Ученый открывший черные дыры. Черные дыры

В черную дыру может превратиться звезда к концу своей жизни. В процессе этой трансформации звезда очень сильно сжимается, при этом ее масса сохраняется. Звезда превращается в маленький, но очень тяжелый шарик. Если предположить, что наша планета Земля станет чёрной дырой, то её диаметр в таком состоянии будет составлять всего 9 миллиметров. Но Земля не сможет превратиться в чёрную дыру, потому что в ядре планет происходят совсем другие реакции, не такие как в звёздах.

Настолько сильное сжатие и уплотнение звезды происходит от того, что под влиянием термоядерных реакций в центре звезды ее сила притяжения сильно увеличивается и начинает притягивать поверхность звезды к ее центру. Постепенно скорость, с которой звезда сжимается, увеличивается и в итоге начинает превышать скорость света. Когда звезда достигает такого состояния, она перестает светиться, потому что частицы света – кванты – не могут преодолеть силу притяжения. Звезда в таком состоянии перестаёт излучать свет, он остаётся «внутри» гравитационного радиуса – той границы, внутри которой все объекты притягиваются к поверхности звезды. Эту границу астрономы называют горизонтом событий. А за пределами этой границы сила притяжения чёрной дыры снижается. Поскольку частицы света не могут преодолеть гравитационную границу звезды, обнаружить чёрную дыру можно только по приборам, например, если по непонятным причинам космический корабль или другое тело – комета или астероид начнут менять свою траекторию движения, значит скорее всего оно попало под воздействие гравитационных сил чёрной дыры. Управляемый космический объект в такой ситуации должен срочно включать все двигатели и покидать зону опасного притяжения, а если мощности не хватит, значит он неизбежно будет поглощён чёрной дырой.

Если бы Солнце могло превратиться в черную дыру, то планеты Солнечной системы оказались бы внутри гравитационного радиуса Солнца и оно их притянуло бы и поглотило. К счастью для нас, этого не произойдет, т.к. превратиться в черную дыру могут только очень большие, массивные звезды. Солнце для этого слишком мало. В процессе эволюции Солнце скорее всего станет потухшим черным карликом. Другие черные дыры, которые есть в космосе уже сейчас, для нашей планеты и земных космических кораблей не опасны – слишком далеко от нас они находятся.

В популярном сериале "Теория большого взрыва", который можно посмотреть вы не узнаете секреты сотворения Вселенной или причины возникновения черных дыр в космосе. Главные герои увлечены наукой и работают на кафедре физики в университете. Они постоянно попадают в различные нелепые ситуации, за которыми весело смотреть.

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.

Гипотеза существования черных дыр была впервые выдви­нута английским астрономом Дж. Мичеллом в 1783 г. на осно­ве корпускулярной теории света и ньютоновской теории тяго­тения. В то время волновая теория Гюйгенса и его знаменитый волновой принцип были просто забыты. Не помогла волновой теории поддержка некоторых маститых ученых, в частности известных петербургских академиков М.В. Ломоносова и Л. Эй­лера. Логика рассуждений, приведшая Мичелла к понятию черной дыры, очень проста: если свет состоит из частиц-корпускул светоносного эфира, то эти частицы должны испыты­вать, подобно другим телам, притяжение со стороны гравита­ционного поля. Следовательно, чем массивнее звезда (или пла­нета), тем большее притяжение с ее стороны должны испыты­вать корпускулы и тем труднее свету покинуть поверхность та­кого тела.

Дальнейшая логика подсказывает, что в природе могут су­ществовать такие массивные звезды, притяжение которых корпускулы уже не смогут преодолеть, и они всегда будут ка­заться черными для внешнего наблюдателя, хотя сами по себе могут светиться ослепительным блеском, как Солнце. Физи­чески это значит, что вторая космическая скорость на поверх­ности такой звезды должна быть не меньше скорости света. Вычисления Мичелла дают, что свет никогда не покинет звез­ду, если ее радиус при средней солнечной плотности будет ра­вен 500 солнечным. Вот такую звезду и можно уже назвать черной дырой.

Через 13 лет французский математик и астроном П.С. Лап­лас высказал, скорее всего, независимо от Мичелла, аналогич­ную гипотезу о существовании подобных экзотических объек­тов. Используя громоздкий метод вычисления, Лаплас нашел радиус шара для заданной его плотности, на поверхности кото­рого параболическая скорость равна скорости света. По мнению Лапласа, корпускулы света, будучи тяготеющими частицами, должны задерживаться испускающими свет массивными звезда­ми, которые имеют плотность, равную плотности Земли, а радиус больше солнечного в 250 раз.

Эта теория Лапласа вошла только в первые два прижизнен­ных издания его знаменитой книги «Изложение системы мира», вышедшей в свет в 1796 и 1799 гг. Да, пожалуй, еще австрий­ский астроном Ф. К. фон Цах заинтересовался теорией Лапласа, опубликовав ее в 1798 г. под названием «Доказательство теоре­мы о том, что сила притяжения тяжелого тела может быть столь большой, что свет не может истекать из него».

На этом история исследования черных дыр приостановилась более чем на 100 лет. Похоже, сам Лаплас тихо отказался от столь экстравагантной гипотезы, поскольку он ее исключил из всех остальных прижизненных изданий своей книги, которая выходила в 1808, 1813 и 1824 гг. Возможно, Лаплас не хотел больше тиражировать почти фантастическую гипотезу о колос­сальных звездах, не выпускающих свет. Возможно, его остано­вили новые астрономические данные о неизменности величины аберрации света у разных звезд, что противоречило некоторым выводам его теории, на основании которой он строил свои вы­числения. Но наиболее вероятной причиной того, что о загадоч­ных гипотетических объектах Мичелла-Лапласа все забыли, яв­ляется торжество волновой теории света, триумфальное шествие которой началось с первых лет XIX в.

Начало этого триумфа положила Букеровская лекция анг­лийского физика Т. Юнга «Теория света и цвета», опубликован­ная в 1801 г., где Юнг смело, вопреки Ньютону и другим знаме­нитым сторонникам корпускулярной теории (в том числе и Ла­пласу), изложил сущность волновой теории света, говоря, что излучаемый свет состоит из волнообразных движений светонос­ного эфира. Лаплас, окрыленный открытием поляризации света, принялся «спасать» корпускулы, построив теорию двойного лу­чепреломления света в кристаллах на основе двоякого действия молекул кристалла на световые корпускулы. Но последующие труды физиков О.Ж. Френеля, Ф.Д. Арагон, Й. Фраунгофера и других камня на камне не оставили от корпускулярной теории, о которой серьезно вспомнили лишь спустя столетие, после от­крытия квантов. Все рассуждения о черных дырах в рамках вол­новой теории света в то время выглядели нелепо.

Сразу не вспомнили о черных дырах и после «реабилитации» корпускулярной теории света, когда о ней заговорили на новом качественном уровне благодаря гипотезе квантов (1900) и фото­нов (1905). Черные дыры были вторично переоткрыты лишь по­сле создания ОТО в 1916 г., когда немецкий физик-теоретик и астроном К. Шварцшильд через несколько месяцев после пуб­ликации уравнений Эйнштейна с их помощью исследовал структуру искривленного пространства-времени в окрестности Солнца. В итоге он заново открыл феномен черных дыр, но на более глубоком уровне.

Окончательное теоретическое открытие черных дыр состоя­лось в 1939 г., когда Оппенгеймер и Снайдер провели первое яв­ное решение уравнений Эйнштейна при описании процесса формирования черной дыры из сжимающегося облака пыли. Сам термин «черная дыра» впервые был введен в науку амери­канским физиком Дж. Уиллером в 1968 г., в годы бурного возрождения интереса к ОТО, космологии и астрофизике, вызванного достижениями внеатмосферной (в частности, рентгенов­ской) астрономии, открытием реликтового излучения, пульсаров и квазаров.

Вы когда-нибудь видели, как пылесосят пол? Если так, замечали ли вы, как пылесос всасывает пыль и всякий мелкий мусор вроде обрывков бумаги? Конечно, замечали. Чёрные дыры делают примерно то же самое, что и пылесос, но вместо пыли они предпочитают затягивать в себя объекты покрупнее: звёзды и планеты. Впрочем, и космической пылью они не побрезгуют.

Как появляются чёрные дыры?

Чтобы понять, откуда берутся чёрные дыры, неплохо бы знать, что такое давление света. Оказывается, свет, падая на предметы, давит на них. Например, если мы в тёмной комнате зажжём лампочку, то на все освещённые предметы начнёт действовать дополнительная сила давления света. Эта сила очень мала, и в повседневной жизни мы, конечно, никогда не сможем её почувствовать. Причина в том, что лампочка – очень слабый источник света. (В лабораторных условиях давление света лампочки всё-таки можно измерить, впервые это удалось сделать русскому физику П. Н. Лебедеву) Со звёздами дело обстоит иначе. Пока звезда молодая и ярко светит, внутри неё борются три силы. С одной стороны, сила гравитации, которая стремится сжать звезду в точку, тянет внутрь к ядру внешние слои. С другой стороны – сила светового давления и сила давления раскалённого газа, стремящиеся звезду раздуть. Свет, рождённый в ядре звезды, настолько интенсивный, что отталкивает внешние слои звезды и уравновешивает силу гравитации, тянущую их к центру. Когда звезда стареет, её ядро рождает всё меньше и меньше света. Это происходит потому, что за время жизни звезды выгорает весь запас её водорода, мы уже писали об этом. Если звезда очень большая, раз в 20 тяжелее Солнца, то и внешние оболочки у неё очень велики по массе. Поэтому у тяжёлой звезды внешние слои начинают всё сильнее и сильнее приближаться к ядру, вся звезда начинает сжиматься. При этом сила гравитации на поверхности сжимающейся звезды растёт. Чем сильнее сжимается звезда, тем сильнее она начинает притягивать к себе окружающее её вещество. В конце концов, притяжение звезды становится настолько чудовищно сильным, что даже испускаемый ею свет не может от неё улететь. В этот момент звезда и становится чёрной дырой. Она уже ничего не излучает, а лишь поглощает всё, что окажется рядом, в том числе и свет. Ни единого лучика света не исходит от неё, поэтому никто не может её увидеть и поэтому её и называют чёрной дырой: туда всё затягивается, а обратно уже никогда не возвращается.

Как выглядит чёрная дыра?

Если бы мы с вами оказались рядом с чёрной дырой, то увидели бы довольно большой светящийся диск, вращающийся вокруг небольшой, абсолютно чёрной области пространства. Эта чёрная область и есть чёрная дыра. А светящийся диск вокруг неё – это вещество, падающее на чёрную дыру. Такой диск называется аккреционным. Притяжение чёрной дыры очень сильно, поэтому материя, засасываемая внутрь, движется с очень большим ускорением и из-за этого сама начинает излучать. Изучая свет, исходящий из такого диска, астрономы могут многое узнать и о самой чёрной дыре. Ещё одним косвенным признаком существования чёрной дыры является необычное движение звёзд вокруг некой области пространства. Притяжение дыры заставляет близлежащие звёзды двигаться по эллиптическим орбитам. Такие перемещения звёзд тоже регистрируются астрономами.
Сейчас внимание учёных приковано к чёрной дыре, находящейся в центре нашей галактики. Дело в том, что к чёрной дыре приближается облако водорода, массой примерно в 3 раза больше Земной. Это облако уже начало менять свою форму из-за гравитации чёрной дыры, в ближайшие годы оно вытянется ещё больше и будет затянуто внутрь чёрной дыры.

Процессы, происходящие внутри чёрной дыры, мы никогда не сможем увидеть, поэтому остаётся довольствоваться наблюдениями за диском вокруг чёрной дыры. Но и здесь нас ждёт очень много интересного. Пожалуй, самое интересное явление - образование сверхбыстрых струй вещества, вылетающих из центра этого диска. Механизм этого явления ещё предстоит выяснить, и, вполне возможно, теорию образования таких струй создаст кто-нибудь из вас. А пока что мы можем лишь регистрировать рентгеновские вспышки, сопровождающие такие «выстрелы».

На этом видео показано, как чёрная дыра постепенно захватывает вещество находящейся рядом звезды. При этом вокруг чёрной дыры образуется аккреционный диск, и часть его вещества выбрасывается в космос с огромными скоростями. При этом генерируется большое количество рентгеновского излучения, которое улавливает спутник, движущийся вокруг Земли.

Как устроена чёрная дыра?

Чёрную дыру можно разделить на три основных части. Внешнюю часть, находясь в которой ещё можно избежать падения на чёрную дыру, если двигаться с очень большой скоростью. Глубже внешней части идёт горизонт событий – это воображаемая граница, перейдя которую, тело теряет всякую надежду на возвращение из чёрной дыры. Всё, что находится за горизонтом событий, нельзя увидеть снаружи, потому что из-за сильной гравитации даже свет, двигаясь изнутри, не сможет вылететь за его пределы. Считается, что в самом центре чёрной дыры находится сингулярность - область пространства крошечного объёма, в которой сосредоточена огромная масса – сердце чёрной дыры.

Можно ли подлететь к чёрной дыре?

На большом расстоянии притяжение чёрной дыры точно такое же, как и притяжение самой обыкновенной звезды с той же массой, что и масса чёрной дыры. По мере приближения к горизонту событий притяжение будет возрастать всё сильнее и сильнее. Поэтому подлететь к чёрной дыре можно, но лучше всё-таки держаться от неё подальше, чтобы можно было вернуться обратно. Астрономам приходилось наблюдать, как чёрная дыра засасывала внутрь оказавшуюся рядом звезду. Как это выглядело можно посмотреть на этом видео:

Превратится ли наше Солнце в чёрную дыру?

Нет, не превратится. Масса Солнца слишком мала для этого. Расчёты показывают, что для того чтобы стать чёрной дырой, звезда должна быть массивнее Солнца хотя бы в 4 раза. Вместо этого Солнце превратится в красного гиганта и раздуется примерно до размеров орбиты Земли, а затем сбросит внешнюю оболочку и станет белым карликом. Об эволюции Солнца мы ещё обязательно расскажем.

Некоторые вспышки сверхновых, могут разрушить звезду, которая их и создала. Но взрывы сверхновых редко приводят к таким крайним последствиям. Многие звездные ядра просто неспособны породить нейтронную звезду, но взамен образуют уникальные объекты, в том числе и черные дыры. Долгие годы ученые-физики рассматривали их лишь как теоретические модели, потому что само существование черных дыр, долгое время было под вопросом. Однако теперь, есть вероятность, что большая часть материи во Вселенной может быть заключена в черные дыры, да и вся вселенная на самом деле, может оказаться черной дырой.

Область некоего пространства, в которой гравитационное притяжение настолько велико, что ни излучение, ни вещество, не могут покинуть эту область, называют черной дырой. Для любых тел, которые там находятся и собирающихся покинуть черную дыру, вторая космическая скорость (или, как ее называют ученые — «скорость убегания») должна быть больше скорости света. По законам физики – это не невозможно в принципе, потому что ни вещество, ни излучение не могут двигаться быстрее скорости света. Поэтому, всё, что попадает в черную дыру, уже не может ее покинуть. У черной дыры есть свои границы. Например, границу области, за которую не выходит свет, называют «горизонтом событий» или «горизонтом» черной дыры.

Строение черных дыр

Точное строение черных дыр, до сих пор неизвестно человечеству, но мнения о ее свойствах известны давно. Известный английский астроном и геофизик Джон Митчелл предположил, что в космическом пространстве могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Митчелл использовал законы Ньютона для своих расчетов. Он предполагал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус не более трех километров, то даже мельчайшие частицы света не смогли бы удалиться от такой звезды. Поэтому издалека, такая звезда казалась бы полностью темной. Вскоре, Митчелл представил свою идею на заседании Лондонского общества в ноябре 1783.

На протяжении веков эта идея о черных дырах была основной, но в 1916 году, немецкий астроном Карл Шварцшильд получил точное решение уравнений релятивистской теории гравитации (которую создал Альберт Эйнштейн) – общей теории относительности. Согласно теории, пустое пространство вокруг массивной точки обладает особенностью на расстоянии rg от нее; именно поэтому величина rg называется «шварцшильдовским радиусом», а горизонт событий – шварцшильдовской поверхностью.

Открытие нейрона и создание квантовой механики в 1930-е годы, позволило физикам исследовать возможность формирования компактных объектов, таких как: нейтронные звезды и белые карлики. Научные эксперименты показали, что после истощения ядерного топлива в недрах звезды, ядро имеет шанс сжаться, превратившись в плотный и маленький белый карлик или нейтронную звезду.