Поиски черных дыр кратко
Обновлено: 04.07.2024
Черные дыры — возможно, самые странные объекты во Вселенной, но их свойства очень трудно изучать, ведь они невидимы. Однако на сегодняшний день ученые разработали уже несколько способов найти следы этих монстров и совсем недавно рассказали об очередном богатом улове
Черные дыры были предсказаны общей теорией относительности (ОТО), созданной Альбертом Эйнштейном. Эта теория рассматривает гравитацию как искривление пространства-времени. В 1915 году Карл Шварцшильд сделал из уравнений ОТО удивительный вывод. Допустим, что существует объект невообразимой плотности: при массе Земли он будет иметь радиус порядка одного сантиметра, а при массе Солнца — несколько километров. Тогда тяготение этого сверхплотного монстра свернет вокруг него пространство-время. В этой искривленной геометрии прямые линии, по которым движутся лучи света, превратятся в замкнутые кольца. По ним свет и будет путешествовать, никогда не добираясь до удаленного наблюдателя. Вот почему ничто, даже свет, не сможет вырваться наружу из этого кокона.
Но откуда возьмется этот аттракцион невиданной плотности? Какая сила может сжать звезду до размера в несколько километров? Черные дыры долго казались абсурдом, теоретическим курьезом. Скепсис по их поводу выражал и сам Эйнштейн.
Однако в 1930-1960-хх гг. теоретики доказали, что черные дыры могут возникать при взрыве самых массивных звезд (массой более 30 солнц). В конце жизни такое светило взрывается как сверхновая. При этом внешние слои звезды улетают в космос, а ядро стремительно сжимается и превращается в черную дыру.
Пламя над бездной
Пока теоретики искали черные дыры в дебрях своих выкладок, наблюдатели совершенно неожиданно нашли их в космосе. Удивительно, но всепоглощающие невидимки оказались светильниками космического масштаба.
Сегодня наблюдателям известны миллионы сверхмассивных черных дыр, открытые благодаря их излучению. Но считается, что в центре практически каждой крупной галактики (а их в видимой Вселенной сотни миллиардов) есть собственный сверхмассивный монстр, просто большинство из них уже исчерпало запасы вещества и перестало светиться. Правда, до сих пор не вполне понятно, как образуются такие громадины.
Танцы со звездами
А как же черные дыры, которые получаются из ядер массивных звезд? Они тоже испускают рентгеновские лучи, если поглощают материю. Вот только эти крошки редко могут похвастаться королевской трапезой. Черная дыра звездной массы может устроить себе пир, только медленно поглощая звезду-спутник. Если этот светило-компаньон располагается слишком близко, мощная гравитация черной дыры буквально растягивает его, делая похожим не на шар, а на картофелину, и отрывает его вещество по кусочку.
Есть и еще один способ находить черные дыры звездной массы благодаря их спутникам. Он не требует, чтобы черная дыра пожирала своего компаньона. Нужно лишь внимательно следить за движением звезды. Так можно зафиксировать, что светило обращается вокруг чего-то невидимого, и вычислить массу невидимки. Если последняя тяжелее трех солнц, она может быть только черной дырой: для нейтронной звезды это слишком большая масса, а обычная звезда светилась бы.
Потенциально таким способом можно обнаружить множество космических невидимок. Но он требует уж очень тщательных наблюдений, поэтому пока подарил нам лишь несколько черных дыр. Кстати, совсем недавно ученые впервые применили его к объекту за пределами Галактики. Они обнаружили черную дыру массой 9–13 солнц в Большом Магеллановом Облаке — галактике-спутнике Млечного Пути. Правда, для этого потребовалось два с лишним года наблюдений на VLT, самом большом оптическом телескопе в мире. Ранее черные дыры звездной массы за пределами Млечного Пути находили только благодаря рентгеновскому излучению или гравитационным волнам.
Сотрясение пространства и времени
Таким образом, на сегодня зафиксировано около 90 столкновений черных дыр друг с другом или (гораздо реже) с нейтронными звездами. Для каждой отдельной галактики это чрезвычайно редкое событие. Но детекторы обозревают пространство на сотни миллионов световых лет, и в их поле зрения попадает множество галактик.
Черные дыры (ЧД) являются, пожалуй, самыми таинственными и загадочными астрономическими объектами в нашей Галактике. Они тревожат воображение писателей-фантастов и привлекают внимание ученых с момента своего открытия. Черные дыры – это звезды, что погасли, которые обладают настолько высокой плотностью и мощной гравитацией в силу своих физических особенностей, что даже свет не может вырваться за их границы.
Позднее Альберт Эйнштейн в 1918 году в контексте теории относительности поднимал вопросы черных дыр. Но лишь стараниями американского астрофизика Джона Уиллера в 1967 году понятие черных дыр завоевало место в ученых кругах.
Альберт Эйнштейн, Д. Мичел и Джон Уиллер в своих трудах могли только предположить теоретическое наличие этих таинственных небесных объектов в космосе. Настоящее открытие черных дыр произошло в 1971 году, когда их впервые заметили в телескоп.
Подходы к изучению черных дыр
Черные дыры – довольно своеобразные объекты, поскольку их трудно исследовать и наблюдать.
Существуют два абсолютно различных подхода к их познанию:
- путь физиков теоретиков. Они на теоретическом уровне исследуют различные любопытные эффекты. Моделируют возможные ситуации;
- путь астрофизиков, пытающихся их разглядеть.
О чёрной дыре нельзя сказать, что это предмет, ведь нельзя по ней постучать или пройтись. Это определенная зона пространства, которая имеет границу, но не обладает поверхностью.
С точки зрения астрофизиков черная дыра - это мегаобъект, который выражает себя как черная дыра, но утверждать это они не могут.
Готовые работы на аналогичную тему
В соответствии с этим, для нас черная дыра - объект, что имеет определенные наблюдательные проявления. Малогабаритный предмет, обладающий определенным размером горизонта, но при этом признаки поверхности не должны проявляться. У теоретиков получилось придумать модель, у которой большая внутренняя проблема объекта, она имеет шансы обладать размерами порядка горизонта, но твердую поверхность они также имеют. Но чёрная дыра поверхностью не обладает и недра недосягаемы для исследований. В идеале, никаких внутренних процессов за видимой границей не должно быть видно. Ничего не должно выходить наружу к наблюдающему.
Поиски черных дыр
Общая теория относительности в своих расчетах показывает лишь возможность существования черных, но никак не может доказать их наличие. Открытие черных дыр было бы значимым шагом в развитии физики. Найти изолированную чёрную дыру в космическом пространстве невероятно сложно, необходимо увидеть небольшой темный объект на поле галактической черноты. Но есть возможность обнаружения черной дыры по её взаимодействию и влиянию на окружающие астрономические тела.
Астрономы, учитывая важные свойства ЧД, такие как компактность, массивность и невидимость, сформировали стратегию их обнаружения. Легче всего заметить ЧД по её гравитационной связи с близ находящимися объектами, например, звездой. После запуска рентгеновских телескопов на орбиту, обнаружилось, что в тесных двойных системах ЧД проявляют себя более активно. Они отнимают вещество у соседней звезды при поглощении, нагревают температуру в миллионы раз и на краткое время делают его источником рентгеновского излучения.
Так как ЧД в паре с обычной звездой в двойной системе вращается вокруг единого центра массы, и с помощью эффекта Доплера по скорости звезды можно установить массу ее невидимого партнера. Астрономы уже обнаружили десятки двойных систем, где масса невидимого объекта превышает три массы Солнца и видны отличительные проявления вещества (очень быстрое колебания ярких потоков горячего газа).
Другое направление обнаружения черных дыр - исследование ядер галактик. В них уплотняются и скапливаются колоссальные массы субстанций, сливаются и сталкиваются звезды, все это создает вероятность возникновения черных дыр, превосходящих Солнце в миллиарды раз. Притягивающиеся окружающие звезды, создают пик яркости в центре галактики. А звезды, что близко подлетают к ЧД, разрушаются, при этом образующееся вещество формирует аккреционный диск вокруг дыры и частично выкидывается по оси диска в виде стремительных потоков частиц. Этот процесс реально наблюдается в ядрах некоторых галактик, что подтверждает наличие там черных дыр с массой превышающих массу Солнца в миллиарды раз. Сравнительно недавно исследователи обнаружили убедительные доказательства, что и в центре нашей Галактики тоже находится черная дыра, чья масса в два с половиной миллиарда раза больше Солнца. Хотя это все тоже только теории.
Ученые предполагают, что все самые огромные выделения энергии в космосе связаны с участием ЧД. Источниками активности в ядрах молодых массивных галактик считаются именно черные дыры. Их появление связано с самыми сильными взрывами, полагают астрофизики, которые проявляются как гамма-всплески.
Заключение
Характеристики черных дыр настолько разнообразны, что в будущем развитии физики, новых технологий и техники они сыграют огромную роль. Трудно представить себе что-то более сложное, чем черная дыра, ведь как должно произойти искривление пространства и времени, чтобы сформировался объект, который не подчиняется никаким законам физики. Изучение физики черных дыр позволит углубить наши знания о базовых свойствах времени и пространства. Черные дыры находятся на огромных расстояниях от нас, следовательно, нет стопроцентной уверенности во всех исследованиях и наблюдениях за ними.
Насколько достоверны предположения о некоторых свойствах этих необыкновенных объектов, нам только предстоит выяснить в будущем. Подводя итог, можно сказать, что ЧД обладает тремя свойствами: вращательным импульсом, зарядом, массой. Обнаружить их можно по огромному гравитационному излучению, по воздействию с окружающими объектами или рентгеновскому излучению падающего тела.
Поиск черных дыр
Учитывая важнейшие свойства черных дыр — массивность, компактность и невидимость, — астрономы постепенно выработали стратегию их поиска. Проще всего обнаружить черную дыру по ее гравитационному взаимодействию с окружающим веществом, например, с близкими звездами. Попытки обнаружить невидимых массивных спутников в двойных звездах не увенчались успехом. Но после запуска на орбиту рентгеновских телескопов выяснилось, что черные дыры весьма активно проявляют себя в тесных двойных системах, где они отбирают вещество у соседней звезды и поглощают его, нагревая при этом до температуры в миллионы градусов и делая на короткое время источником рентгеновского излучения.
Поскольку в двойной системе черная дыра в паре с нормальной звездой обращается вокруг общего центра массы, астрономам удается, измеряя скорость звезды, определить массу ее невидимого компаньона и доказать, что это действительно черная дыра. Теория эволюции звезд показывает, что если масса сжимающегося ядра звезды превосходит 3M, то ничто не может остановить его коллапс и превращение в черную дыру. Астрономы выявили уже более дюжины двойных систем, где масса невидимого компаньона превосходит 3M, и заметили у них проявления активности вещества, падающего в черную дыру, например, очень быстрые колебания блеска, характерные для горячего газа, стремительно вращающегося вокруг компактного объекта. Особенно перспективной считают рентгеновскую двойную звезду V404 Лебедя, масса невидимого компонента которой оценивается не менее, чем в 6M. Другие кандидаты в черные дыры находятся в двойных системах Лебедь X-1, LMC X-3, V616 Единорога, QZ Лисички, а также в рентгеновских новых Змееносец 1977, Муха 1981 и Скорпион 1994. Почти все они расположены в пределах нашей Галактики, а система LMC X-3 находится в близкой к нам галактике Большое Магелланово Облако.
Другим направлением поиска черных дыр служит изучение ядер галактик. В них скапливаются и уплотняются огромные массы вещества, сталкиваются и сливаются звезды, поэтому там могут формироваться сверхмассивные черные дыры, превосходящие по массе Солнце в миллионы раз. Они притягивают к себе окружающие звезды, создавая в центре галактики пик яркости. Они разрушают близко подлетающие к ним звезды, вещество которых образует вокруг черной дыры аккреционный диск и частично выбрасывается вдоль оси диска в виде быстрых струй и потоков частиц. Это не умозрительная теория, а процессы, реально наблюдаемые в ядрах некоторых галактик и указывающие на присутствие в них черных дыр с массами до 100 млн M. Получены также довольно убедительные доказательства того, что и в центре нашей Галактики есть черная дыра с массой около 2 млн M.
Вполне вероятно, что самые мощные процессы энерговыделения во Вселенной происходят с участием черных дыр. Именно они считаются источником активности в ядрах квазаров — молодых массивных галактик. Именно их рождение, как полагают астрофизики, знаменуется самыми мощными взрывами во Вселенной, проявляющимися как гамма-всплески.
Свойства черных дыр
Сейчас одно из важнейших направлений физики — исследование черных дыр, поскольку вблизи них проявляются скрытые свойства гравитации. Для поведения вещества и излучения в слабых гравитационных полях различные теории тяготения дают почти неразличимые прогнозы; однако в сильных полях, характерных для черных дыр, предсказания различных теорий существенно расходятся, что дает ключ к выявлению лучшей среди них. В рамках наиболее популярной сейчас теории гравитации Эйнштейна свойства черных дыр изучены весьма подробно. Наиболее любопытные особенности черных дыр таковы:
1) Вблизи черной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее. Если удаленный наблюдатель бросит в сторону черной дыры зажженный фонарь, то увидит, как фонарь будет падать все быстрее и быстрее, но затем, приближаясь к поверхности Шварцшильда, он начнет замедляться, а его свет будет тускнеть и краснеть (поскольку замедлится темп колебания всех его атомов и молекул). С точки зрения далекого наблюдателя, фонарь практически остановится и станет невидим, так и не сумев пересечь поверхность черной дыры. Но если бы наблюдатель сам прыгнул вместе с фонарем, то он за короткое время пересек бы поверхность Шварцшильда и упал к центру черной дыры, будучи при этом, к сожалению, разорван ее мощными приливными силами.
Чёрные дыры – одна из самых загадочных тем в современной науке, и самая привлекательная для фантастических произведений. Некоторые оптимисты верят, что чёрные дыры можно использовать как порталы для путешествия в другие части Вселенной, а основные теории всё же призывают не строить надежд и иллюзий на то, что, приблизившись к ней, можно вообще остаться в живых. Итак, с чего же всё началось?
Ученые считали, что свет движется с бесконечной скоростью, поэтому ничто не может его остановить, но датскому астроному Олафу Рёмеру в 1676 году удалось доказать, что скорость света конечна. Наблюдая за затмениями, учёный заметил, что моменты затмений сдвигаются во времени в зависимости от положения Земли на орбите, что натолкнуло его на мысль о конечности скорости света.
Аспирант из Индии Субраманьян Чандрасекар во время своего морского путешествия в Англию сумел вычислить, какой величины должна быть звезда, чтобы после израсходования своего ядерного топлива смогла противостоять действию собственных гравитационных сил. Когда звезда уменьшается, частицы становятся всё ближе друг к другу, соответственно, их скорости становятся более различными. Но это отталкивание, согласно ОТО, не может быть беспредельным. Максимальная разница скоростей частиц вещества в звезде равна скорости света (этот вывод сделан из работ Эйнштейна). Это значит, что когда звезда становится достаточно плотной, отталкивание становится меньше гравитационного притяжения. Чандрасекар рассчитал, что если звезда в полтора раза больше по своей массе, чем Солнце, то она уже не сможет противостоять силам собственной гравитации, и сожмётся, образуя чёрную дыру или нейтронную звезду, вместо того, чтобы взорваться – данное значение звездной массы называется пределом Чандрасекара.
В 1932 году советский физик Ландау предположил, что гравитационная сила черной дыры будет настолько велика, что, согласно ОТО, она начнет искажать пространство-время. Такая мысль заинтересовала молодого американского физика Роберта Оппенгеймера, который описал, что из-за гравитационного поля звезды лучи света в пространстве-времени отклоняются от своих траекторий, как если бы они перемещались без неё. Такой эффект можно наблюдать в процессе солнечного затмения. Когда звезда сжимается, ее гравитационное поле увеличивается, и наклон лучей становится больше. Световым лучам становится всё труднее вырваться, и свет звезды тускнеет, а, в конце концов, с увеличением сжатия, звезда и вовсе перестает светиться.
Позднее группе ученых удалось доказать, что черные дыры могут вращаться и могут быть нестабильными.
Подтвердятся ли идеи Хокинга? Что ещё мы узнаем о черных дырах? Будем следить за новейшими открытиями!
Читайте также: