Методическое пособие "Чёрные дыры в космосе и на Земле".  Черная дыра в космосе: откуда она возникает

Таинственные и неуловимые черные дыры. Законы физики подтверждают возможность их существования во вселенной, но сих пор остается множество вопросов. Многочисленные наблюдения показывают, что дыры существуют во вселенной и этих объектов - больше миллиона.

Что такое черные дыры?

Ещё в 1915 году при решении уравнений Эйнштейна было предсказано такое явление как «черные дыры». Однако научное сообщество заинтересовалось ими только в 1967 году. Их тогда называли «сколлапсировавшие звёзды», «застывшие звёзды».

Сейчас черной дырой называют область времени и пространства, которые обладают такой гравитацией, что из неё не может выбраться даже луч света.

Как образуются черные дыры?

Существуют несколько теорий появления черных дыр, которые делятся на гипотетические и реалистичные. Самая простая и распространенная реалистичная - теория гравитационного каллапса больших звезды.

Когда достаточно массивная звезда перед «смертью» разрастается в размерах и становится не стабильной, расходуя последнее топливо. В то же время масса звезды остается неизменной, но её размеры уменьшаются так как происходит, так называемое, уплотнение. Иными словами при уплотнении тяжелое ядро "падает" в само себя. Параллельно с этим уплотнение приводит к резкому повышению температуры внутри звезды и внешние слои небесного тела отрываются, из них образуются новые звезды. В это же время в центре звезды - ядро падает в свой собственный "центр". В результате действия сил гравитации центр обваливается в точку - т.е силы гравитации на столько сильны, что поглощают уплотненное ядро. Так рождается черная дыра, которая начинает искажать пространство и время, что даже свет не может вырваться из неё.

В центрах всех галактик находится сверхмассивная черная дыра. Согласно теории относительности Эйнштейна:

«Любая масса искажает пространство и время».

А теперь представьте, как сильно черная дыра искажает время и пространство, ведь её масса огромна и одновременно втиснута в сверхмалый объем. Из-за этой способности возникает следующая странность:

«Черные дыры обладают способностью практически останавливать время и сжимать пространство. Из-за этого сильнейшего искажения дыры становятся не видимыми для нас».

Если черные дыры не видны, откуда мы знаем, что они существуют?

Да, хоть черная дыра и невидимка, но она должна быть заметна за счет материи, которая падает в неё. А так же звездный газ, который притягивается черной дырой, при приближении к горизонту событий температура газа начинает расти до сверхвысоких значений, что приводит к свечению. Именно поэтому черные дыры светятся. Благодаря такому, хоть и слабому свечению, астрономы и астрофизики объясняют наличие в центре галактики объекта с малым объемом, но огромной массой. В данный момент в результате наблюдений обнаружено порядка 1000 объектов, которые похожи по поведению на черные дыры.

Черные дыры и галактики

Как черные дыры могут влиять на галактики? Этот вопрос мучает ученых всего мира. Есть гипотеза, согласно которой именно черные дыры, находящиеся в центре галактики влияет на её формы и эволюцию. И что при столкновении двух галактик происходит слияние черных дыр и во время этого процесса выбрасывается такое огромное количество энергии и материи, что образуются новые звезды.

Типы черных дыр

• Согласно существующей теории, есть три типа черных дыр: звездные, сверхмассивные, миниатюрные. И каждая из них сформировалась особым образом.
• - Черные дыры звездных масс, она разрастается до огромных размеров и разрушается.
  - Сверхмассивные черные дыры, которые могут иметь массу, эквивалентную миллионам Солнц, с большой вероятностью существуют в центрах практически всех галактик, включая наш Млечный путь. Ученые все ещё имеют разные гипотизы образования сверхмассивных черных дыр. Пока известно только одно - сверхмассивные черные дыры - побочный продукт образования галактик. Сверхмассивные черные дыры - они отличаются от обычных тем, что имеют очень большой размер, но парадоксально маленькую плотность.
• - Еще никто не смог обнаружить миниатюрную черную дыру, которая имела бы массу меньшую, чем Солнце. Вполне возможно, что миниатюрные дыры могли бы образоваться вскоре после «Большого взрыва», который является начальной точной существования нашей вселенной (около 13,7 млрд лет назад).
• - Совсем недавно было введено новое понятие как "белые черные дыры". Это пока гипотетическая черня дыра, которая является противоположностью черной дыре. Активно изучал возможность существования белых дыр Стивен Хокинг.
• - Квантовые черные дыры - они существуют пока только в теории. Квантовые черные дыры могут образовываться при столкновении сверхмалых частиц в результате ядерной реакции.
• - Первичные черные дыры - тоже теория. Они образовались сразу после возникновения.

В данный момент существует большое количество открытых вопросов, на которые ещё предстоит ответить будущим поколениям. Например, могут ли в действительности существовать так называемые "кротовые норы", с помощью которых можно путешествовать по пространству и времени. Что именно происходит внутри черной дыры и каким законам подчиняются эти явления. И как быть с исчезновением информации в черной дыре?

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.

« Чёрные дыры » Вселенной.

«Черная дыры»

«Что там новенького в космосе? Чёрные дыры? Заглянуть в них не прочь не только астрономы, но и те, кто интересуется жизнью вселенной, в том числе и любопытные школьники», – так сказал доктор педагогических наук Е. Левитан.

В научно – популярной литературе, в статьях о Вселенной часто можно встретить термин «чёрная дыра». У Вас, впервые, прочитавшего это словосочетание, сразу возникает образ, скажем, отверстия в стене. Упоминание о дырах во Вселенных, первоначально также ассоциируется с неким отверстием в небесах. Так, что же такое чёрная дыра?

Чёрная дыра – это космический объект невероятной плотности, обладающий абсолютной гравитацией, такой, что любое космическое тело и даже само пространство и время, поглощаются ею, это своего рода конечная точка всего.

«Черная дыры» немного напоминают пылесос, который работает в космосе, но в отличие от пылесоса чёрные дыры не всасывают внутрь себя все находящиеся в зоне их воздействия объекты, а, используя свою силу тяжести, только притягивают всё вокруг. Это называется эффектом вакуума (отсутствие воздуха), который вы можете наблюдать и у себя дома в своей комнате. Когда при уборке комнаты включается пылесос, то можно наблюдать, как крошки, грязь и мелкие предметы начинают движение по направлению к пылесосу. У чёрной дыры сила всасывания не так велика, как у пылесоса, поэтому космические объекты не всасываются внутрь неё, а только притягиваются.

Что же делает чёрная дыра? Чёрные дыры управляют самой эволюцией Вселенной. Они на центральном месте, но их невозможно увидеть, можно обнаружить их признаки, хотя чёрные дыры обладают свойством разрушать, они также помогают строить галактики.

Как рождается чёрная дыра? Когда у большой звезды заканчивается топливо, она не может больше поддерживать свой вес. Давление от массивных слоёв водорода заставляет звезду сжиматься всё меньше и меньше. В конце концов, звезда станет меньше атома. Представьте себе на мгновение, что вся звезда раздавиться в точку, меньше атома.

Как может получиться что-то меньше, но сохранить тоже количество массы? На самом деле все очень просто. Возьмём губку, размером с бутылку, мы легко можем раздавить ее в руках. Но вот интересный момент. Если мы делаем что-то меньшее, сжимая ее, ее гравитация становится сильнее. Представим себе, если мы сжимаем звезду в размер атома, насколько мощным станет ее гравитация? Гравитация черной дыры настолько мощная, что поглощает все, даже свет, который проходит слишком близко. Совершенно верно, даже свет не может избежать черную дыру.

Строение чёрной дыры: Черные дыры состоят из трех основных частей). Внешний слой черной дыры называется внешним горизонтом событий. Внутри внешнего горизонта событий вы еще можете вырваться от гравитации черной дыры, потому что сила тяжести здесь не так сильна. Средний слой черной дыры называется внутренним горизонтом событий. Центр черной дыры называется Сингулярность. Это странное слово означает раздавленную звезду. Сингулярность, это место, где гравитация черной дыры самая сильная.

Что будет если в неё попасть? Здесь очень интересно. Для наблюдателя с Земли будет видно, как тот кто полетел к чёрной дыре, моментально в неё упал и исчез. А тот, кто к ней будет подлетать, будет медленно-медленно приближаться, часы будут всё медленнее идти, всё будет затормаживаться (это происходит потому, что чёрная дыра искривляет (нарушает) пространство (мир) вокруг себя.

Что считают учёные, относительно чёрных дыр? Некоторые учёные считают, что чёрные дыры являются воротами в параллельные вселенные, что вполне может быть.

Теперь понятно, что чёрная дыра – это совершенно загадочное явление в Космосе, о котором человечество не знает практически ничего. Поэтому любые новые сведения о них становятся сенсацией. А так как изучение чёрных дыр практически невозможно в космосе, то на Земле изучают их аналоги и создают модели.

Аналоги «чёрных дыр» на Земле .

- тела таких огромных масштабов, что человеку их трудно осознать. Но на Земле, оказывается, есть "миниатюрный" аналог этих . И эти аналоги недавно были обнаружены в южной части Атлантического океана

Аналог космического монстра создан в китайской лаборатории – он способен засасывать свет.

«Чёрные дыры» позволят создать солнечные батареи нового поколения, способные улавливать энергию светила гораздо эффективнее нынешних.

Модели «чёрных дыр».

Объеденив знания мировых ведущих физиков о чёрной дыре с передовыми визуальными эффектами, кинокартина «Интерстеллар» показала наиболее точную модель чёрной дыры в истории научной фантстики. Ведущие мировые ученые предложили использовать голливудский научно-фантастический фильм «Интерстеллар» в качестве учебного пособия для детей по черным дырам

Учёные провели опыты, смоделировав «в ванной» черные дыры с их горизонтом событий.

Рябь в потоке ведет себя почти так же, как световые волны в пространстве-времени. Вблизи камня поток становится неоднородным, рябь изгибается, а длины волн изменяются. То же самое происходит со светом в гравитационных полях звезд и планет. В некоторых случаях поток настолько быстр, что рябь не может распространяться против течения, словно свет, не способный выйти из черной дыры

Что общего у капли воды, чёрной дыры и атома? Группа британских ученых, возглавляемая профессором обратились к капле воды потому, что силы поверхностного натяжения, удерживающие ее в целости, можно использовать, как аналог других сил, действующих в других объектах, от атома до черной дыры.

Ещё одна интересная модель «чёрной дыры» была создана в Новосибирском планетарии. Одна из занимательных игр для детей. Очень интересно сравнить, с какой скоростью и как в дыру затягивает тяжёлые и лёгкие шарики. Дольше всего держится, естественно, тяжёлый.

Как наглядно показать и представить «чёрную дыру»?

Как же можно наглядно показать и представить «чёрную дыру», чтобы нам легче было понять её устройство.

Представим чёрную дыру в виде водопада, гравитацию в виде реки, текущей к водопаду, а луч света в виде байдарки. Выше от водопада течение слабое, человек в лодке может грести против течения и выбраться. Но чем ближе к водопаду, тем сильнее течение и тем труднее выбраться. Край водопада – это край чёрной дыры. Несмотря на всю силу человека в лодке, он падает. То же самое и в космосе.

Для наглядного представления «Чёрной дыры» возьмём большой кусок пищевой плёнки, растянем его в руках и положим в центр небольшой шарик, чтобы тот образовал прогиб из-за своего веса. Капнем несколько капель воды на лист и посмотрим, как они скатятся по плёнке прямо к шарику. Это покажет, как работает гравитация. Уберём шарик и пальцем потрогали плёнку и определим - чем сильнее её оттягивать (чем тяжелее объект), тем сильнее получается воронка. Затем сделаем дыру посередине плёнки, которая изображает очень и очень тяжёлый объект. Через это отверстие будут проскакивать капли воды. Выходит, что чёрная дыра - это настолько тяжёлый объект, что он искривляет пространство. Всё, что попадает в него (как капли), никогда не возвращается обратно».

Самое гиблое место.

Нет в космосе более загадочного и пугающего объекта, чем черная дыра.
Одно словосочетание уже наводит безотчетный страх: оно рисует образ все поглощающей бездны. Перед нею робеют не только обыватели, но трепещут и астрофизики. «Из всех творений человеческого разума: от мифологических единорогов и драконов до водородной бомбы, пожалуй, наиболее фантастическое - это черная дыра. Дыра в пространстве с вполне конкретными краями, в которую может провалиться все что угодно и из которой ничто не в силах выбраться. Дыра, в которой гравитационная сила столь велика, что даже свет захватывается и удерживается в этой ловушке. Дыра, которая искривляет пространство и искажает течение времени. Подобно единорогам и драконам черные дыры кажутся, скорее, атрибутами научной фантастики или древних мифов, чем реальными объектами. Однако из физических законов с неизбежностью следует существование черных дыр. В одной нашей Галактике их, возможно, миллионы», - так сказал о черных дырах известный ученый, заведующий кафедрой Калифорнийского технологического института (США), член Национальной академии наук США, член ученого совета NASA Кип Стивен Торн.
Помимо своей фантастической мощи черные дыры обладают удивительным свойством менять внутри себя пространство и время. Они сначала закручиваются в своеобразную воронку, а потом, перейдя некую границу в глубине дыры, распадаются на кванты. Внутри же черной дыры, за краем этой своеобразной гравитационной бездны, откуда нет выхода, текут удивительные физические процессы, проявляются новые законы природы.
По мнению многих специалистов, черные дыры являются самыми грандиозными источниками энергии во Вселенной. Мы, вероятно, наблюдаем их в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик. Предполагается, что черные дыры в будущем станут источниками энергии для человечества.

Конец света находится здесь.

Как же образуются черные дыры? По словам астрофизиков, большинство из них возникает после смерти больших звезд. Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая. Но если масса вещества, оставшегося после взрыва, все еще превосходит две солнечные, то звезда должна сжаться в крошечное плотное тело, так как гравитационные силы всецело подавляют всякое внутреннее сопротивление сжатию. Ученые полагают, что именно в этот момент катастрофический гравитационный коллапс приводит к возникновению черной дыры. Они считают, что с окончанием термоядерных реакций звезда уже не может находиться в устойчивом состоянии. Тогда для массивной звезды остается один неизбежный путь - путь всеобщего и полного сжатия, превращающего ее в невидимую черную дыру.
А почему они невидимы?
- Само название «черные дыры» говорит о том, что это класс объектов, которые нельзя увидеть, - объясняет заведующий отделом радиоастрономии Государственного астрономического института им. Штернберга кандидат физико-математических наук Валентин Есипов. - Их гравитационное поле настолько сильно, что если бы каким-то путем удалось оказаться вблизи черной дыры и направить в сторону от ее поверхности луч самого мощного прожектора, то увидеть этот прожектор было бы нельзя даже с расстояния, не превышающего расстояние от Земли до Солнца.
Действительно, даже если бы мы смогли сконцентрировать весь свет Солнца в этом мощном прожекторе, мы не увидели бы его, так как свет не смог бы преодолеть воздействие на него гравитационного поля черной дыры и покинуть ее поверхность. Именно поэтому такая поверхность называется абсолютным горизонтом событий. Она представляет собой границу черной дыры. А что там прячется, за границей?

Прогуляемся до Ада.

Самое интересное описание «нутра» черной дыры принадлежит уже упоминавшемуся нами американскому физику и астроному Кипу Стивену Торну. «Вообразите себя капитаном большого космического корабля звездного класса, - предлагает ученый в своей книге «Путешествие среди черных дыр». - По заданию Географического общества вам предстоит исследовать несколько черных дыр, находящихся на больших расстояниях друг от друга в межзвездном пространстве, и с помощью радиосигналов передать на Землю описание своих наблюдений.

Пробыв в пути 4 года и 8 месяцев, ваш корабль тормозит в окрестностях ближайшей к Земле черной дыры, получившей название Гадес (Ад) и расположенной вблизи звезды Веги. На телеэкране заметно присутствие черной дыры: атомы водорода, рассеянные в межзвездном пространстве, втягиваются внутрь ее гравитационным полем. Везде вы видите их движение: медленное вдали от дыры и все более быстрое по мере приближения к ней. Это напоминает падение воды в Ниагарском водопаде за исключением того, что атомы падают не только с востока, но и с запада, севера, юга, сверху и снизу - отовсюду. Если вы ничего не предпримете, то тоже окажетесь втянуты внутрь.

Итак, вам предстоит с величайшей осторожностью перевести звездолет с траектории свободного падения на круговую орбиту вокруг черной дыры (подобную орбитам искусственных спутников, вращающихся вокруг Земли) так, чтобы центробежная сила вашего орбитального движения компенсировала силу притяжения черной дыры. Почувствовав себя в безопасности, вы включаете двигатели корабля и готовитесь к изучению черной дыры.

Прежде всего в телескопы вы наблюдаете электромагнитное излучение, испускаемое падающими атомами водорода. Вдали от черной дыры они настолько холодные, что излучают лишь радиоволны. Но ближе к дыре, там, где атомы падают быстрее, они время от времени сталкиваются между собой, нагреваются до нескольких тысяч градусов и начинают излучать свет. Еще ближе к черной дыре, двигаясь гораздо быстрее, они разогреваются за счет столкновений до нескольких миллионов градусов и испускают рентгеновское излучение.

Направляя свои телескопы «внутрь» и продолжая приближаться к черной дыре, вы «увидите» гамма-лучи, испускаемые атомами водорода, нагретыми до еще более высоких температур. И наконец, в самом центре вы обнаружите темный диск самой черной дыры.
Следующий ваш шаг - тщательно измерить длину орбиты корабля. Это приблизительно 1 млн. км, или половина длины орбиты Луны вокруг Земли. Затем вы смотрите на далекие звезды и видите, что они перемещаются, подобно вам. Наблюдая за их видимым движением, вы выясняете, что вам необходимо 5 мин. 46 с, чтобы совершить один оборот вокруг черной дыры. Это и есть ваш «орбитальный период».

Зная период обращения и длину своей орбиты, вы можете рассчитать массу черной дыры Гадес (Ад). Она будет в 10 раз больше солнечной. Это, пo-существу, полная масса, скопившаяся в черной дыре за всю ее историю и включающая массу звезды, в результате коллапса которой около 2 млрд. лет назад образовалась черная дыра, массу всего межзвездного водорода, втянутого в нее с момента ее рождения, а также массу всех астероидов и заблудившихся звездолетов, упавших на нее.

Наиболее интересны свойства ее поверхности, или горизонта - границы, из-за которой все, что падает в дыру, уже не может вернуться. Границы, из-за которой не выбраться звездолету и даже любому виду излучения: радиоволнам, свету, рентгеновским или гамма-лучам…
Хотя по массе и моменту количества движения черной дыры вы в состоянии вычислить все ее свойства снаружи, вы не можете ничего узнать о ее внутренности. Она может иметь неупорядоченную структуру и быть сильно несимметричной. Все это будет зависеть от деталей коллапса, в результате которого образовалась черная дыра, а также от особенностей последующего втягивания межзвездного водорода. Так что диаметр дыры просто нельзя рассчитать.

Получив эти результаты, вы можете исследовать окрестности горизонта черной дыры…

Попрощавшись с командой, вы влезаете в спускаемый аппарат и покидаете корабль, оставаясь сначала на той же круговой орбите, - продолжает физик Торн. - Затем, включая ракетный двигатель, слегка тормозите, чтобы замедлить свое орбитальное движение. При этом вы начинаете по спирали приближаться к горизонту, переходя с одной круговой орбиты на другую. Ваша цель - выйти на круговую орбиту с периметром, слегка превышающим длину горизонта. Поскольку вы движетесь по спирали, длина вашей орбиты постепенно сокращается - от 1 млн. км до 500 тыс., потом до 100 тыс., 90 тыс., 80 тыс. И тут начинает твориться что-то странное.

Находясь в состоянии невесомости, вы подвешены в своем аппарате, предположим, ногами - к черной дыре, а головой - к орбите вашего корабля и звездам. Но по­степенно вы начинаете ощущать, что кто-то тянет вас за ноги вниз и вверх - за голову. Вы соображаете, что причина - притяжение черной дыры: ноги ближе к дыре, чем голова, поэтому они притягиваются сильнее. То же самое справедливо, конечно, и на Земле, но разница в притяжении ног и головы там ничтожна, так что никто этого не замечает. Двигаясь же по орбите длиной 80 тыс. км над черной дырой, вы ощущаете эту разницу вполне отчетливо - различие в притяжении составит 1/8 земной силы тяжести (1/8 g). Центробежная сила, обусловленная вашим движением по орбите, компенсирует притяжение дыры в центральной точке вашего тела, позволяя свободно парить в невесомости, но на ваши ноги будет действовать избыточное притяжение 1/16 g, голова же, наоборот, будет притягиваться слабо, и центробежная сила потянет ее вверх в точности с тем же дополнительным ускорением - 1/16 g.
Несколько озадаченный, вы продолжаете движение по закручивающейся спирали, но удивление быстро сменяется беспокойством: по мере уменьшения размеров орбиты, силы, растягивающие вас, будут нарастать все стремительнее. При длине орбиты 64 тыс. км разность составит 1/4 g, при 51 тыс. км - 1/2 g и при 40 тыс. км она достигнет полного земного веса. Скрипя зубами от натуги, вы продолжаете движение по спирали. При длине орбиты 25 тыс. км сила растяжения составит 4 g, т.е. вчетверо превысит ваш вес в земных условиях, а при 16 тыс. км - 16 g. Больше вы не в состоянии выдержать в вертикальном положении. Пытаетесь решить эту проблему, свернувшись калачиком и подтянув ноги к голове, уменьшив тем самым разность сил. Но они уже настолько велики, что не дадут вам согнуться - снова вытянут вертикально (вдоль радиального по отношению к черной дыре направления).

Что бы вы ни предпринимали, ничто не поможет. И если движение по спирали будет продолжаться, ваше тело не выдержит - его разорвет на части. Итак, достичь окрестности горизонта нет никакой надежды...
Разбитый, преодолевая чудовищную боль, вы прекращаете свой спуск и переводите аппарат сначала на круговую орбиту, а затем начинаете осторожно и медленно двигаться по расширяющейся спирали, переходя на круговые орбиты все большего размера, пока не доберетесь до звездолета».

Изложенная Торном история звучит пока, как фантастика. И рассчитана на то время, когда человек добьется таких успехов в развитии техники и технологии, что станут реальностью межгалактические полеты и конструирование кольцевых миров вокруг черных дыр. А по самым оптимистичным прогнозам футурологов, это станет возможным не ранее, чем через 50 лет.

Нет, ребята, все не так...

Надо признаться, что многие ученые до сих пор отрицают существование черных дыр. Ведь их открытие и изучение происходит на кончике пера. А недавно появилось еще более неожиданное предположение, что черные дыры - вовсе не дыры вообще, а некие объекты, более родственные по природе пузырькам конденсата Бозе-Эйнштейна (агрегатное состояние материи, основу которой составляют бозоны, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю). Эту новую гипотезу выдвинули исследователь Эмиль Моттола из Теоретического Отделения Los Alamos National Laboratory вместе с соавтором Павелом Мазуром из Университета Штата Южная Каро­лина в США.

Объяснение исследователей вносит кардинально новый взгляд на природу черных дыр, которые представляются не как «дыры» в космосе, где вещество и свет необъяснимо исчезают в зоне горизонта событий, а скорее как сферические пустоты, окруженные особой формой вещества никогда прежде не известного на Земле. Мазур и Моттола называют эти объекты не черными дырами, а гравитационными звездами.

Внутри гравитационной звезды пространство и время меняются местами, как и в модели черной дыры.
Моттола и Мазур даже высказывают предположение, что Вселенная, в которой мы живем, может быть внутренней оболочкой гигантской гравитационной звезды.

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".

Наше время. 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 даст огромные возможности для новых открытий особенностей чёрных дыр.

Чем на самом деле являются чёрные дыры

Лаконичное объяснение феномена звучит так. Чёрная дыр - 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.