Как объяснить ребенку что такое черная дыра. Академия занимательных наук. Астрономия. Видео. Самая большая черная дыра

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.

Что такое черные дыры?

Дети , как вы думаете, могли ли вы когда нибудь видеть эффект вакуума в вашей комнате? Когда вы что-то делаете, внимательно следите, потому что вы можете увидеть, как грязь и крошки начинают двигаться по направлению к пылесосу. Черная дыра похожа на пылесос, но только в космосе. Тем не менее, это не мощное всасывание, которое заставляет вещи падать в черную дыру. Силы всасывание не будет достаточно сильным. Вместо этого, черная дыра использует силу тяжести, чтобы притягивать все вокруг.

Как формируются черные дыры? Объяснение для детей

Когда у большой звезды заканчивается топливо, она не может больше поддерживать свой вес. Давление от массивных слоев водорода заставляет звезду сжиматься все меньше и меньше. В конце концов, звезда станет меньше атома. Представьте себе дети 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. Возьмите дети губку, размером с бутылку, вы легко можете раздавить ее в руках. Но вот интересный момент. Если вы делаете что-то меньшее, сжимая ее, ее гравитация становится сильнее. Представьте себе дети, если вы сжимаете 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 черной дыры. Астрономия для детей

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. Если вы не избежали силы тяжести черной дыры, прежде чем вошли во внутренний горизонт событий, то вы, дети, упустили свой шанс. Сила тяжести в этом слое намного сильнее и не отпускает объекты, которая она захватывает. В этом момент вы начинаете падать к центру черной дыры. Центр черной дыры называется Сингулярность. Это странное слово означает раздавленную звезду. Сингулярность, это место, где гравитация черной дыры самая сильная.

Как вы можете попасть в черную дыру?

Подумайте о Земле. Если вы приближаетесь слишком близко к Земле, вы сталкиваетесь с ее гравитацией. На Земле вы могли бы снова улететь в космос на ракете. Тем не менее, если вы упадете в черную дыру, то у вас, дети, нет никакой возможности выбраться, так как гравитация очень сильна.

В новом видеоуроке астрономии профессор расскажет о том, как образуются чёрные дыры и чем они опасны.

Как образуются чёрные дыры

Чёрные дыры нельзя потрогать, и по ним нельзя прогуляться. Чёрными дырами называют области в пространстве времени, которые образуют сверхмощное притяжение. Притяжение искривляет пространство и время, это значит, что внутри чёрной дыры нет прямых линий, пространство скомкано и переплетено. Если рядом с чёрной дырой образуется звезда, то гравитационные силы чёрной дыры разорвут звезду на части и та пропадёт в недрах дыры. Если что-то попало в чёрную дыру, то там навсегда и остаётся. Чтобы преодолеть мощное притяжение чёрной дыры необходимо развить скорость большую, чем скорость света, но это, увы, невозможно. Учёные точно не знают, как образуются сверхмассивные чёрные дыры, но с обычными чёрными дырами всё более-менее ясно. В процессе эволюции звезды происходит постепенное выгорание водорода, соответственно его количество уменьшается, что приводит к тому, что сила светового давления начинает превосходить силу гравитационного сжатия. Звезда сильно увеличивается в размерах и превращается в красный гигант, который впоследствии взрывается. После взрыва начинается сжатие, далее звезда остывает и её становится непосредственно не видно. Но, если масса остатка красного гиганта превосходит солнечную массу в 2-2,5 раза, то его сжатие остановиться не может, поскольку гравитационная сила полностью подавляет сопротивление сжатию, в результате этот остаток сжимается в плотное крошечное тело, как бы замыкается в себе. И именно в этот момент гравитационного коллапса (сжатия) образуются чёрные дыры. В результате оказывается, что масса сосредотачивается в такой малой области, что даже скорости свете не достаточно для того, чтобы покинуть её окрестность. Отсюда первая часть названия — чёрная, поскольку она способна поглотить даже свет. Вторая же часть — дыра — означает, что всё, что попадает в область чёрной дыры, становится навсегда недоступным наблюдению.

> Черные дыры

Что такое черная дыра – объяснение для детей: описание с фото, как найти в космосе Вселенной, как появляются, смерть звезды, сверхмассивные черны дыры галактик.

Для самых маленьких родители или в школе должны объяснить , что воспринимать черную дыру как пустое место – грубейшая ошибка. Наоборот, в ней сконцентрировано невероятное количество материи, которая замкнута в маленьком пространстве. Чтобы объяснение для детей было более красочным, просто представьте, что вы взяли звезду в 10 раз массивнее Солнца и попытались впихнуть в область размером с Нью-Йорк. Из-за такого давления, гравитационное поле обретает настолько большую силу, что никто и даже световой луч не может вырваться. С развитием технологий НАСА удается все больше узнать об этих загадочных объектах.

Начать объяснение для детей можно с того, что термина «черная дыра» не существовало до 1967 года (ввел Джон Уилер). Но до этого уже несколько веков упоминалось о существовании странных объектов, которые своей плотностью и массивностью не выпускают свет. Их даже предсказал Альберт Эйнштейн в общей теории относительности. Она доказала, что при смерти массивной звезды остается небольшое плотное ядро. Если звезда по массе в трое превышает солнечную, то сила тяжести превозмогает остальные силы, и мы получаем черную дыру.

Конечно, важно объяснить детям , что исследователи лишены возможности наблюдать эти особенности напрямую (телескопы находят лишь свет, рентгеновское излучение и прочие формы электромагнитного излучения), так что ждать фото черной дыры не приходится. Но можно высчитать их местоположение и даже определить размер из-за влияния, которое они оказывают на окружающие объекты. Например, если она пройдет сквозь облако межзвездной материи, то в процессе начнет втягивать вещество внутрь – аккреция. То же самое повторится, если вблизи пройдет звезда. Правда звезда может разорваться.

В момент притягивания вещество нагревается и ускоряется, выпуская в пространство рентгеновские лучи. Недавние открытия заметили несколько мощных всплесков гамма-лучей, демонстрируя процесс пожирания дырой соседних звезд. В этот момент они стимулируют рост одних и останавливают у других.

Смерть звезды – начало для черной дыры

Большая часть черных дыр появляется из остаточного материала умирающих крупных звезд (взрыв сверхновой). Меньшие по размеру звезды превращаются в плотные нейтронные, которым не хватает массивности, чтобы удерживать свет. Если масса звезды больше солнечной в 3 раза, то она становится кандидатом на пост черной дыры. Важно объяснить детям одну странность. Когда звезда разрушается, то ее поверхность приближается к воображаемой поверхности (горизонт событий). Время на самой звезде становится медленнее, чем у наблюдателя. Когда поверхность настигла горизонта событий, то время замирает, и звезда больше не может разрушаться – замороженный разрушающийся объект.

Более крупные черные дыры способны появляться после звездного столкновения. После запуска в декабре 2004 года телескопу НАСА удалось заметить сильные мимолетные световые вспышки – гамма-излучения. После этого Чандра и Хаббл собрали данные о событии и поняли, что эти вспышки могли быть следствием столкновения черной дыры и нейтронной звезды, что порождает новую черную дыру.

Хотя в процессе образования дети и родители уже разобрались, но загадкой остается один момент. Кажется, будто дыры существуют в двух разных масштабах. Есть множество черных дыр – остатки массивных звезд. Как правило, они в 10-24 раз массивнее Солнца. Ученые постоянно видят их, если посторонняя звезда приближается критически близко. Но большинство черных дыр существуют изолированно и их просто нельзя заметить. Однако, если судить по количеству звезд, обладающих достаточным размером, чтобы стать кандидатом на черную дыру, то в Млечном Пути таких черных дыр должно присутствовать десятки миллионов миллиардов.

Есть также и сверхмассивные черные дыры, которые в миллион и даже миллиард раз превосходят по размерам наше Солнце. Полагают, что такие монстры обитают в центрах практически всех крупных галактик (и в нашей).

Для самых маленьких будет интересно узнать, что долгое время ученые полагали, будто среднего размера для черных дыр не существует. Но данные Чандры, XMM-Newton и Хаббла показывают, что они есть.

Возможно, сверхмассивные черные дыры появляются из-за цепной реакции, вызванной столкновением звезд в компактных скоплениях. Из-за этого накапливается очень много массивных звезд, которые разрушаются и производят черные дыры. Затем эти скопления занимают галактический центр, где черные дыры сливаются и превращаются в сверхмассивного представителя.

Вы уже могли понять, что у вас не получится полюбоваться на черную дыру в высоком качестве в режиме онлайн, потому что эти объекты не выпускают свет. Но детям будет интересно изучить фото и схемы, созданные на основе контакта черных дыр и обычной материи.

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.