Черные дыры в космосе: ТОП-20 удивительных фактов

Что такое черная дыра

Определяющей характеристикой черной дыры является ее горизонт. Это граница, за которую ничто, даже свет, не может отступить. Если отделенная область становится постоянно отделенной, мы говорим о «горизонте событий». Если он отделен лишь временно, мы говорим о «видимом горизонте». Но это «временно» может также означать, что регион будет разделен гораздо дольше, чем текущий возраст Вселенной. Если горизонт черной дыры временный, но долгоживущий, то разница между первым и вторым становится размытой.

Когда вы пересекаете горизонт, вокруг вас ничего особенного не происходит. Все это объясняется принципом эквивалентности Эйнштейна, из которого следует, что нельзя найти разницы между ускорением в плоском пространстве и гравитационным полем, создающим кривизну пространства. Тем не менее, наблюдатель, находящийся далеко от черной дыры и наблюдающий, как кто-то другой падает в нее, заметит, что этот кто-то будет двигаться все медленнее и медленнее по мере приближения к горизонту. Это было бы похоже на то, как если бы время двигалось медленнее вблизи горизонта событий, чем вдали от него. Однако пройдет некоторое время, и наблюдатель, падающий в дыру, пересечет горизонт событий и окажется внутри луча Шварцшильда.

То, что вы испытываете у горизонта, зависит от приливных сил гравитационного поля. Приливные силы у горизонта обратно пропорциональны квадрату массы черной дыры. Это означает, что чем больше и массивнее черная дыра, тем меньше силы. И пока черная дыра достаточно массивна, можно успеть пересечь горизонт до того, как вы заметите происходящее. Влияние этих приливных сил растянет вас: технический термин, используемый физиками, называется «спагеттированием».

На заре общей теории относительности считалось, что на горизонте находится сингулярность, но оказалось, что это не так.

ТОП интересных фактов о черных дырах

Первое предположение о существовании чёрных дыр сделал Джон Митчелл

Большинство людей считают, что открытие существования черных дыр принадлежит Альберту Эйнштейну.

Однако Эйнштейн завершил свою теорию в 1916 году, в то время как Джон Митчелл рассматривал эту идею еще в 1783 году. Она не имела применения, потому что этот английский священник просто не знал, что с ней делать.

Митчелл начал разрабатывать теорию черных дыр, когда принял идею Ньютона о том, что свет состоит из маленьких материальных частиц, называемых фотонами. Он задался вопросом о движении этих частиц света и пришел к выводу, что оно зависит от гравитационного поля звезды, которую они покидают. Он пытался понять, что произойдет с этими частицами, если гравитационное поле будет слишком большим, чтобы свет мог его покинуть.

Митчелл также является основателем современной сейсмологии. Он предположил, что землетрясения распространяются по земле подобно волнам.

Они действительно притягивают пространство вокруг себя

Попробуйте представить пространство в виде резинового листа. Представьте, что планеты — это шары, которые толкаются об этот лист. Он деформируется, и больше нет прямых линий. Это создает гравитационное поле и объясняет, почему планеты движутся вокруг звезд.

Если масса объекта увеличивается, то деформация пространства может быть еще больше. Эти дополнительные искажения увеличивают силу гравитации и ускоряют орбитальное движение, заставляя спутники двигаться все быстрее и быстрее вокруг объектов.

Например, Меркурий движется вокруг Солнца со скоростью 48 км/с, а орбитальная скорость звезд вблизи черной дыры в центре нашей галактики достигает 4800 км/с.

Если гравитационная сила достаточно сильна, спутник столкнется с крупным объектом.

Не все чёрные дыры одинаковы

Мы склонны думать, что все черные дыры в принципе одинаковы. Однако недавно астрономы обнаружили, что их можно разделить на несколько разновидностей.

Существуют вращающиеся черные дыры, электрически заряженные черные дыры и черные дыры, содержащие признаки первых двух. Обычные черные дыры образуются в результате поглощения материи, а вращающаяся черная дыра образуется в результате слияния двух таких дыр.

Эти черные дыры потребляют гораздо больше энергии из-за повышенного возмущения пространства. Заряженная вращающаяся черная дыра действует как ускоритель частиц.

Черная дыра, названная GRS 1915+105, находится на расстоянии около 35 000 световых лет от Земли. Он вращается со скоростью 950 оборотов в секунду.

Их плотность невероятно высока

Черные дыры должны быть чрезмерно массивными при невероятно малых размерах, чтобы создать достаточно большую гравитационную силу, способную остановить свет. Например, если сделать черную дыру с такой же массой, как у Земли, то получится сфера диаметром всего 9 мм.

Черная дыра с массой в 4 миллиона раз больше массы Солнца может поместиться в пространстве между Меркурием и Солнцем. Черные дыры в центре галактик могут иметь массу от 10 до 30 миллионов раз больше массы Солнца.

Такая большая масса в таком маленьком пространстве означает, что черные дыры имеют невероятно высокую плотность, и силы, действующие в них, также очень сильны.

Различают три типа черных дыр

Это звездные, сверхмассивные и реликтовые дыры. Первые более или менее понятны: они появляются после «смерти» гигантских звезд. 

Сверхмассивные — это черные дыры в центрах галактик. У ученых есть несколько гипотез об их появлении: они могли «вырасти» из более мелких, втягивая в себя материю, или же они могли возникнуть из массивного облака газа. Первая проблема заключается в том, что для образования сверхмассивной черной дыры требуется невероятное количество материи. Вторая проблема заключается в том, что до сих пор не было найдено ни одной сверхмассивной черной дыры. Вполне вероятно, что существует какой-то другой способ образования черных дыр, о котором ученые еще не знают.

Релятивистские черные дыры — это гипотетические объекты, которые чрезвычайно малы, меньше даже размера протона. Конечно, их невозможно найти, но они должны были появиться в изобилии сразу после Большого взрыва. 

Вокруг черных дыр возникает аккреционный диск 

Аккреционный диск — это массивный вихрь материи вокруг черной дыры. Это может произойти, когда звезда приближается к черной дыре и гравитационно растягивается.

Это зрелище не для слабонервных, но Дарту Вейдеру оно бы понравилось.

Чёрные дыры в микромире и червоточины

Подобно существованию гигантских черных дыр в космосе, на атомных уровнях энергоинформационных взаимодействий между субэлементарными, элементарными и суперуниверсальными частицами также существуют аналогичные механизмы качественной трансформации. «Межатомное пространство», существующее между электронами и протонами, выравнивается, корректируется и поддерживается большим количеством аналогов «квазаров», «черных дыр», «нейтронов» и «сверхновых звезд», свойственных этому диапазону проявлений микромира. За исключением того, что на одних уровнях множественных и разнонаправленных энергоинформационных взаимодействий происходит мощное поглощение части энергии, а на других — ее выход на следующие уровни взаимодействий. Каждое межатомное пространство имеет «свои галактики, звезды и планеты», через которые резонансно связаны различные конфигурации континуальных резонансов разных измерений.

«Пограничные», «фильтрующе-излучающие» свойства отдельных черных дыр и квазаров создают межпространственные потоки энергии-информации для проникновения из одного типа реальности в другой.  
В космосе, на границах взаимодействия черных дыр, существуют области очень высокой гравитации, где возможно «склеивание» удаленных областей пространства, которые ученые называют «пространственно-временными туннелями» или «червоточинами». Существуют переходные червоточины пространства-времени (червоточина Морриса-Торна) и непереходные червоточины, которые коллапсируют слишком быстро (метрика Шварцшильда). Каждая черная дыра окружена невидимой сферой, которая является своего рода границей невозврата, поскольку на атомы попавшего в нее объекта начинают мощно воздействовать гравитационные силы, растягивая их, поэтому любой объект (в том числе и атомы) при приближении к ней сначала растягивается до предела, а затем разрывается. «Обратная» (к субъективному наблюдателю) часть распространения силы, представляет собой другой тип вселенной, а пространство-время между двумя вселенными называется «мостом Эйнштейна-Розена» («червоточиной»). 

Червоточина отличается от черной дыры тем, что у нее нет горизонта событий. Материя не может выйти за пределы червоточины, но свет может, и излучаемый свет имеет определенное угловое распределение. То есть, если вы посмотрите на вход в пространственно-временную червоточину, то увидите кольцо света, яркость которого увеличивается к внешнему диаметру. А в центре этого кольца, опять же теоретически, мы увидим свет от других галактик по ту сторону пространственно-временного туннеля.

Черная дыра является хорошим примером «необратимой червоточины», т.е. вы можете пройти через горизонт событий только в одном направлении. Но существуют и обратимые пространственно-временные червоточины, через которые можно свободно перемещаться в обоих направлениях. Сила отталкивания, присущая отрицательной энергии или отрицательной материи, сможет удерживать проход открытым достаточно долго, чтобы миновать опасную зону. Когда объекты сжимаются, они ускоряют свое вращение, поэтому черные дыры вращаются с фантастической скоростью. Вращающаяся черная дыра не коллапсирует, а сжимается, образуя вращающуюся червоточину, через отверстие которой, мост Эйнштейна-Розена, можно пройти, чтобы попасть в другой вид вселенной. Каждый последующий проход через очередную вращающуюся червоточину будет возвращать человека в другую параллельную вселенную. Проходящая червоточина обеспечивает гипотетическую возможность путешествия во времени, а также может создать возможность межзвездных путешествий.

Они создают Квазары, самые яркие объекты во Вселенной

Квазары — самые энергичные и яркие объекты в известной Вселенной. Квазар, известный как S5 0014+81, в 300 триллионов раз ярче Солнца или в 25 000 раз ярче всех звезд Млечного Пути вместе взятых. Вся эта энергия производится сверхкрупной черной дырой в центре каждого квазара, которая откармливается на убой.

Черная дыра на самом деле не дыра

Это пуля. И, по крайней мере, насколько нам известно, в ней нет червоточин в альтернативные реальности, как показано в фильме «Интерстеллар».

Они достаточно сильны, чтобы изменить само время…

Гравитационный колодец черной дыры настолько силен, что время течет тем медленнее (относительно внешнего наблюдателя), чем ближе вы приближаетесь к горизонту событий.

Мы состоим из одного и того же материала

Некоторые исследователи считают, что черные дыры помогут нам создать новые элементы, поскольку они разбивают материю на субатомные частицы.

Эти частицы участвуют в формировании звезд, что, в свою очередь, приводит к образованию элементов тяжелее гелия, таких как железо и углерод, необходимых для формирования твердых планет и жизни. Эти элементы являются частью всего, что обладает массой, то есть нас с вами.

Сверхмассивные черные дыры существуют в центрах большинства галактик

Ученые считают, что в ядре большинства галактик, включая Млечный Путь, находится сверхмассивная черная дыра. Эти большие черные дыры фактически удерживают галактики вместе в пространстве.

Стрелец А, черная дыра, расположенная в центре Млечного Пути, в 4 миллиона раз массивнее Солнца. Стрелец А находится на расстоянии всего 26 000 световых лет от Земли и является одной из немногих черных дыр во Вселенной, где астрономы могут наблюдать поток материи поблизости.

Во Вселенной есть бесчисленные черные дыры

Только наша галактика состоит из более чем 100 миллионов звездных черных дыр, а также сверхмассивной звезды Стрелец А в ее центре. Почти 100 миллиардов галактик, каждая из которых имеет сверхмассивное ядро-монстр и 100 миллионов черных дыр звездной массы (в то время как другие типы еще изучаются), — это все равно что пытаться сосчитать количество песчинок на Земле.

Черные дыры не засасывают

Люди обычно думают о черной дыре как о космическом вакууме, который высасывает материю из всего, что его окружает. Это распространенное заблуждение. Черные дыры похожи на любое другое небесное тело, но они оказывают огромное гравитационное притяжение на пространство рядом с ними. Это гравитационное притяжение просто заставляет окружающую материю быстро ускоряться.

Даже если заменить наше Солнце черной дырой равной массы, Земля не упадет. Черная дыра будет иметь такое же гравитационное поле, как и Солнце. Земля и другие планеты продолжали бы вращаться вокруг черной дыры так же, как сегодня она вращается вокруг Солнца.

А поскольку Солнце недостаточно велико, оно никогда не станет черной дырой.

Они ограничивают количество звёзд

Известный астрофизик Карл Саган однажды сказал: во Вселенной больше звезд, чем песчинок на пляжах всего мира. Но кажется, что во Вселенной всего 1022 звезды.

Это число определяется количеством черных дыр. Потоки частиц, выбрасываемые черными дырами, расширяются в пузыри, которые распространяются через области звездообразования. Регионы звездообразования — это области газовых облаков, которые могут охлаждаться и образовывать звезды. Потоки частиц нагревают эти газовые облака и препятствуют звездообразованию.

Это означает, что существует баланс между количеством звезд и активностью черных дыр. Слишком большое количество звезд в галактике делает ее слишком горячей и взрывоопасной для развития жизни, но и слишком малое количество звезд также не способствует развитию жизни.

Информация может спастись от черной дыры

Что происходит с информацией частиц, проходящих через черные дыры? Физики пытаются ответить на этот вопрос уже несколько десятилетий.

Законы квантовой физики гласят, что информация не может быть окончательно уничтожена. Однако, если информация не может вырваться из черной дыры, она, по сути, уничтожена. Это, по-видимому, нарушает принципы квантовой механики.

По словам Стивена Хокинга, информация никогда не попадает в черную дыру.

«Информация хранится не внутри черной дыры, как можно было бы ожидать, а на границе черной дыры, которая является горизонтом событий». — Стивен Хокинг

Когда объект попадает в черную дыру, его информация захватывается и сохраняется на горизонте событий. Хотя объект может быть уничтожен внутри черной дыры, информация остается нечеткой на горизонте событий.

Информация может уйти с излучением Хокинга, но в бесполезной и хаотичной форме. В принципе, это может произойти и в другой вселенной. Хокинг предположил, что черные дыры не являются вечными тюрьмами, каковыми их когда-то считали.

Они являются совершенными производителями энергии

Черные дыры всасывают всю окружающую массу. Внутри черной дыры все сжимается настолько плотно, что пространство между атомами становится сжатым, в результате чего субатомные частицы способны вырваться наружу. Эти частицы выбрасываются из черной дыры линиями магнитного поля, пересекающими горизонт событий.

Высвобождение частиц создает энергию довольно эффективным способом. Преобразование массы в энергию таким способом в 50 раз эффективнее ядерного синтеза.

Как исчезают черные дыры

До сих пор ученые никогда не наблюдали исчезновения черной дыры, поэтому неизвестно, есть ли у этого объекта время жизни. Стивен Хокинг разработал теорию, чтобы попытаться объяснить, как может происходить это явление. Это называется «испарение черной дыры».

Суть теории Хокинга основана на образовании виртуальных частиц. Это пара микроскопических объектов, которые регулярно появляются в вакууме. И если виртуальные частицы создаются на границе горизонта событий, они разрушаются. Один будет лететь к центру черной дыры, а другой — от него. Таким образом, первая частица будет обладать отрицательной энергией. Это означает, что черная дыра потеряет количество массы, равное ее массе.

И если такая «бомбардировка» будет продолжаться регулярно, небесное тело постепенно полностью потеряет массу и исчезнет. Но этот процесс займет много времени. Однако у этой теории есть критики, поскольку если черная дыра теряет массу при поглощении объекта, то эта потеря должна быть компенсирована массой материи, запертой внутри.

Ничто не может ускользнуть от их притяжения

Когда что-то (это может быть планета, звезда, галактика, частица света) проходит достаточно близко к черной дыре, объект неизбежно будет захвачен ее гравитационным полем. Если что-то другое, взаимодействующее с объектом, скажем, ракета, окажется сильнее гравитационной силы черной дыры, он сможет избежать поглощения.

До тех пор, конечно, пока она не достигнет горизонта событий. Точка, после которой покинуть черную дыру уже невозможно. Чтобы покинуть горизонт событий, нужно разогнаться быстрее скорости света, что невозможно.

Это темная сторона черной дыры — если свет не может покинуть ее, мы никогда не сможем увидеть ее внутреннюю часть.

Ученые считают, что даже маленькая черная дыра разорвет вас на части задолго до того, как вы пересечете горизонт событий. Сила гравитации тем больше, чем ближе вы находитесь к планете, звезде или черной дыре. Если вы летите к черной дыре ногами вперед, сила тяжести в ваших ногах будет намного больше, чем в голове. Это то, что разорвет вас на части.

Наше Солнце черной дырой не станет

Минимальная масса звезды, которая станет черной дырой, должна быть в 30-40 раз больше массы Солнца. Наше Солнце станет белым карликом, и не раньше, чем через 4 миллиарда лет.

Существует теория, что мы живем в черной дыре

Эта гипотеза не очень популярна среди астрономов, но они не могут полностью отвергнуть ее. Существует теория, что Большой взрыв — это процесс образования черных дыр, и что за пределами нашей вселенной существует метавселенная, заполненная такими же черными дырами. Но чтобы вырваться за пределы нашего горизонта событий, потребуется энергия, превышающая мощность Большого взрыва.

Сияющий свет двойных черных дыр

В 2015 году астрономы с помощью Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) впервые обнаружили гравитационные волны. С тех пор было отмечено еще несколько подобных инцидентов с этим прибором. Гравитационные волны, наблюдаемые LIGO, возникают при слиянии небольших черных дыр.

Наблюдения LIGO также дают ключ к разгадке направления вращения черных дыр. Когда пара черных дыр вращается по спирали друг вокруг друга, они могут вращаться в одном направлении. Или направления вращения могут быть совершенно разными.

Существует две теории о том, как образуются бинарные черные дыры. Первый предполагает, что они образовались примерно в одно и то же время из двух звезд. Возможно, они родились вместе и умерли примерно в одно и то же время. Звезды-компаньоны имели бы сходное направление вращения. Поэтому черные дыры, которые они оставили после себя, также должны были вращаться подобным образом.

Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении спускаются к его центру и сливаются друг с другом. Эти компаньоны будут иметь случайные спиновые ориентации относительно друг друга. Наблюдения черных дыр с различной ориентацией спина, проведенные с помощью LIGO, дают более весомые доказательства в пользу этой теории образования.

Промежуточные черные дыры – застрявшие посередине

Когда-то ученые считали, что черные дыры бывают только маленькими и большими. Но последние исследования показали возможность существования промежуточных размеров или промежуточных черных дыр (IMBHs). Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в цепной реакции. Некоторые из этих звезд, образовавшихся в одной и той же области пространства, могут в конечном итоге сколлапсировать вместе в центре галактики и образовать сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили объект, который оказался умеренно массивной черной дырой. Она расположена в рукаве спиральной галактики.