселенной».
(«
»
, стр. 31),
«Теоретическая данность под названием «чёрная дыра», для которой сравнение с адом напрашивается само, в сущности, так и остаётся теоретической, хотя астрономы сформировали довольно стройную, на первый взгляд, картину физики чёрных дыр, причин их образования и воздействия на пространственно-временной континуум.
В сущности говоря, чёрной дырой астрономы называют не какой-то физический объект, а область в пространстве-времени, в которой гравитационное притяжение настолько велико, что ничто, даже свет, не могут проникнуть наружу - за «горизонт событий».
Доминирующая теория гласит, что чёрные дыры возникают на месте выгоревших массивных звёзд: при коллапсе светила плотность вещества становится настолько высокой, что гравитационное притяжение в этой области начинает втягивать в себя окружающую материю» . (« » ).
«Как известно, пока наблюдениями зафиксировано только два вида чёрных дыр - звёздной массы (образующиеся в результате гравитационного коллапса массивных звёзд) и сверхмассивные (которые по одной из гипотез являются результатом слияния первых). Ни одна гипотеза образования сверхмассивных чёрных дыр не является более-менее аргументированной, в т.ч. гипотеза слияния, для доказательства которой и требуется хотя бы одна достоверно известная чёрная дыра промежуточной массы». (Август 2008 года)
Черные дыры - результат гравитационного коллапса массивных звёзд. Их достаточно подробно описывают в научной и популярной литературе.
Механизм «ловушки» - искривление пространства‑временипод влиянием сил чудовищной гравитации. «И скривление пространства‑времени будет столь значительным, что никакой объект (включая свет), достаточно приблизившийся к звезде, не сможет ускользнуть из этой гравитационной ловушки».
Большой Взрыв с позиции теории «черных дыр»
«Согласно всем существующим теориям большого взрыва, вначале Вселенная представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую плотность и температуру». («Большие проблемы Большого взрыва. Проблематичная сингулярность» ).
«Несмотря на большой успех, горизонты теории Большого взрыва далеко не безоблачны...
Непонятно, почему на одном и том же расстоянии спиральные галактики имеют всегда бОльшие «красные смещения», чем эллиптические галактики (подробнее см. в кн. В.П. Чечев, Я.М. Крамаровский «Радиоактивность и эволюция Вселенной». М., «Наука», 1978).
Наконец, недавно выяснилось, что скорости галактик относительно фона реликтового излучения очень малы. Они измеряются не тысячами и десятками тысяч километров в секунду, как это следует из теории расиряющейся Вселенной, а всего лишь сотнями километров в секунду . Выходит, что галактики практически покоятся относительно реликтового фона Вселенной, который по ряду причин можно считать абсолютной системой отсчета галактики (подробнее см. в кн. «Развитие методов астрономических исследований» (А.А. Ефимов. «Астрономия и принцип относительности»). М., «Наука», 1979, стр. 545).
Как преодолеть эти трудности, пока неясно». (Зигель Ф.Ю. «Вещество Вселенной». - М.; «Химия», 1982, раздел «Родословная химических элементов», глава «Синтез элементов», стр. 166-167).
После Большого взрыва
«Большой взрыв - это стремительное падение изначально огромной плотности, температуры и давления вещества, сконцентрированного в очень малом объёме Вселенной. В начальный момент Вселенная имела гигантскую плотность и температуру. На первой секунде своего существования мир имел плотность ~ 10 5 г/cм 3 и температуру 10 10 К. Современная температура ближайшей к нам звезды - Солнца в тысячу раз меньше.
В течение короткого промежутка времени после Большого взрыва - всего 10 -36 сек - крохотная Вселенная была заполнена фундаментальными частицами. Эти частицы, в отличие от нуклидов, протонов и нейтронов - неделимы. Из них и состоят, собственно, протоны и нейтроны - основа ядерной материи. Это - фундаментальные фермионы, взаимодействующие друг с другом посредством единого, на тот период развития Вселенной, фундаментального взаимодействия. Как происходило такое взаимодействие? Через частицы. Они называются бозонами. Их четыре: фотон (гамма-квант), глюон и два бозона - W и Z. А сами фундаментальные частицы, т.е. фермионы - это шесть видов кварков и шесть видов лептонов.
Именно эта группа частиц из 12 фермионов, взаимодействующих друг с другом посредством 4-х бозонов, по сути, и есть зародыш Вселенной…
А пока вернёмся к расширяющейся Вселенной первых мгновений её существования.
Современная физика полагает, что частицы - фермионы и бозоны, появившиеся сразу после Большого взрыва, неделимы. «Полагает» - означает, что нет пока никаких сведений об их внутреннем строении. Фермионы и бозоны были безмассовыми где-то вплоть до 10 -10 сек развития Вселенной и составляли, так называемый “кипящий суп”, крохотной Вселенной. Они взаимодействовали друг с другом по единому закону Великого объединения.
На 10 -36 сек эпоха Великого объединения рухнула. Характер взаимодействия частиц начал меняться. Слияние частиц и образование более тяжёлых было невозможным, пока Вселенная имела высокую температуру.
Охлаждение Вселенной продолжалось в течение 1 микросекунды
».
(М.И. Панасюк «Странники Вселенной или эхо Большого взрыва»).
Вопрос
Рассмотрение Большого Взрыва с позиции теории черных дыр приносит поразительные результаты. Итак, «чёрной дырой астрономы называют область в пространстве-времени, в которой гравитационное притяжение настолько велико, что ничто, даже свет, не могут проникнуть наружу ».
Но область, в которой сосредоточена материя в первые мгновения после Большого Взрыва как раз и должна являться таковой . Самые крупные («сверхмассивные») черные дыры (в центре галактик и в квазарах) достигают массы, в миллионы раз превосходящей солнечную. Но масса наблюдаемой Вселенной, по современным оценкам, превышает массу Солнца более чем в 10^20 раз - это 100 квинтиллионов (1 квинтиллион = 1 миллиард миллиардов)! Я человек не эмоциональный, но, тем не менее, уж и не знаю, сколько восклицательных знаков здесь ставить.
И вся эта огромная масса не создавала такую чудовищную силу гравитации,что искривление пространства‑времени не вызвало эффекта «черной дыры»? Для материи, расширяющейся во время Большого взрыва, время должно было замедлиться настолько, что из «горизонта событий» она не выбралась бы до сих пор . Это полностью исключило бы дальнейшее «разлетание» материи, составляющей впоследствии наблюдаемую часть Вселенной. Налицо логическое противоречие - либо наука неправильно понимает процессы Большого Взрыва, либо неверна теория черных дыр !
Ф. Дергачев «Черная дыра с массой Вселенной?» Часть 2
Материал подготовлен редакцией ИноСМИ специально для раздела РИА Наука >>
Майкл Финкель (Michael Finkel)
Отведем часы назад. До появления человека, до возникновения Земли, до воспламенения Солнца, до рождения галактик, до того, как засиял свет, был «большой взрыв». Произошло это 13,8 миллиарда лет тому назад.
Сверхновые "засеяли" космос тяжелыми элементами в ранней Вселенной Ученые при помощи японского космического рентгеновского телескопа Suzaku исследовали распределение железа в галактическом скоплении Персея, находящемся на расстоянии 250 миллионов световых лет от нас.Но что было до этого? Многие физики говорят, что «до этого» не существует. Они утверждают, что время начало свой отсчет в момент «большого взрыва», полагая, что все существовавшее ранее не входит в сферу науки. Мы никогда не поймем, какой была действительность до «большого взрыва», из чего он сформировался и почему произошел, чтобы создать нашу Вселенную. Такие представления находятся за пределами человеческого понимания.
Но некоторые чуждые условностям ученые не согласны. Эти физики строят теории о том, что за мгновение до «большого взрыва» вся масса и энергия нарождавшейся вселенной сжалась в одну невероятно плотную, но имеющую свои пределы крупинку. Назовем ее семенем новой вселенной.
Они считают, что это семя было невообразимо крошечным, возможно, в триллионы раз меньше любой частицы, которую мог наблюдать человек. И тем не менее эта частица дала толчок появлению всех прочих частиц, не говоря уже о галактиках, Солнечной системе, планетах и людях.
Если вам по-настоящему хочется назвать что-то частицей Бога, то это семя идеально подходит для такого названия.
Так как же возникло это семя? Одну идею выдвинул несколько лет тому назад Никодим Поплавский (Nikodem Poplawski), работающий в университете Нью-Хейвена. Она состоит в том, что семя нашей Вселенной было выковано в первичной печи, какой для него стала черная дыра.
Умножение мультивселенных
Прежде чем мы пойдем дальше, важно понять, что за последние двадцать лет многие физики-теоретики пришли к убеждению, что наша Вселенная не единственная. Мы можем составлять часть мультивселенной, представляющей огромное множество отдельных вселенных, каждая из которых является светящимся шаром в истинном ночном небе.
Много споров идет по поводу того, как одна вселенная связана с другой, и есть ли вообще такая связка. Но все эти споры носят исключительно умозрительный характер, а истина является недоказуемой. Но есть одна привлекательная идея, состоящая в том, что семя вселенной похоже на семя растения. Это кусочек существенно важной материи, плотно сжатый и спрятанный внутри защитной оболочки.
Этим точно объясняется то, что возникает внутри черной дыры. Черные дыры это трупы гигантских звезд. Когда у такой звезды заканчивается топливо, ее ядро схлопывается. Сила гравитации стягивает все с невероятной и постоянно увеличивающейся силой. Температура достигает 100 миллиардов градусов. Атомы рушатся. Электроны рвет на куски. А потом эта масса еще больше сжимается.
К этому моменту звезда превращается в черную дыру. Это значит, что ее сила притяжения настолько огромна, что из нее не может ускользнуть даже луч света. Граница между внутренней и внешней частью черной дыры называется горизонтом события. В центре почти каждой галактики, включая наш Млечный путь, ученые открывают колоссальные черные дыры, причем некоторые из них в миллионы раз массивнее нашего Солнца.
Бездонные вопросы
Если воспользоваться теорией Эйнштейна для определения того, что происходит на дне черной дыры, можно вычислить точку, которая имеет бесконечно большую плотность и бесконечной малый размер. Такая гипотетическая концепция носит название сингулярность. Но в природе бесконечностей обычно не существует. Неувязка заключается в теориях Эйнштейна, которые обеспечивают великолепные расчеты для большей части космического пространства, однако рушатся перед лицом неимоверных сил, таких как внутри черной дыры, или тех, что присутствуют при рождении вселенной.
Такие физики как доктор Поплавский говорят, что материя внутри черной дыры действительно доходит до такого состояния, когда больше ее сдавить невозможно. Это «семя» является невероятно крошечным, а весит как миллиард звезд. Но в отличие от сингулярности, оно вполне реально.
По мнению Поплавского, процесс сжатия останавливается потому, что черные дыры вращаются. Они крутятся очень быстро, возможно, достигая скорости света. И это кручение придает сжатому семени невероятное осевое вращение. Семя это не только маленькое и тяжелое; оно также искривленное и сжатое, как пружина того черта из табакерки.
Ученые впервые измерили магнитное поле черной дыры в центре Галактики Сверхмассивная черная дыра Sgr A* расположена в центре нашей галактики. Ранее астрономы обнаружили в центре нашей галактики радиопульсар PSR J1745-2900. Они воспользовались исходящим от него излучением для измерения силы магнитного поля у черной дырыИными словами, вполне возможно, что черная дыра это тоннель, «дверь в один конец» между двумя вселенными, говорит Поплавский. А это значит, что если вы попадете в черную дыру в центре Млечного пути, то вполне возможно, что в итоге вы окажетесь в другой вселенной (ну, если не вы, то ваше размозженное в мельчайшие частицы тело). Эта другая вселенная находится не внутри нашей; дыра это просто соединительное звено, как общий корень, от которого растут две осины.
А как насчет всех нас, в нашей собственной вселенной? Мы можем быть продуктом другой, более старой вселенной. Назовем ее нашей правселенной. То семя, которое мать-вселенная выковала внутри черной дыры, могло совершить большой отскок 13,8 миллиарда лет назад, и хотя наша Вселенная с тех пор быстро расширяется, мы по-прежнему можем находиться за горизонтом события черной дыры.
Мир вам ничего не должен – он был тут раньше вас.
- Марк Твен
Читатель спрашивает:
А почему Вселенная не сжалась в чёрную дыру сразу после Большого взрыва?
Честно говоря, я и сам об этом много думал. И вот почему.
Вселенная в наше время полна всего. Наша галактика - это крутой замес из звёзд, планет, газа, пыли, большого количества тёмной материи, содержащая от 200 до 400 миллиардов звёзд, и весящая в сумме в триллион раз больше, чем вся наша Солнечная система. Но наша галактика - всего лишь одна из триллиона галактик схожего размера, разбросанных по Вселенной.
Но как бы ни была массивна Вселенная, эта масса распределена по огромному пространству. Наблюдаемая часть Вселенной составляет в диаметре порядка 92 миллиардов световых лет, что по сравнению с границами нашей Солнечной системы трудно себе представить. Орбита Плутона и других объектов пояса Койпера составляет 0,06% от светового года. Поэтому у нас есть огромная масса, распределённая по огромному объёму. И хотелось бы представить, как они соотносятся друг с другом.
Ну, наше Солнце весит 2*10^30 кг. Это значит, что оно содержит 10^57 протонов и нейтронов. Если учесть, что во Вселенной содержится 10^24 солнечных масс обычной материи, получается, что в сфере радиусом 46 миллиардов километров содержится 10^81 нуклонов. Если посчитать среднюю плотность Вселенной, она окажется равной примерно двум протонам на кубический метр. А это МИЗЕР!
Поэтому, если начать думать о ранней стадии развития нашей Вселенной, когда вся материя и энергия были собраны в очень маленьком пространстве, которое было гораздо меньше даже нашей Солнечной системы, приходится задуматься над вопросом нашего читателя.
Когда Вселенная была возрастом в одну пикосекунду после Большого взрыва, вся эта материя, содержащаяся сейчас в звёздах, галактиках, кластерах и суперкластерах Вселенной, находилась в объёме меньшем, чем сфера с радиусом равным текущему радиусу орбиты Земли.
И, не умаляя теории насчёт того, что вся Вселенная уместилась в таком маленьком объёме, скажем, что нам известны чёрные дыры, которые уже существуют, и масса которых гораздо меньше массы Вселенной, а их размер при этом гораздо больше, чем упомянутый объём!
Перед вами - гигантская эллиптическая галактика Messier 87, самая большая галактика на расстоянии в 50 миллионов световых лет от нас, что составляет 0.1% от радиуса наблюдаемой Вселенной. В её центре есть супермассивная чёрная дыра, с массой в 3.5 миллиардов солнечных. Это значит, что у неё шварцшильдовский радиус - или радиус, из которого не может убежать свет. Он составляет примерно 10 миллиардов километров, что в 70 раз больше расстояния от Земли до Солнца.
Так что если такая масса в таком маленьком объёме приводит к появлению чёрной дыры, почему же масса в 10^14 раз большая, находясь в ещё меньшем объёме, не привела к появлению чёрной дыры, а, очевидно, привела к появлению нашей Вселенной?
Так она чуть и не привела. Вселенная со временем расширяется, а скорость её расширения уменьшается по мере нашего движения в будущее. В далёком прошлом, в первых пикосекундах Вселенной скорость её расширения была намного, намного больше, чем сейчас. Насколько больше?
Сегодня Вселенная расширяется со скоростью примерно 67 км/с/МПк, что означает что на каждый мегапарсек (примерно 3,26 миллиона световых лет) на котором что либо находится от нас, расстояние между нами и этим объектом расширяется со скоростью 67 километров в секунду. Когда возраст вселенной составлял пикосекунды, эта скорость была ближе к 10^46 км/с/МПк. Чтобы представить себе это, можно сказать, что такая скорость расширения сегодня привела бы к тому, что каждый атом материи на Земле удалялся бы от других так быстро, что расстояние между ними увеличивалось бы на световой год каждую секунду!
Это расширение описывает уравнение выше. На одной его стороне есть H, хаббловская скорость расширения Вселенной, а на другой - много всякого. Но самое важное – это переменная ρ, которая обозначает плотность энергии Вселенной. Если H и ρ идеально сбалансировать, Вселенная сможет прожить очень долго. Но даже небольшой дисбаланс приведет к одному из двух очень неприятных последствий.
Если бы скорость расширения Вселенной была чуть поменьше, относительно количества её массы и энергии, то нашу Вселенную ждал бы почти мгновенный коллапс. Превращение в чёрную дыру или Большое сжатие произошло бы очень быстро. А если бы скорость расширения была бы чуть-чуть повыше, то атомы вообще бы не соединились друг с другом. Всё расширялось бы так быстро, что каждая субатомная частица существовала бы в своей собственной Вселенной, и ей не с чем было бы взаимодействовать.
А насколько должны были отличаться скорости расширения для получения таких разных результатов? На 10%? На 1%? На 0.1%?
Берите выше. Потребовалась бы разница менее чем в 1/10^24, чтобы дать Вселенной время просуществовать в течении 10 миллиардов лет. То есть, даже отличия на 0.00000001% от произошедшей скорости расширения было бы достаточно, чтобы Вселенная сколлапсировала бы обратно меньше чем за секунду, если бы расширение было слишком медленным. Или для предотвращения формирования даже одного атома гелия, если бы расширение было слишком большим.
Но у нас ничего этого нет: у нас есть Вселенная, представляющая собой пример почти идеального баланса между расширением и плотностью материи и излучения, и отличается текущее состояние от идеального баланса всего лишь на очень небольшую ненулевую космологическую константу. Почему она есть, мы объяснить пока не можем, но может быть, вам понравится изучать то, что её не объясняет!
Понятие чёрной дыры известно всем — от школьника до людей преклонного возраста, оно используется в научной и фантастической литературе, в желтых СМИ и на научных конференциях. Но что конкретно представляют собой такие дыры, известно далеко не всем.
Из истории чёрных дыр
1783 г. Первая гипотеза существования такого явления, как чёрная дыра, была выдвинута в 1783 году английским учёным Джоном Мичеллом. В своей теории он объединил два творению Ньютона — оптику и механику. Идея Мичелла была такова: если свет — это поток мельчайших частиц, то, как и все другие тела, частицы должны испытывать притяжение гравитационного поля. Получается, чем массивнее звезда, тем сложнее свету противиться её притяжению. Через 13 лет после Мичелла, французский астроном и математик Лаплас выдвинул (скорее всего, независимо от британского коллеги) схожую теорию.
1915 г. Однако, все их труды оставались невостребованными вплоть до начала XX века. В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности и показал, что гравитация есть искривление пространства-времени, вызванное материей, а спустя несколько месяцев немецкий астроном и физик-теоретик Карл Шварцшильд использовал её для решения конкретной астрономической задачи. Он исследовал структуру искривленного пространства-времени вокруг Солнца и заново открыл феномен чёрных дыр.
(Джон Уилер ввел в научный обиход термин "Чёрные дыры")
1967 г. Американский физик Джон Уилер обрисовал пространство, которое можно скомкать, подобно листику бумаги, в бесконечно малую точку и обозначил термином "Чёрная дыра".
1974 г. Британский физик Стивен Хокинг доказал, что чёрные дыры, хоть и поглащают метерию без возврата, могут испускать излучение и в конце концов испаряться. Такое явление получило название "излучение Хокинга".
2013 г. Новейшие исследования пульсаров и квазаров, а также открытие реликтового излучения, наконец сделали возможным описать само понятие чёрных дыр. В 2013 году газовое облако G2 приблизилось на очень близкое расстояние к чёрной дыре и скорее всего будет поглощено ей, наблюдения за уникальным процессом даёт огромные возможности для новых открытий особенностей чёрных дыр.
(Массивный объект Стрелец А*, его масса больше Солнца в 4 млн раз, где подразумевается скопление звезд и образование чёрной дыры )
2017 г . Группа ученых из коллоборации нескольких стран Event Horizon Telescope, связав восемь телескопов с разных точек континентов Земли, проводили наблюдения за чёрной дырой, которая является сверхмассивным объектом и находится в галактике М87, созвездие Дева. Масса объекта 6,5 млрд (!) солнечных масс, в гигантские разы больше массивного объекта Стрелец А*, для сравнения диаметром чуть менее расстояния от Солнца до Плутона.
Наблюдения проводились в несколько этапов, начиная с весны 2017 года и в течении периодов 2018 года. Объём информации исчислялся петабайтами, которые затем следовало расшифровать и получить подлинный снимок сверхдалекого объекта. Поэтому потребовалось ещё целых два года для досканальной обработки всех данных и соединения их в одно целое.
2019 г. Данные были успешно расшифрованы и приведены в вид, получив первое в истории изображение чёрной дыры.
(Первый в истории снимок чёрной дыры в галактики М87 в созвездии Дева )
Разрешение изображения позволяет увидеть тень точки невозврата в центре объекта. Изображение получено в результате интерферометрических наблюдений со сверхдлинной базой. Это, так называемые, синхронные наблюдения одного объекта с нескольких радиотелескопов, соединенных между собой сетью и находящихся в разных частях земного шара, направленных в одну сторону.
Чем на самом деле являются чёрные дыры
Лаконичное объяснение феномена звучит так.
Чёрная дыра — это пространственно-временная область, чье гравитационное притяжение настолько велико, что её не может покинуть ни один объект, в том числе световые кванты.
Когда-то чёрная дыра была массивной звёздой. Пока термоядерные реакции поддерживают в её недрах высокое давление, всё остаётся в норме. Но со временем запас энергии истощается и небесное тело, под действием собственной гравитации, начинает сжиматься. Завершающий этап этого процесса — схлопывание звездного ядра и образование чёрной дыры.
- 1. Выбрасывание черной дырой струи на высокой скорости
- 2. Диск материи перерастает в чёрную дыру
- 3. Чёрная дыра
- 4. Детальная схема региона чёрной дыры
- 5. Размер найденных новых наблюдений
Самая распространённая теория гласит, что подобные феномены есть в каждой галактике, в том числе и в центре нашего Млечного пути. Огромная сила притяжения дыры способна удерживать вокруг себя несколько галактик, не давая им удаляться друг от друга. «Площадь покрытия» может быть разной, всё зависит от массы звёзды, которая превратилась в чёрную дыру, и может составлять тысячи световых лет.
Радиус Шварцшильда
Главное свойство чёрной дыры — любое вещество, которое в неё попало, никогда не сможет вернуться. Это же касается и света. По своей сути дыры — это тела, которые полностью поглощают весь попадающий на них свет и не испускающие собственного. Такие объекты визуально могут казаться сгустками абсолютной темноты.
- 1. Движущаяся материя в половину скорости света
- 2. Фотонное кольцо
- 3. Внутреннее фотонное кольцо
- 4. Горизонт событий в чёрной дыре
Отталкиваясь от Общей теории относительности Эйнштейна, если тело приблизилось на критическое расстояние к центру дыры, оно уже не сможет вернуться. Это расстояние называют радиусом Шварцшильда. Что именно происходит внутри этого радиуса доподлинно неизвестно, но есть наиболее распространенная теория. Считается, что всё вещество чёрной дыры концентрируется в бесконечно малой точке, а в её центре находится объект с бесконечной плотностью, который ученые именуют сингулярным возмущением.
Как происходит падение в чёрную дыру
(На картинке чёрная дыра Стрельца А* выглядит крайне ярким скоплением света)
Не так давно, в 2011 году, ученые обнаружили газовое облако, дав ему несложное название G2, которое испускает необычные свет. Такое свечение может давать трение в газе и пыли, вызываемое действием чёрной дыры Стрельца А* и которые вращаются вокруг нее в виде аккреционного диска. Таким образом, мы становимся наблюдателями удивительного явления поглощения сверхмассивной чёрной дырой газового облака.
По последним исследованиям наибольшее сближение с черной дырой произойдет в марте 2014 года. Мы можем воссоздать картину того, как будет происходит это захватывающее зрелище.
- 1. При первом появлении в данных газовое облако напоминает огромный шар из газа и пыли.
- 2. Сейчас по состоянию на июнь 2013 года облако находится в десятках миллиардов километров от чёрной дыры. Оно падает в неё со скоростью 2500 км/с.
- 3. Ожидается, что облако пройдет мимо чёрной дыры, но приливные силы, вызванные различием в притяжении, действующем на передний и задний край облака, заставят его принимать всё более вытянутую форму.
- 4. После того, как облако будет разорвано, большая его часть, скорее всего, вольется в аккреционный диск вокруг Стрельца А*, порождая в нём ударные волны. Температура при этом подскочит до нескольких миллионов градусов.
- 5. Часть облака упадёт прямо в чёрную дыру. Никто не знает в точности, что случится потом с этим веществом, но ожидается, что в процессе падения оно будет испускать мощные потоки рентгеновских лучей, и больше его никто не увидит.
Видео: чёрная дыра поглощает газовое облако
(Компьютерное моделирование того, как большая часть газового облака G2 будет разрушено и поглощено чёрной дырой Стрельцом А*)
Что там внутри чёрной дыры
Есть теория, которая утверждает, что чёрная дыра внутри практически пуста, а вся её масса сосредоточена в невероятно маленькой точке, находящейся в самом её центре - сингулярности.
Согласно другой теории, существующей на протяжении полувека, всё, что попадает в чёрную дыру, переходит в другую вселенную, находящуюся в самой чёрной дыре. Сейчас это теория не является основной.
И есть третья, самая современная и живучая теория, по которой всё, что попадает в чёрную дыру, растворяется в колебаниях струн на её поверхности, которую обозначают, как горизонт событий.
Так что же такое - горизонт событий? Внутрь чёрной дыры заглянуть нельзя даже сверхмощным телескопом, так как даже свет, попадая внутрь гигантской космической воронки, не имеет шансов вынырнуть назад. Всё, что можно хоть как-то рассмотреть, находится в её ближайших окрестностях.
Горизонт событий - это условная линия поверхности, из под которой ничто (ни газ, ни пыль, ни звезды, ни свет) выйти уже не сможет. И вот это и есть та самая таинственная точка невозврата в чёрных дырах Вселенной.
