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.

Е1.RU продолжает проект, в котором мы вместе с учёными УрФУ развенчиваем разные научные и околонаучные мифы. В прошлой публикации На этот раз речь пойдёт о космосе – точнее, о тех стереотипах, которые подселяют в наши головы блокбастеры и откровения футурологов. Развенчать их мы попросили сотрудника кафедры астрономии и геодезии Института естественных наук УрФУ Павла Скрипниченко.

– В фантастических фильмах меня больше всего раздражает звук авиационного двигателя, когда летит космический корабль, – признаётся Павел. – Долгое время не мог с этим смириться, потому что звука как такового быть не может, он не распространяется. Если начать разговаривать в космосе, то друг друга вы не услышите, потому что плотность среды меньше, звук распространяется хуже. А вообще он через почву распространяется, через воздушную среду. В космосе звуков нет, звёзды взрываются, но они не бабахают.

Пояс астероидов, сквозь который в кино лавируют космические корабли, – это вещь реальная, между орбитами Марса и Юпитера находятся около 700 тысяч объектов, размером они от 10 метров до полутора тысяч километров. В фильмах показывают, что они расположены близко, но, на самом деле, расстояния между астероидами достаточно велики. Столкновение астероидов – вещь достаточно редкая, но такое случается, то есть в принципе такое возможно. Если вы потеряли управление своим кораблём, то можете куда-нибудь врезаться, но так, чтобы лавировать между ними – нет.

Миф первый: когда-нибудь на Марсе можно будет жить, как на Земле class="_">

– Это не миф. Обустройство какой-то постоянной колонии на Луне или на Марсе – это на уровне современных технологий. Тот же фильм "Марсианин" процентов на 80 технологичен, в основе как таковых ляпов нет, есть какие-то мелкие вещи, на которые можно не обращать внимания, но в целом он правдоподобен.

Герой живёт на Марсе, но не выходит на поверхность без защитного костюма, в остальное время он находится в шлюзе – специальной конструкции, где поддерживается давление, похожее на атмосферное давление на Земле, это вполне реально. Единственное, что человек будет ощущать – это гравитация – его будет меньше притягивать к планете. Он сможет поднять больший вес, он сам будет меньше весить, какую-то физическую работу совершать будет легче, если привыкнуть. Например, если подлететь к какому-то объекту больше вас и толкнуть его, вы отлетите от него – вам придастся скорость в два раза больше.

По словам учёного, в космосе придётся придумать другие правила для спорта - играть, как привыкли, не получится из-за гравитации.

Долгое время считалось, что , но сейчас на внешнеполитической арене что-то не то происходит, и многие госкорпорации отодвигают эти планы подальше. У нас был похожий проект, в Китае, у европейского космического агентства. Есть частные структуры, которые хотят это сделать.

Первые 3-4 экспедиции будут непилотируемые, чтобы поставить там соответствующее оборудование. Там будет соответствующая конструкция, которая создаст условия для жизни – состав воздуха, температура. Единственное, с чем придётся мириться – это гравитация. Придётся поменять правила для спорта, играть по другим правилам. Это большая задача для гуманитариев. Все говорят, что в астрономии нет места гуманитарным предметам. Это не так, например, должна развиваться юриспруденция.

"На Марсе, как в Оймяконе, только дышать на поверхности нельзя", - приводит пример астроном.

На Марс можно прилететь только в определённые моменты времени, когда Марс и Земля наиболее близко расположены друг к другу. Я не буду сейчас говорить о суммах, но я слышал о том, что стоимость проведения Олимпиады в Сочи сопоставима с организацией колонии на Марсе на 80 человек. Научная ценность экспедиции очевидна, вопрос в экономической рентабельности – что там люди будут делать? Как только появится экономическая целесообразность, как, например, в эпоху географических открытий нашли много товаров, это стало выгодно, всё будет возможно.

– Вернуться с Марса будет нужно до того, как Земля снова отодвинется? class="_">

– Современные программы не настроены на то, чтобы возвращать оттуда людей. Представьте, что 7 человек прилетят на планету, возрастом 4,5 миллиарда лет, которая не исследована, не открыта, и вы там живёте. Выходить за пределы шлюза можно будет на специальных транспортных средствах, в специальных скафандрах. Для поверхности Марса нужен не такой скафандр, как для открытого Космоса, можно полегче конструкцию, там всё-таки есть какая-то атмосфера, нет такого сильного излучения от Солнца, там уровень безопасности выше. Воды там много, кислород растворён в поверхности, много металлов, там никто не проводил рудных разработок, то есть все эти ресурсы целы.

– В этом же фильме герой выращивал овощи – там правда можно разбить огород? class="_">

– Очевидно, что грунт на Марсе не идентичен земле, он другой, но если провести определённую обработку, вполне возможно что-то делать, это на самом деле реальность.

– А что касается температуры, человек там выживет? class="_">

– Марс – это холодная металлическая пустыня, но, на самом деле, летом на экваторе там может быть вполне комфортная температура, в районе +20 °С, +25 °С. Но опять же вы не окажетесь на поверхности без специального костюма, который обеспечит термозащиту. В полярных районах температура может доходить до -180 °С, но есть замечательный город Оймякон, где температура падает до -90 °С. Можно сказать, что на Марсе, как в Оймяконе, только дышать на поверхности нельзя. Температура ничего особо не решит.

Герой "Марсианина" устроил на Красной планете огород. Это, в общем-то, реально, говорит учёный.

– В фильмах часто показывают, что если люди покинут космический корабль, то они взорвутся. class="_">

– На самом деле эффект такой есть, но не как в фильме "Вспомнить всё" с Арнольдом Шварценеггером, где на Марсе у героев выпучивались глаза. Из-за того, что нет атмосферного давления, а человек привык к нему, космонавты вынуждены носить скафандры, специальные костюмы, чтобы это давление поддерживать. По причине того, что атмосферного давления в космосе нет, начинаются проблемы с кровоснабжением, сердцем, альвеолами, с дыханием.

Если просто говорить, то есть внутреннее давление, есть внешнее. Если внешнего нет, то плохо. Человек долго находиться в таком состоянии не может. Он, конечно, не взрывается, но это обязательно приведёт к гибели.

– Это произойдёт мгновенно? Что будет чувствовать человек? class="_">

– Это произойдёт не мгновенно, но достаточно быстро – в течение нескольких минут. Замерзать в космосе можно очень долго. Всё дело в том, что, когда температура на улице -30 °С, мы находимся в воздушной среде, и этот воздух имеет соответствующую температуру, воздух снимает тепло с нашего тела. В космосе, где нет атмосферы, температура будет теряться только за счёт излучения тепла, не за счёт обмена со средой, и этот процесс гораздо медленнее. Замёрзнуть в космосе невозможно, умереть можно от каких-то других вещей, например, от того, что давление будет другое.

– Кровь может закипеть в космосе? class="_">

– Да. Но у нас такое типичное представление о кипении, что, когда вода кипит, то она идёт пузырями. На самом деле, когда мы поднимаемся в горы, вода будет кипеть при меньшей температуре из-за давления. Когда давление мы совсем убираем, она начинает превращаться в газ, с кровью в космосе может произойти похожее. В течение нескольких минут человека не станет, но это опять же не такое эффектное зрелище, как в фильме показано.

Миф второй: чёрные дыры – это отверстие в другой мир class="_">

– Одна из самых популярных гипотез, что чёрная дыра является входом куда-то, чтобы оказаться в другой точке пространства и времени, но с точки зрения современной науки рано об этом говорить. Это не то что фантастика, это может вполне оказаться реальным, но пока спорят, пока думают, пока ещё считают, давайте интригу сохраним. Скорее всего, всё окажется почти похожим на то представление, которое у нас есть, но с некоторыми деталями, о которых мы даже не подозреваем.

Миф третий: инопланетяне пытаются выйти с нами на контакт class="_">

– Я абсолютно уверен, что внеземной жизни много во Вселенной. Ближайшее место, где мы откроем реальную форму жизни, это будет один из спутников Юпитера – Европа. Планета, которая покрыта толстым слоем льда, под которым тёплый океан. Есть все условия для того, чтобы сформировалась жизнь, там только нет Солнца. Но и в наших океанах на дне нет солнца, а жизнь там есть. Жизнь формируется везде, где есть условия. Однозначно, что так или иначе жизнь будет развиваться, она не уникальна, – рассказывает учёный.

Надо отойти от представления о том, что на земле всё самое лучшее, что мы одни такие. Раньше мы думали, что солнечная система вращается вокруг земли, потом оказалось, что это не так. Потом думали, что только на Земле есть вода в жидкой форме, сейчас везде открывают эту воду в жидкой форме. Потом мы думали, что органические соединения есть только у нас. Надо отходить от концепции, что – мы самое главное, жизнь не уникальна. И, соответственно следующий шаг – это то, что разум не уникален.

Я уверен, что разумных форм жизни очень много, но летающих тарелок, похищений... это не произойдёт никогда и не происходило раньше. Потому что смысла нет.

Если вы находитесь на таком уровне развития, что без всяких проблем можете перемещаться во вселенной, то вам не надо искать контакта. Очень простой пример. Сейчас американцы активно работают с шимпанзе, придумали им язык. А европейцы экспериментируют с дельфинами – изучают язык, повторяют звуки, поведение, пытаются взаимодействовать, но они не отвечают, хоть ты тресни. Почему не отвечают? Потому что разговаривать не о чем, нам просто не о чем говорить.

Бояться нечего, мы будем воспринимать инопланетян как явление природы, мы тоже будем для них частью природы. Мы обречены на то, чтобы жить среди людей.

Миф четвёртый: если на Землю упадёт огромный метеорит – Земле конец class="_">

– А вот это вполне себе реальная угроза планетарного масштаба. Челябинский метеорит повторится обязательно. Метеориты типа челябинского падают примерно каждые 20-30 лет. Когда он упал, казалось, что они падают каждые 100 лет, а оказалось, что падают чаще. Крупные – значительно реже, но это происходит.

Когда образовалась Солнечная система, планет было около 80, осталось 8, это значит, что все остальные в процессе столкновения стали частью других планет. С точки зрения Солнечной системы, когда один объект падает на другой – это нормальный естественный процесс, с нашей точки зрения, если что-то крупное падает, для нас это катастрофа. Все угрозы делятся на несколько типов: до 100 метров – региональные, глобальные, когда объект больше 1 километра – это большие жертвы, изменение климата, разрушения. В 10 километров – это конец цивилизации. А челябинский метеорит – это так, фейерверк, мемы, шуточки, но ничего такого страшного. Был бы покрупнее – было бы значительно хуже.

Скажу, что конца света не будет, мы знаем, что делать: наблюдать, знаем, как действовать, всё будет хорошо. Но от того, что прилетит огромный метеорит и всех убьёт, такого не будет. Можете успокоиться, конца света не будет. Метеориты падают по всей земле, были задачи узнать места концентрации. Россия – самое крупное государство мира, поэтому и вероятности падения больше. Челябинское событие показало, что нужна координация МЧС, Роскосмоса, учёных, обсерватории и так далее. Окажись он крупнее, пришлось бы принимать серьёзные меры эвакуации и так далее. Но такие программы безопасности создаются очень давно.

В нашумевшем фантастическом фильме «Интерстеллар» сюжет вертится вокруг колоссальной «черной дыры». Существование этих космических объектов действительно остается одной из самых интригующих загадок Вселенной. И, возможно, разобравшись, как они устроены, человечество получит доступ к мирам, о которых пока даже не подозревает.

Смерть звезды

Открытие «черных дыр» непосредственно связано с новым видением физического устройства Вселенной, которое предложил Альберт Эйнштейн в 1915 году, показав, что массивные тела искривляют время и пространство. Впоследствии его теория получила многочисленные экспериментальные подтверждения. Объяснить, как выглядит такое искривление непросто, поэтому физики прибегают к аналогии, представляя пространство как некую резиновую поверхность, на которую давят металлические шарики. Причем чем массивнее шарик, тем больше вмятина под ним. В реальном четырехмерном пространстве «вмятина» обращена в пятое измерение, наличие которого мы определяем лишь косвенно — по искажению луча или задержке радиосигнала, проходящего рядом с Солнцем или звездами.

Понятно, что «вмятина», создаваемая Солнцем, сравнительно невелика (ее радиус всего лишь на 50 километров больше радиуса нашего светила), однако практически сразу после того, как Эйнштейн сформулировал постулаты своей революционной теории, немецкий астрофизик Карл Шварцшильд математически доказал, что где-то во Вселенной могут находиться объекты с массой, которая настолько искривляет пространство, что из нее не может вырваться даже свет. Такие объекты со временем начали называть «черными дырами» с легкой руки американца Джона Уилера.

Долгое время «черные дыры» оставались в глазах ученых красивой гипотезой. В 1939 году молодой физик Роберт Оппенгеймер, будущий «отец» американской атомной бомбы, показал, что при определенных условиях звезда может превратиться в реальную «черную дыру». И действительно, астрономы вскоре установили, что к концу своей «жизни» звезды ведут себя по-разному. Например, Солнце, постепенно выгорая, начнет расширяться, а затем превратится в белого карлика размером с Землю, который за миллиарды лет остынет, став темным плотным сгустком материи. Те звезды, масса которых намного больше Солнца, сжигают свое топливо значительно быстрее, а затем схлопываются (коллапсируют), образуя нейтронную звезду или «черную дыру». Нейтронные звезды почти целиком состоят из атомных ядер, а «черные дыры» - из искривленного пространства и искривленного времени. Хотя «черная дыра» не содержит материи, она имеет поверхность - ее называют «горизонтом событий», через который ничто не способно выйти наружу.

Со временем «черные дыры» научились обнаруживать по влиянию, которое они оказывают на окружающее пространство. Таких объектов найдено около тысячи, но астрономы говорят, что их сотни миллионов. Выяснилось, что в центрах галактик тоже находятся гигантские «черные дыры», которые, возможно, появились в результате схлопывания массивных газовых облаков.

Открытие Хокинга

Понять, как устроены «черные дыры», пытались многие физики. Наибольших успехов на этом поприще добился англичанин Стивен Хокинг. В 1975 году он не только сумел увязать существование «черных дыр» с модной квантовой механикой, но и показал, как она должна взаимодействовать с внешним миром.

До Хокинга считалось, что «черная дыра» только поглощает материю, ничего не отдавая взамен. Изучая поведение квантовых полей вблизи «черной дыры», Хокинг предположил, что она обязательно излучает частицы во внешнее пространство и тем самым теряет массу. Этот эффект ныне называется «излучением Хокинга» (или «испарением Хокинга»). Хокинг вычислил, что такое излучение будет иметь тепловой спектр - соответственно, его можно будет обнаружить по определенной температуре. Однако температура эта настолько мала, что астрономы не могут зафиксировать ее для наблюдаемых «черных дыр», поэтому гипотеза Хокинга не подтверждена наблюдениями.

Теория «черных дыр», созданная Стивеном Хокингом, оспаривается рядом ученых. Дело в том, что в классическом представлении «черная дыра» может только расти, поглощая все новые массы материи. Из этого следует, что информация, как одна из характеристик материи внутри «черной дыры», не уничтожается, а хранится вечно или переходит из нашей Вселенной в какую-то другую. Хокинг же утверждает, что «дыра» всегда остается в исходном состоянии, разрушая информацию и сбрасывая избыток массы в виде излучения. Таким образом, две модели вступают в конфликт, а от того, кто окажется прав, зависит построение модели квантовой гравитации, что напрямую ведет к созданию пресловутой «теории всего», которая когда-нибудь перевернет наши представления о Вселенной.

В 2004 году Стивен Хокинг заявил, что разрешил противоречие, возникающее между моделями. Его новое открытие базируется на том, что в реальных процессах образования и испарения «черных дыр» информация все-таки не уничтожается. Происходит это потому, что тех «дыр», которые описаны в рамках многочисленных теорий, просто-напросто не существует в природе. То, что наблюдают астрономы в центрах галактик, - «кажущиеся черные дыры», то есть объекты, во многом похожие на придуманные физиками модели, но не обладающие настоящим «горизонтом событий». Грубо говоря, согласно прежней теории (ее еще называют «концепцией стены огня»), астронавт, падающий в «черную дыру», будет мгновенно испарен на «горизонте событий», а согласно новой, он проникнет внутрь, но обретет некие особые физические свойства.

Впрочем, и новое открытие вызвало резкую критику со стороны коллег. Оказывается, Хокинг принял как данность некоторое количество допущений, которые сами пока еще нуждаются в обосновании, посему говорить о том, что тема окончательно закрыта, преждевременно.

Дверь в иной мир

В нашумевшем научно-фантастическом фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар» наглядно показано, как проникновение в «черную дыру» и изучение ее внутренних свойств повлияет на современную физику. Фактически речь идет о технологиях управления гравитацией и сверхсветовых полетах. Больше того, в фильме даже показаны люди будущего - существа, которые освоили пространство с большим количеством измерений, чем наше.

Все эти идеи привнес в киноленту известный физик Кип Торн (кстати, он один из тех, кто сумел обосновать теоретическую возможность построения «машины времени»). В 1991 году он заключил пари со Стивеном Хокингом по поводу существования «голых сингулярностей», то есть объектов, обладающих всеми свойствами центра «черной дыры», но не имеющих «горизонта событий». Причем Торн утверждал, что такие объекты могут быть в реальности, а Хокинг считал их фантазией. И всего через пять лет спор был разрешен в пользу Торна: техасец Мэттью Чоптюк с помощью математического моделирования доказал, что при схлопывании гравитационной волны можно добиться такого состояния, когда возникает нечто вроде кипения пространства и времени. Оно порождает новые гравитационные волны, пока в конце концов не образуется бесконечно малая «голая сингулярность».

Кип Торн уточняет, что в природе «голых сингулярностей» не бывает: законы физики запрещают их спонтанное возникновение. Однако какая-нибудь могущественная цивилизация, изучившая «черные дыры» и сумевшая сконструировать технологию генерации гравитационных волн, вполне может создать искусственную «голую сингулярность». И тогда такая цивилизация не только получит возможность путешествовать по нашей Вселенной быстрее скорости света, но и проникнет в другие вселенные. Возможно, сообщает далее Торн, такая цивилизация уже действует в нашем космосе, наблюдает за нами и готова вмешаться, если у нас что-то пойдет не так. Его идея звучит как выдумка, но кто может знать наверняка?..

Антон Первушин

Черные дыры — единственные космические тела, способные притягивать силой гравитации свет. Они же являются самыми большими объектами Вселенной. Мы вряд ли в ближайшее время узнаем, что происходит возле их горизонта событий (известного как «точка невозврата»). Это самые таинственные места нашего мира, о которых, несмотря на десятилетия исследований, до сих пор известно очень мало. В этой статье собраны 10 фактов, которые можно назвать наиболее интригующими.

Черные дыры не втягивают в себя материю

Многие представляют черную дыру своеобразным «космическим пылесосом», втягивающим в себя окружающее пространство. На самом деле, черные дыры — это обычные космические объекты, обладающие исключительно сильным гравитационным полем.

Если бы на месте Солнца возникла черная дыра таких же размеров, Земля не была бы втянута внутрь, она вращалась бы по той же орбите, что и сегодня. Расположенные рядом с черными дырами звезды теряют часть массы в виде звездного ветра (это происходит в процессе существования любой звезды) и черные дыры поглощают только эту материю.

Существования черных дыр было предсказано Карлом Шварцшильдом

Карл Шварцшильд был первым, кто применил общую теорию относительности Эйнштейна, для того, чтобы обосновать существование «точки невозврата». Сам Эйнштейн не задумывался о черных дырах, хотя его теория позволяет предсказать их существование.

Шварцшильд сделал свое предположение в 1915 году, сразу вслед за тем, как Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности. Тогда же возник термин «радиус Шварцшильда» - это величина, которая показывает, как сильно вам придется сжать объект, чтобы он стал черной дырой.

Теоретически, черной дырой может стать все, что угодно, при достаточной степени сжатия. Чем плотнее объект, тем более сильное гравитационное поле он создает. Например, Земля стала бы черной дырой, если бы ее массой обладал объект величиной с арахис.

Черные дыры могут порождать новые вселенные

Мысль о том, что черные дыры могут порождать новые вселенные кажется абсурдной (тем более, что мы все еще не уверены в существовании других вселенных). Тем не менее, подобные теории активно разрабатываются учеными.

Очень упрощенная версия одной из этих теорий заключается в следующем. Наш мир обладает исключительно благоприятными условиями для появления в нем жизни. Если бы какие-либо из физических констант изменились хотя бы чуть-чуть, нас бы не было в этом мире. Сингулярность черных дыр отменяет обычные законы физики и может (по крайней мере, в теории) породить новую вселенную, которая будет отличаться от нашей.

Черные дыры могут превратить вас (и все, что угодно) в спагетти

Черные дыры растягивают предметы, которые находятся рядом с ними. Эти предметы начинают напоминать спагетти (есть даже специальный термин - «спагеттификация»).

Это происходит благодаря тому, как работает сила притяжения. В настоящий момент ваши ноги находятся к центру Земли ближе, чем голова, поэтому они притягиваются сильнее. На поверхности черной дыры разница в силе притяжении начинает работать против вас. Ноги притягиваются к центру черной дыры все быстрее, так, что верхняя половина туловища не успевает за ними. Результат: спагеттификация!

Черные дыры испаряются со временем

Черные дыры не только поглощают звездный ветер, но и испаряются. Это явление было открыто в 1974 году и было названо излучением Хокинга (по имени Стивена Хокинга, сделавшего открытие).

Со временем черная дыра может отдать всю свою массу в окружающее пространство вместе с этим излучением и исчезнуть.

Черные дыры замедляют время вблизи себя

По мере приближения к горизонту событий время замедляется. Чтобы понять, почему это происходит, нужно обратиться к «парадоксу близнецов», мысленному эксперименту, часто используемому для иллюстрации основных положений общей теории относительности Эйнштейна.

Один из братьев-близнецов остается на Земле, а второй улетает в космическое путешествие, двигаясь со скоростью света. Вернувшийся на Землю близнец обнаруживает, что его брат постарел больше, чем он, потому что при движении на скорости, близкой к скорости света, время идет медленнее.

Приближаясь к горизонту событий черной дыры, вы будете двигаться с такой высокой скоростью, что время для вас замедлится.

Черные дыры являются самыми совершенными энергетическими установками

Черные дыры генерируют энергию лучше, чем Солнце и другие звезды. Это связано с материей, вращающейся вокруг них. Преодолевая горизонт событий на огромной скорости, материя на орбите черной дыры разогревается до крайне высоких температур. Это называется излучением абсолютно черного тела.

Для сравнения, при ядерном синтезе в энергию превращается 0,7% материи. Вблизи черной дыры энергией становятся 10% материи!

Черные дыры искривляют пространство рядом с собой

Пространство можно представить себе как растянутую резиновую пластинку с нарисованными на ней линиями. Если на пластинку положить какой-нибудь объект, она изменит свою форму. Так же работают и черные дыры. Их экстремальная масса притягивает к себе все, включая свет (лучи которого, продолжая аналогию, можно было бы назвать линиями на пластинке).

Черные дыры ограничивают количество звезд во Вселенной

Звезды возникают из газовых облаков. Для того, чтобы началось формирование звезды, облако должно остыть.

Излучение абсолютно черных тел мешает газовым облакам остывать и предотвращает появление звезд.

Теоретически, любой объект может стать черной дырой

Единственное отличие нашего Солнца от черной дыры — сила гравитации. В центре черной дыры она намного сильнее, чем в центре звезды. Если бы наше Солнце было сжато до примерно пяти километров в диаметре, оно могло бы быть черной дырой.

Теоретически, черной дырой может стать все, что угодно. На практике же мы знаем, что черные дыры возникают только в результате коллапса огромных звезд, превышающих Солнце по массе в 20-30 раз.

Как для ученых минувших столетий, так и для исследователей нашего времени наибольшей загадкой космоса является черная дыра. Что внутри этой совсем незнакомой для физики системы? Какие законы там действуют? Как идет время в черной дыре, и почему оттуда не могут вырваться даже кванты света? Сейчас мы попробуем, конечно же, с точки зрения теории, а не практики, разобраться в том, что внутри черной дыры, почему она, в принципе, образовалась и существует, как она притягивает объекты, которые ее окружают.

Для начала опишем этот объект

Итак, черной дырой именуется определенная область пространства во Вселенной. Выделить ее как отдельную звезду или планету невозможно, так как это не твердое и не газовое тело. Не имея базовых пониманий того, что такое пространство-время и как эти измерения могут видоизменяться, невозможно постичь того, что находится внутри черной дыры. Дело в том, что эта область не является лишь пространственной единицей. который искажает как три известных нам измерения (длину, ширину и высоту), так и временную шкалу. Ученые уверены в том, что в районе горизонта (так называется область, окружающая дыру) время принимает пространственное значение и может двигаться как вперед, так и назад.

Познаем тайны гравитации

Если мы желаем разобраться в том, что внутри черной дыры, рассмотрим детально, что такое гравитация. Именно это явление ключевое в понимании природы так называемых «кротовых нор», из которых не выбирается даже свет. Гравитацией называется взаимодействие между всеми телами, которые имеют материальную основу. Сила такого тяготения зависит от молекулярного состава тел, от концентрации атомов, а также от их состава. Чем больше частиц сколлапсировано в определенном участке пространства, тем больше гравитационная сила. Это неразрывно связано с Теорией Большого взрыва, когда наша Вселенная была размером с горошину. Это было состояние максимальной сингулярности, и в результате вспышки квантов света пространство стало расширяться за счет того, что частицы отталкивались друг от друга. С точностью до наоборот описывается учеными черная дыра. Что внутри такой штуковины в соответствии с ТБЗ? Сингулярность, которая равна показателям, присущим нашей Вселенной в момент зарождения.

Как попадает материя в «кротовую нору»?

Бытует мнение, что человек никогда не сможет понять, что происходит внутри черной дыры. Так как, попав туда, он будет буквально раздавлен гравитацией и силой тяжести. На самом деле это не совсем так. Да, действительно, черная дыра представляет собой область сингулярности, где все сжато до максимума. Но это вовсе не «космический пылесос», который способен затянуть в себя все планеты и звезды. Любой материальный объект, оказавшийся на горизонте событий, будет наблюдать сильное искажение пространства и времени (пока что эти единицы стоят отдельно). Эвклидова система геометрии начнет давать сбои, иными словами, пересекутся, очертания стереометрических фигур перестанут быть привычными. Что касается времени, то оно будет постепенно замедляться. Чем ближе вы будете приближаться к дыре, тем медленнее будут идти часы относительно Земного времени, но вы этого не заметите. При попадании в «кротовую нору» тело будет падать с нулевой скоростью, но при этом данная единица будет равняться бесконечности. кривизны, который приравнивает бесконечное к нулю, что окончательно останавливает время в области сингулярности.

Реакция на излучаемый свет

Единственным объектом в космосе, который притягивает свет, является черная дыра. Что внутри нее находится и в каком оно там виде - неизвестно, но полагают, что это кромешная тьма, которую представить себе невозможно. Световые кванты, попадая туда, не просто исчезают. Их масса умножается на массу сингулярности, что делает ее еще больше и увеличивает ее Таким образом, если внутри «кротовой норы» вы включите фонарик, чтобы осмотреться, он не будет светиться. Излучаемые кванты будут постоянно множиться на массу дыры, и вы, грубо говоря, лишь усугубите свое положение.

Черные дыры на каждом шагу

Как мы уже разобрались, основой образования является гравитация, величина которой там в миллионы раз превосходит земную. Точное представление о том, что такое черная дыра, подарил миру Карл Шварцшильд, который, собственно, и открыл тот самый горизонт событий и точку невозврата, а также установил, что ноль в состоянии сингулярности равен бесконечности. По его мнению, черная дыра может образоваться в любой точке пространства. При этом определенный материальный объект, имеющий сферическую форму, должен достичь гравитационного радиуса. Например, масса нашей планеты должна уместиться в объеме одного горошка, чтобы стать черной дырой. А Солнце должно иметь диаметр в 5 километров при своей массе - тогда его состояние станет сингулярным.

Горизонт образования нового мира

Законы физики и геометрии отлично действуют на земле и в открытом космосе, где пространство близится к вакууму. Но они полностью теряют свою значимость на горизонте событий. Именно поэтому с математической точки зрения невозможно рассчитать, что внутри черной дыры. Картинки, которые можно придумать, если искривлять пространство в соответствии с нашими представлениями о мире, наверняка далеки от истины. Установлено лишь, что время тут превращается в пространственную единицу и, скорее всего, к существующим измерениям прибавляются еще какие-то. Это дает возможность полагать, что внутри черной дыры (фото, как известно, этого не покажет, так как свет там съедает сам себя) образуются совсем иные миры. Эти Вселенные могут состоять из антивещества, которое ныне незнакомо ученым. Также существуют версии, что сфера невозврата - это лишь портал, который ведет либо в другой мир, либо в другие точки нашей Вселенной.

Рождение и смерть

Куда более чем существование черной дыры, является ее зарождение или исчезновение. Сфера, искажающая пространство-время, как мы уже выяснили, образуется в результате коллапса. Это может быть взрыв большой звезды, столкновение двух и более тел в космосе и так далее. Но каким образом материя, которую теоретически можно было бы ощупать, превратилась в область искажения времени? Загадка находится в процессе работы. Но за ней следует второй вопрос - почему такие сферы невозврата исчезают? И если черные дыры испаряются, то почему из них не выходит тот свет и вся космическая материя, которую они втянули? Когда вещество в зоне сингулярности начинает расширяться, гравитация постепенно снижается. В результате черная дыра просто растворяется, и на ее месте остается обычное вакуумное космическое пространство. Из этого вытекает еще одна загадка - куда подевалось все то, что в нее попало?

Гравитация - наш ключ к счастливому будущему?

Исследователи уверены в том, что энергетическое будущее человечества может сформировать именно черная дыра. Что внутри этой системы, пока что неизвестно, но удалось установить, что на горизонте событий любая материя трансформируется в энергию, но, конечно же, частично. К примеру, человек, оказываясь около точки невозврата, отдаст 10 процентов своей материи для ее переработки в энергию. Этот показатель просто колоссальный, он стал сенсацией у астрономов. Дело в том, что на Земле при материя перерабатывается в энергию лишь на 0,7 процента.