Маленькое сообщение черная дыра как объяснить ребенку. Исследовательская работа черные дыры космоса. Структура и физика черных дыр

« 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».

На части гравитационное воздействие еще до того, как он успеет что-то увидеть. Ученые проводили все подсчеты для простейшей сферически симметричной черной дыры , радиус которой равен радиусу Шварцшильда. Черные дыры , образующиеся при коллапсе звезд, обладают более сложными характеристиками. Однако, как отмечают авторы, с течением времени они становятся все более...

https://www.сайт/journal/117634

То есть примерно 1,6x10-35 метра. Расчеты показывают, что в подобных масштабах возможно образование микроскопических черных дыр . Напомним, что согласно современным представлениям, время жизни подобных объектов крайне мало - они испаряются в... Хокинга. Однако исследователи показали, что в рамках их гипотезы черные дыры могут находиться в некотором устойчивом состоянии. Расчеты показывают, что подобные черные дыры будут обладать свойствами, сходными с элементарными частицами. В частности, ...

https://www.сайт/journal/118249

Рассказана на заседании Американского астрономического общества (American Astronomical Society). Астрономы считают, что некоторые сверхмассивные черные дыры , расположенные в соседних галактиках, по меньшей мере, в два раза, а может и в четыре, ... Открытие может изменить представление о том, как впервые формируются галактики и какую роль играют во вселенной черные дыры . В конце же прошлого месяца группа исследователей под руководством Эндрю Фабиана (Andrew Fabian), Кембриджский университет...

https://www.сайт/journal/118608

Достигать 400 тысяч световых лет. По словам исследователей, 10-20 процентов всего железа в галактиках может переноситься с место на место черными дырами . Кроме этого ученые установили, что выбросы компактного объекта приводят к образованию в окружающем дыру газе колоссальных пустот. Размеры некоторых из них достигают 670 тысяч световых лет. Специально для изучения...

https://www.сайт/journal/120495

Работающие в настоящее время в США, предложили способ создать устройство, свойства которого будут напоминать свойства черных дыр . В основе такого устройства должна лежать цилиндрическая структура, оболочка и внутренняя часть которой различаются по... поглощалось. Авторы новой работы реализовали идею российских ученых на практике. Для создания микроволновой черной дыры исследователи воспользовались метаматериалами - особыми веществами, которые могут специфически искривлять пути проходящих сквозь них...

https://www.сайт/journal/121214

Изгибаться, двигаясь по спирали к его центру - совсем, как у черной дыры , хотя и совершенно по другим причинам. Если черная дыра действует благодаря своей колоссальной силе притяжения, инструмент, придуманный Наримановым и Килдишевым, ... (Tie Jun Cui) и Цян Чэн (Qiang Cheng) воплотили ее в реальность, создав такую симулированную «черную дыру », способную улавливать и поглощать микроволновое излучение. Устройство представляет собой цилиндр, состоящий из 60-ти кольцевых слоев пористых метаматериалов...

https://www.сайт/journal/121533

Что J0005-0006 и J0303-0019 образовались вскоре после Большого взрыва, определив массу их черных дыр . Чем больше разогретой пыли находится в квазаре, тем больше масса черной дыры (у нее много "пищи" для роста). Массы черных дыр J0005-0006 и J0303-0019 оказались самыми маленькими из всех известных квазаров молодой Вселенной. Недавно...

https://www.сайт/journal/124842

Эйнштейна-Розена. Эти объекты представляют собой гипотетические тоннели, соединяющие различные регионы пространства. Поплавски полагает, что другой конец червоточины черной дыры соединен с белой дырой (антипод черной дыры - область пространства, в которую ничто не может попасть). При этом внутри червоточины возникают условия, напоминающие расширяющуюся Вселенную, аналогичную наблюдаемой нами...

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.

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.

По причине относительно недавнего роста интереса к созданию научно-популярных фильмов на тему освоения космоса современный зритель наслышан о таких явлениях как сингулярность, или черная дыра. Однако, кинофильмы, очевидно, не раскрывают всей природы этих явлений, а иногда даже искажают построенные научные теории для большей эффектности. По этой причине представление многих современных людей о указанных явлениях либо совсем поверхностно, либо вовсе ошибочно. Одним из решений возникшей проблемы является данная статья, в которой мы попытаемся разобраться в существующих результатах исследований и ответить на вопрос – что такое черная дыра?

В 1784-м году английский священник и естествоиспытатель Джон Мичелл впервые упомянул в письме Королевскому обществу некое гипотетическое массивное тело, которое имеет настолько сильное гравитационное притяжение, что вторая космическая скорость для него будет превышать скорость света. Вторая космическая скорость – это скорость, которая потребуется относительно малому объекту, чтобы преодолеть гравитационное притяжение небесного тела и выйти за пределы замкнутой орбиты вокруг этого тела. Согласно его расчетам, тело с плотностью Солнца и с радиусом в 500 солнечных радиусов будет иметь на своей поверхности вторую космическую скорость равную скорости света. В таком случае даже свет не будет покидать поверхность такого тела, а потому данное тело будет лишь поглощать поступающий свет и останется незаметным для наблюдателя – неким черным пятном на фоне темного космоса.

Однако, концепция сверхмассивного тела, предложенная Мичеллом, не привлекала к себе большого интереса, вплоть до работ Эйнштейна. Напомним, что последний определил скорость света как предельную скорость передачи информации. Кроме того, Эйнштейн расширил теорию тяготения для скоростей близких к скорости света (). В результате этого к черным дырам уже было не актуально применять ньютоновскую теорию.

Уравнение Эйнштейна

В результате применения ОТО к черным дырам и решения уравнений Эйнштейна были выявлены основные параметры черной дыры, которых всего три: масса, электрический заряд и момент импульса. Следует отметить значительный вклад индийского астрофизика Субраманьяна Чандрасекара, который создал фундаментальную монографию: «Математическая теория чёрных дыр».

Таким образом решение уравнений Эйнштейна представлено четырьмя вариантами для четырех возможных видов черных дыр:

• ЧД без вращения и без заряда – решение Шварцшильда. Одно из первых описаний черной дыры (1916 год) при помощи уравнений Эйнштейна, однако без учета двух из трех параметров тела. Решение немецкого физика Карла Шварцшильда позволяет высчитать внешнее гравитационное поле сферического массивного тела. Особенность концепции ЧД немецкого ученого состоит в наличии горизонта событий и скрывающейся за ним . Также Шварцшильд впервые вычислил гравитационный радиус, получивший его имя, определяющий радиус сферы, на которой располагался бы горизонт событий для тела с данной массой.
• ЧД без вращения с зарядом – решение Рейснера-Нордстрёма. Решение, выдвинутое в 1916-1918 годах, учитывающее возможный электрический заряд черной дыры. Данный заряд не может быть сколь угодно большим и ограничен по причине возникающего электрического отталкивания. Последнее должно компенсироваться гравитационным притяжением.
• ЧД с вращением и без заряда – решение Керра (1963 год). Вращающаяся черная дыра Керра отличается от статичной, наличием так называемой эргосферы (об этой и др. составных черной дыры – читайте далее).
• ЧД с вращением и с зарядом — Решение Керра - Ньюмена. Данное решение было вычислено в 1965-м году и на данный момент является наиболее полным, так как учитывает все три параметра ЧД. Однако, все же предполагается, что в природе черные дыры имеют несущественный заряд.

Образование черной дыры

Существует несколько теорий о том, как образуется и появляется черная дыра, наиболее известная из которых – возникновение в результате гравитационного коллапса звезды с достаточной массой. Таким сжатием может заканчиваться эволюция звезд с массой более трех масс Солнца. По завершению термоядерных реакций внутри таких звезд они начинают ускоренно сжиматься в сверхплотную . Если давление газа нейтронной звезды не может компенсировать гравитационные силы, то есть масса звезды преодолевает т.н. предел Оппенгеймера - Волкова, то коллапс продолжается, в результате чего материя сжимается в черную дыру.

Второй сценарий, описывающий рождение черной дыры – сжатие протогалактического газа, то есть межзвездного газа, находящегося на стадии превращения в галактику или какое-то скопление. В случае недостаточного внутреннего давления для компенсации тех же гравитационных сил может возникнуть черная дыра.

Два других сценария остаются гипотетическими:

• Возникновение ЧД в результате – т.н. первичные черные дыры.
• Возникновение в результате протекания ядерных реакций при высоких энергиях. Пример таких реакций – эксперименты на коллайдерах.

Структура и физика черных дыр

Структура черной дыры по Шварцшильду включает всего два элемента, о которых упоминалось ранее: сингулярность и горизонт событий черной дыры. Кратко говоря о сингулярности, можно отметить, что через нее невозможно провести прямую линию, а также, что внутри нее большинство существующих физических теорий не работают. Таким образом, физика сингулярности на сегодня остается загадкой для ученых. черной дыры – это некая граница, пересекая которую, физический объект теряет возможность вернуться обратно за ее пределы и однозначно «упадет» в сингулярность черной дыры.

Строение черной дыры несколько усложняется в случае решения Керра, а именно при наличии вращения ЧД. Решение Керра подразумевает наличие у дыры эргосферы. Эргосфера – некая область, находящаяся снаружи горизонта событий, внутри которой все тела движутся по направлению вращения черной дыры. Данную область еще не является захватывающей и ее возможно покинуть, в отличие от горизонта событий. Эргосфера, вероятно, является неким аналогом аккреционного диска, представляющего вращающееся вещество вокруг массивных тел. Если статичная черная дыра Шварцшильда представляется в виде черной сферы, то ЧД Керри, в силу наличия эргосферы, имеет форму сплюснутого эллипсоида, в виде которого мы часто видели ЧД на рисунках, в старых кинофильмах или видеоиграх.

• Сколько весит черная дыра? – Наибольший теоретический материал по возникновению черной дыры имеется для сценария ее появления в результате коллапса звезды. В таком случае максимальная масса нейтронной звезды и минимальная масса черной дыры определяется пределом Оппенгеймера - Волкова, согласно которому нижний предел массы ЧД составляет 2.5 – 3 массы Солнца. Самая тяжелая черная дыра, которую удалось обнаружить (в галактике NGC 4889) имеет массу 21 млрд масс Солнца. Однако, не стоит забывать и о ЧД, гипотетически возникающих в результате ядерных реакций при высоких энергиях, вроде тех, что на коллайдерах. Масса таких квантовых черных дыр, иначе говоря «планковских черных дыр» имеет порядок , а именно 2·10 −5 г.
• Размер черной дыры. Минимальный радиус ЧД можно вычислить из минимальной масса (2.5 – 3 массы Солнца). Если гравитационный радиус Солнца, то есть область, где находился бы горизонт событий, составляет около 2,95 км, то минимальный радиус ЧД 3-х солнечных масс будет около девяти километров. Такие относительно малые размеры не укладываются в голове, когда речь идет о массивных объектах, притягивающих все вокруг. Однако, для квантовых черных дыр радиус равен — 10 −35 м.
• Средняя плотность черной дыры зависит от двух параметров: массы и радиуса. Плотность черной дыры с массой порядка трех масс Солнца составляет около 6 ·10 26 кг/м³, тогда как плотность воды 1000 кг/м³. Однако, столь малые черные дыры не были найдены учеными. Большинство обнаруженных ЧД имеют массу более 10 5 масс Солнца. Существует интересная закономерность, согласно которой чем массивнее черная дыра, тем меньше ее плотность. При этом изменение массы на 11 порядков влечет изменение плотность на 22 порядка. Таким образом черная дыра массой 1 ·10 9 солнечных масс имеет плотность 18.5 кг/м³, что на единицу меньше плотности золота. А ЧД массой более 10 10 масс Солнца могут иметь среднюю плотность меньше плотности воздуха. Исходя из этих расчетов логично предположить, что образование черной дыры происходит не по причине сжатия вещества, а в результате накопление большого количества материи в некотором объеме. В случае с квантовыми ЧД, их плотность может составлять около 10 94 кг/м³.
• Температура черной дыры также обратно пропорционально зависит от ее массы. Данная температура непосредственно связана с . Спектр этого излучения совпадает со спектром абсолютно черного тела, то есть тела, что поглощает все падающее излучение. Спектр излучения абсолютно черного тела зависит только от его температуры, тогда температуру ЧД можно определить по спектру излучения Хокинга. Как было сказано выше, данное излучение тем мощнее, чем меньше черная дыра. При этом излучение Хокинга остается гипотетическим, так как еще не наблюдалось астрономами. Из этого следует, что если излучение Хокинга существует, то температура наблюдаемых ЧД столь мала, что не позволяет зарегистрировать указанное излучение. Согласно расчетам даже температура дыры с массой порядка массы Солнца – пренебрежительно мала (1 ·10 -7 К или -272°C). Температура же квантовых черных дыр может достигать порядка 10 12 К и при их скором испарении (около 1.5 мин.) такие ЧД могут испускать энергию порядка десяти миллионов атомных бомб. Но, к счастью, для создания таких гипотетических объектов потребуется энергия в 10 14 раз больше той, которая достигнута сегодня на Большом адронном коллайдере. Кроме того, подобные явления ни разу не наблюдались астрономами.

Из чего состоит ЧД?

Еще один вопрос волнует, как ученых, так и тех, кто просто увлекается астрофизикой — из чего состоит черная дыра? На этот вопрос нет однозначного ответа, так как за горизонт событий, окружающий любую черную дыру, заглянуть не представляется возможным. Кроме того, как уже говорилось ранее, теоретические модели черной дыры предусматривают всего 3 ее составных: эргосфера, горизонт событий и сингулярность. Логично предположить, что в эргосфере имеются лишь те объекты, которые были притянуты черной дырой, и которые теперь вращаются вокруг нее – разного рода космические тела и космический газ. Горизонт событий – лишь тонкая неявная граница, попав за которую, те же космические тела безвозвратно притягиваются в сторону последней основной составляющей ЧД – сингулярности. Природа сингулярности сегодня не изучена и о ее составе говорить еще рано.

Согласно некоторым предположениям черная дыра может состоять из нейтронов. Если следовать сценарию возникновения ЧД в следствие сжатия звезды до нейтронной звезды с последующим ее сжатием, то, вероятно, основная часть черной дыры состоит из нейтронов, из которых состоит и сама нейтронная звезда. Простыми словами: при коллапсе звезды ее атомы сжимаются таким образом, что электроны соединяются с протонами, тем самым образуя нейтроны. Подобная реакция действительно имеет место в природе, при этом с образованием нейтрона происходит излучение нейтрино. Однако, это лишь предположения.

Что будет если попасть в черную дыру?

Падение в астрофизическую черную дыру приводит к растяжению тела. Рассмотрим гипотетического космонавта-смертника, который направился в черную дыру в одном лишь скафандре ногами вперед. Пересекая горизонт событий, космонавт не заметит никаких изменений, несмотря на то, что выбраться обратно у него уже нет возможности. В некоторый момент космонавт достигнет точки (немного позади горизонта событий), в которой начнет происходить деформация его тела. Так как гравитационное поле черной дыры неоднородно и представлено возрастающим по направлению к центру градиентом силы, то ноги космонавта подвергнутся заметно большему гравитационному воздействию, чем, например, голова. Тогда за счет гравитации, вернее – приливных сил, ноги будут «падать» быстрее. Таким образом тело начинает постепенно вытягиваться в длину. Для описания подобного явления астрофизики придумали довольно креативный термин – спагеттификация. Дальнейшее растяжение тела, вероятно, разложит его на атомы, которые, рано или поздно достигнут сингулярности. О том, что будет чувствовать человек в данной ситуации – остается только гадать. Стоит отметить, что эффект растяжения тела обратно пропорционален массе черной дыры. То есть если ЧД с массой трех Солнц мгновенно растянет/разорвет тело, то сверхмассивная черная дыра будет иметь меньшие приливные силы и, есть предположения, что некоторые физические материалы могли бы «стерпеть» подобную деформацию, не потеряв свою структуру.

Как известно, вблизи массивных объектов время течет медленней, а значит время для космонавта-смертника будет течь значительно медленней, чем для землян. В таком случае, возможно, он переживет не только своих друзей, но и саму Землю. Для определения того, насколько замедлится время для космонавта потребуются расчеты, однако из вышесказанного можно предположить, что космонавт будет падать в ЧД очень медленно и, возможно, просто не доживет до того момента, когда его тело начнет деформироваться.

Примечательно, что для наблюдателя снаружи все тела, подлетевшие к горизонту событий, так и останутся у края этого горизонта до тех пор, пока не пропадет их изображение. Причиной подобного явления является гравитационное красное смещение. Несколько упрощая, можно сказать, что свет, падающий на тело космонавта-смертника «застывшего» у горизонта событий будет менять свою частоту в связи с его замедленным временем. Так как время идет медленней, то частота света будет уменьшаться, а длина волны – увеличиваться. В результате этого явления, на выходе, то есть для внешнего наблюдателя, свет постепенно будет смещаться в сторону низкочастотного – красного. Смещение света по спектру будет иметь место, так как космонавт-смертник все более удаляется от наблюдателя, хоть и практически незаметно, и его время течет все медленней. Таким образом свет, отражаемый его телом, вскоре выйдет за пределы видимого спектра (пропадет изображение), и в дальнейшем тело космонавта можно будет уловить лишь в области инфракрасного излучения, позже – в радиочастотном, и в итоге излучение и вовсе будет неуловимо.

Несмотря на написанное выше, предполагается, что в очень больших сверхмассивных черных дырах приливные силы не так сильно изменяются с расстоянием и почти равномерно действуют на падающее тело. В таком случае падающий космический корабль сохранил бы свою структуру. Возникает резонный вопрос – а куда ведет черная дыра? На этот вопрос могут ответить работы некоторых ученых, связывающий два таких явления как кротовые норы и черные дыры.

Еще в 1935-м году Альберт Эйнштейн и Натан Розен с учетом выдвинули гипотезу о существовании так называемых кротовых нор, соединяющий две точки пространства-времени путем в местах значительного искривления последнего – мост Эйнштейна-Розена или червоточина. Для столь мощного искривления пространства потребуются тела с гигантской массой, с ролью которых отлично справились бы черные дыры.

Мост Эйнштейна-Розена – считается непроходимой кротовой норой, так как имеет небольшие размеры и является нестабильной.

Проходимая кротовая дыра возможно в рамках теории черных и белых дыр. Где белая дыра является выходом информации, попавшей в черную дыру. Белая дыра описывается в рамках ОТО, однако на сегодня остается гипотетической и не была обнаружена. Еще одна модель кротовой норы предложена американскими учеными Кипом Торном и его аспирантом — Майком Моррисом, которая может быть проходимой. Однако, как в случае с червоточиной Морриса - Торна, так и в случае с черными и белыми дырами для возможности путешествия требуется существование так называемой экзотической материи, которая имеет отрицательную энергию и также остается гипотетической.

Черные дыры во Вселенной

Существование черных дыр подтверждено относительно недавно (сентябрь 2015 г.), однако до того времени существовал уже немалый теоретический материал по природе ЧД, а также множество объектов-кандидатов на роль черной дыры. Прежде всего следует учесть размеры ЧД, так как от них зависит и сама природа явления:

• Черная дыра звездной массы . Такие объекты образуются в результате коллапса звезды. Как уже упоминалось ранее, минимальная масса тела, способного образовать такую черную дыру составляет 2.5 – 3 солнечных масс.
• Черные дыры средней массы . Условный промежуточный тип черных дыр, которые увеличились за счет поглощения близлежащих объектов, вроде скопления газа, соседней звезды (в системах двух звезд) и других космических тел.
• Сверхмассивная черная дыра . Компактные объекты с 10 5 -10 10 масс Солнца. Отличительными свойствами таких ЧД является парадоксально невысокая плотность, а также слабые приливные силы, о которых говорилось ранее. Именно такая сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики Млечного пути (Стрелец А*, Sgr A*), а также большинстве других галактик.

Кандидаты в ЧД

Ближайшая черная дыра, а вернее кандидат на роль ЧД – объект (V616 Единорога), который расположен на расстоянии 3000 световых лет от Солнца (в нашей галактике). Он состоит из двух компонент: звезды с массой в половину солнечной массы, а также невидимого тела малых размеров, масса которого составляет 3 – 5 масс Солнца. Если данный объект окажется небольшой черной дырой звездной массы, то по праву стане ближайшей ЧД.

Следом за этим объектом второй ближайшей черной дырой является объект Лебедь X-1 (Cyg X-1), который был первым кандидатом на роль ЧД. Расстояние до него примерно 6070 световых лет. Достаточно хорошо изучен: имеет массу в 14.8 масс Солнца и радиус горизонта событий около 26 км.

По некоторым источником еще одним ближайшим кандидатом на роль ЧД может быть тело в звездной системе V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), которая по оценкам 1999-го года располагалась на расстоянии 1600 световых лет. Однако, последующие исследования увеличили это расстояние как минимум в 15 раз.

Сколько черных дыр в нашей галактике?

На этот вопрос нет точного ответа, так как наблюдать их довольно непросто, и за все время исследования небосвода ученым удалось обнаружить около десятка черных дыр в пределах Млечного Пути. Не предаваясь расчетам, отметим, что в нашей галактике около 100 – 400 млрд звезд, и примерно каждая тысячная звезда имеет достаточно массы, чтобы образовать черную дыру. Вероятно, что за время существования Млечного Пути могли образоваться миллионы черных дыр. Так как зарегистрировать проще черные дыры огромных размеров, то логично предположить, что скорее всего большинство ЧД нашей галактики не являются сверхмассивными. Примечательно, что исследования НАСА 2005-го года предполагают наличие целого роя черных дыр (10-20 тысяч), вращающихся вокруг центра галактики. Кроме того, в 2016-м году японские астрофизики обнаружили массивный спутник вблизи объекта * — черная дыра, ядро Млечного Пути. В силу небольшого радиуса (0,15 св. лет) этого тела, а также его огромной массы (100 000 масс Солнца) ученые предполагают, что данный объект тоже является сверхмассивной черной дырой.

Ядро нашей галактики, черная дыра Млечного Пути (Sagittarius A*, Sgr A* или Стрелец А*) является сверхмассивной и имеет массу 4,31·10 6 масс Солнца, а радиус — 0,00071 световых лет (6,25 св. ч. или 6,75 млрд. км). Температура Стрельца А* вместе со скоплением около него составляет около 1·10 7 K.

Самая большая черная дыра

Самая большая черная дыра во Вселенной, которую ученым удалось обнаружить – сверхмассивная черная дыра, FSRQ блазар, в центре галактики S5 0014+81, на расстоянии 1.2·10 10 световых лет от Земли. По предварительным результатам наблюдения, при помощи космической обсерватории Swift, масса ЧД составила 40 миллиардов (40·10 9) солнечных масс, а радиус Шварцшильда такой дыры – 118,35 миллиард километров (0,013 св.лет). Кроме того, согласно подсчетам, она возникла 12,1 млрд лет назад (спустя 1,6 млрд. лет после Большого взрыва). Если данная гигантская черная дыра не будет поглощать окружающую ее материю, то доживет до эры черных дыр – одна из эпох развития Вселенной, во время которой в ней будут доминировать черные дыры. Если же ядро галактики S5 0014+81 продолжит разрастаться, то оно станет одной из последних черных дыр, которые будут существовать во Вселенной.

Другие две известные черные дыры, хоть и не имеющие собственных названий, имеют наибольшее значение для исследования черных дыр, так как подтвердили их существование экспериментально, а также дали важные результаты для изучения гравитации. Речь о событии GW150914, которым названо столкновение двух черных дыр в одну. Данное событие позволило зарегистрировать .

Обнаружение черных дыр

Прежде, чем рассматривать методы обнаружения ЧД, следует ответить на вопрос — почему черная дыра черная? – ответ на него не требует глубоких познаний в астрофизике и космологии. Дело в том, что черная дыра поглощает все падающее на нее излучение и совсем не излучает, если не брать во внимание гипотетическое . Если рассмотреть данный феномен подробнее, можно предположить, что внутри черных дыр не протекают процессы, приводящие к высвобождению энергии в виде электромагнитного излучения. Тогда если ЧД и излучает, то в спектре Хокинга (который совпадает со спектром нагретого, абсолютно черного тела). Однако, как было сказано ранее, данное излучение не было зарегистрировано, что позволяет предположить о совершенно низкой температуре черных дыр.

Другая же общепринятая теория говорит о том, что электромагнитное излучение и вовсе не способно покинуть горизонт событий. Наиболее вероятно, что фотоны (частицы света) не притягиваются массивными объектами, так как согласно теории – сами не имеют массы. Однако, черная дыра все же «притягивает» фотоны света посредством искажения пространства-времени. Если представить ЧД в космосе в виде некой впадины на гладкой поверхности пространства-времени, то существует некоторое расстояние от центра черный дыры, приблизившись на которое к ней свет уже не сможет отдалиться. То есть грубо говоря, свет начинает «падать» в «яму», которая даже не имеет «дна».

В дополнение к этому, если учесть эффект гравитационного красного смещения, то возможно в черной дыре свет теряет свою частоту, смещаясь по спектру в область низкочастотного длинноволнового излучения, пока вовсе не утратит энергию.

Итак, черная дыра имеет черный цвет и потому ее сложно обнаружить в космосе.

Методы обнаружения

Рассмотрим методы, которые астрономы используют для обнаружения черной дыры:

Помимо упомянутых выше методов, ученые часто связывают такие объекты как черные дыры и . Квазары – некие скопления космических тел и газа, которые являются одними из самых ярких астрономических объектов во Вселенной. Так как они обладают высокой интенсивностью свечения при относительно малых размерах, есть основания предполагать, что центром этих объектов есть сверхмассивная черная дыра, притягивающая к себе окружающую материю. В силу столь мощного гравитационного притяжения притягиваемая материя настолько разогрета, что интенсивно излучает. Обнаружение подобных объектов обычно сопоставляется с обнаружением черной дыры. Иногда квазары могут излучать в две стороны струи разогретой плазмы – релятивистские струи. Причины возникновения таких струй (джет) не до конца ясны, однако вероятно они вызваны взаимодействием магнитных полей ЧД и аккреционного диска, и не излучаются непосредственной черной дырой.

Джет в галактике M87 бьющий из центра ЧД

Подводя итоги вышесказанного, можно представить себе, вблизи: это сферический черный объект, вокруг которого вращается сильно разогретая материя, образуя светящийся аккреционный диск.

Слияние и столкновение черных дыр

Одним из интереснейших явлений в астрофизике является столкновение черных дыр, которое также позволяет обнаруживать такие массивные астрономические тела. Подобные процессы интересуют не только астрофизиков, так как их следствием становятся плохо изученные физиками явления. Ярчайшим примером является упомянутое ранее событие под названием GW150914, когда две черные дыры приблизились настолько, что в результате взаимного гравитационного притяжения слились в одну. Важным следствием этого столкновение стало возникновение гравитационных волн.

Согласно определению гравитационных волн – это такие изменения гравитационного поля, которые распространяются волнообразным образом от массивных движущихся объектов. Когда два таких объекта сближаются – они начинают вращаться вокруг общего центра тяжести. По мере их сближения, их вращение вокруг собственной оси возрастает. Подобные переменные колебания гравитационного поля в некоторый момент могут образовать одну мощную гравитационную волну, которая способна распространиться в космосе на миллионы световых лет. Так на расстоянии 1,3 млрд световых лет произошло столкновение двух черных дыр, образовавшее мощную гравитационную волну, которая дошла до Земли 14 сентября 2015 года и была зафиксирована детекторами LIGO и VIRGO.

Как умирают черные дыры?

Очевидно, чтобы черная дыра перестала существовать, ей понадобится потерять всю свою массу. Однако, согласно ее определению — ничто не может покинуть пределы черной дыры если перешло ее горизонт событий. Известно, что впервые о возможности излучения черной дырой частиц упомянул советский физик-теоретик Владимир Грибов, в своей дискуссии с другим советским ученым Яковом Зельдовичем. Он утверждал, что с точки зрения квантовой механики черная дыра способна излучать частицы посредством туннельного эффекта. Позже при помощи квантовой механики построил свою, несколько иную теорию английский физик-теоретик Стивен Хокинг. Подробнее о данном явлении Вы можете прочесть . Кратко говоря, в вакууме существуют так называемые виртуальные частицы, которые постоянно попарно рождаются и аннигилируют друг с другом, при этом не взаимодействуя с окружающим миром. Но если подобные пары возникнут на горизонте событий черной дыры, то сильная гравитация гипотетически способна их разделить, при этом одна частица упадет внутрь ЧД, а другая отправится по направлению от черной дыры. И так как улетевшая от дыры частица может быть наблюдаема, а значит обладает положительной энергий, то упавшая в дыру частица должна обладать отрицательной энергий. Таким образом черная дыра будет терять свою энергию и будет иметь место эффект, который называется – испарение черной дыры.

Согласно имеющимся моделям черной дыры, как уже упоминалось ранее, с уменьшением ее массы ее излучение становится все интенсивнее. Тогда на завершающем этапе существования ЧД, когда она, возможно, уменьшится до размеров квантовой черной дыры, она выделит огромное количество энергии в виде излучения, что может быть эквивалентно тысячам или даже миллионам атомных бомб. Данное событие несколько напоминает взрыв черной дыры, словно той же бомбы. Согласно подсчетам, в результате Большого взрыва могли зародиться первичные черные дыры, и те из них, масса которых порядка 10 12 кг, должны были бы испариться и взорваться примерно в наше время. Как бы то ни было, подобные взрывы ни разу не были замечены астрономами.

Несмотря на предложенный Хокингом механизм уничтожения черных дыр, свойства излучения Хокинга вызывают парадокс в рамках квантовой механики. Если черная дыра поглощает некоторое тело, а после теряет массу, возникшую в результате поглощения этого тела, то независимо от природы тела, черная дыра не будет отличаться от той, которой она была до поглощения тела. При этом информация о теле навсегда утеряна. С точки зрения теоретических расчетов преобразование исходного чистого состояния в полученное смешанное («тепловое») не соответствует нынешней теории квантовой механики. Этот парадокс иногда называют исчезновением информации в чёрной дыре. Доподлинное решение данного парадокса так и не было найдено. Известные варианты решения парадокса:

• Не состоятельность теории Хокинга. Это влечет за собой невозможность уничтожения черной дыры и постоянный ее рост.
• Наличие белых дыр. В таком случае поглощаемая информация не пропадает, а просто выбрасывается в другую Вселенную.
• Не состоятельность общепринятой теории квантовой механики.

Нерешенный проблемы физики черных дыр

Судя по всему, что было описано ранее, черные дыры хоть и изучаются относительно долгое время, все же имеют множество особенностей, механизмы которых до сих пор не известен ученым.

• В 1970-м году английский ученый сформулировал т.н. «принцип космической цензуры» — «Природа питает отвращение к голой сингулярности». Это означает, что сингулярность образуется только в скрытых от взора местах, как центр черной дыры. Однако, доказать данный принцип пока не удалось. Также существуют теоретические расчеты, согласно которым «голая» сингулярность может возникать.
• Не доказана и «теорема об отсутствии волос», согласно которой черные дыры имеют всего три параметра.
• Не разработана полная теория магнитосферы черной дыры.
• Не изучена природа и физика гравитационной сингулярности.
• Доподлинно неизвестно, что происходит на завершающем этапе существования черной дыры, и что остается после ее квантового распада.

Интересные факты о черных дырах

Подводя итоги вышесказанного можно выделить несколько интересных и необычных особенностей природы черных дыр:

• ЧД имеют всего три параметра: масса, электрический заряд и момент импульса. В результате такого малого количества характеристик этого тела, теорема утверждающие это, называется «теоремой об отсутствии волос» («no-hair theorem»). Отсюда также возникла фраза «у черной дыры нет волос», которая обозначает, что две ЧД абсолютно идентичны, упомянутые их три параметра одинаковы.
• Плотность ЧД может быть меньше плотности воздуха, а температура близкая к абсолютному нулю. Из этого можно предположить, что образование черной дыры происходит не по причине сжатия вещества, а в результате накопление большого количества материи в некотором объеме.
• Время для тел, поглощенных ЧД, идет значительно медленней, чем для внешнего наблюдателя. Кроме того, поглощенные тела значительно растягиваются внутри черной дыры, что было названо учеными – спагеттификацией.
• В нашей галактике может быть около миллиона черных дыр.
• Вероятно, в центре каждой галактики располагается сверхмассивная черная дыра.
• В будущем, согласно теоретической модели, Вселенная достигнет так называемой эпохи черных дыр, когда ЧД станут доминирующими телами во Вселенной.