Свойства черных дыр кратко
Обновлено: 05.07.2024
Черные дыры будоражат воображение многих – как ученых, так и людей далеких от мира науки. Причем не все понимают, что такое черная дыра.
На нашем телеграм-канале вы найдете много полезной и интересной информации для учащихся.
Если говорить откровенно, на 100% никто на Земле не знает, что это за объект. Черная дыра поглощает свет, а значит, на нее нельзя просто так посмотреть. Другими словами, непосредственное наблюдение невозможно.
Существование этих загадочных областей пространства-времени было предсказано в рамках общей теории относительности и пока что остается гипотетическим, хотя практически все ученые сходятся во мнении, что черные дыры действительно существуют.
Черная дыра – область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой столь велико, что ни один объект (даже двигаясь со скоростью света) не может его преодолеть.
Черная дыра обладает очень высокой плотностью. Так, черная дыра с массой Земли имела бы радиус всего 9 миллиметров. Хотите превратить Землю в черную дыру? Сожмите ее до размеров шарика с диаметром 18 миллиметров. Объект с такой плотностью начнет поглощать свет, который падает на него.
Как "увидеть" черную дыру? Только по косвенным признакам. Например, если черная дыра входит в состав системы с видимой звездой, газ звезды будет притягиваться под действием гравитации. При этом нагретый газ станет источником интенсивного рентгеновского излучения, уже можно зарегистрировать.
Фактически вопрос существования черных дыр и в настоящее время остается открытым, так как экспериментальных подтверждений существования черных дыр нет.
Структура черной дыры
Для лучшего понимания самого понятия черной дыры рассмотрим случай так называемой шварцшильдовской черной дыры. Это упрощенная модель - сферически симметричная черная дыра, которая характеризуется только массой.
Такая черная дыра может быть порождена гипотетической умирающей звездой, лишенной как электрического заряда, так и магнитного поля. К тому же, эта звезда не должна вращаться. Для наглядности представим структуру черной дыры на рисунке ниже:
Как видим, черную дыру окружает фотонная сфера, состоящая из лучей света, захваченных дырой и движущихся по неустойчивым круговым орбитам вокруг нее. Внутри фотонной сферы находится горизонт событий. Горизонт событий – это точка невозврата из черной дыры.
Материя и информация, попавшие за горизонт событий, уже никогда не смогут вырваться за пределы этой односторонне пропускающей поверхности.
Наконец, в центре черной дыры находится сингулярность – область бесконечно сильно искривленного пространства-времени. Все то, что проваливается за горизонт событий, засасывается в сингулярность, где прекращает свое существование в привычном нам виде.
Виды черных дыр во Вселенной
Современная астрофизика рассматривает три типа черных дыр во Вселенной: звездные, сверхмассивные и реликтовые.
Звездные черные дыры
Это черные дыры со звездными массами. Они возникают как результат жизни массивных звезд. Отметим, что черные дыры образуются только из звезд, масса которых превышает массу Солнца в 20-40 раз.
Другой вариант образования звездной черной дыры - аккреция газа.
Аккреция - это падение вещества из окружающего пространства на космическое тело.
Газ "падает" на нейтронную звезду до тех пор, пока масса последней не превзойдет максимально возможной массы для нейтронных звезд. В таком случае нейтронная звезда коллапсирует в маломассивную черную дыру.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.
Сверхмассивные черные дыры
Предпологают, что такие черные дыры находятся в центрах галактик. Их масса может составлять до 10 в девятой степени масс Солнца. Эти выводы сделаны на основании анализа движения звезд около центров галактик.
Существует также гипотеза, согласно которой сверхмассивные черные дыры находятся в центрах квазаров – малоизученных и самых далеких из тех космических объектов, которые можно наблюдать с Земли. Квазары представляют собой ядра галактик и в своем центре имеют черную дыру.
Квазары обладают невероятно сильной светимостью и небольшими размерами, их можно наблюдать на расстоянии в 10 млрд световых лет. Эти объекты выделяют огромную энергию во всех областях спектра электромагнитных волн, а особенно - в инфракрасной области.
Первичные или реликтовые черные дыры
Самые маленькие черные дыры, образование которых происходило на ранних стадиях развития Вселенной. Появившиеся вследствие неоднородности Большого Взрыва сгустки вещества могли сжиматься до состояния черных дыр, пока остальная часть вещества расширялась.
Черная дыра - это не всегда что-то очень большое и тяжелое. Ученые предполагают, что размер некоторых первичных черных дыр может быть значительно меньше размера протона.
В другой нашей статье вы можете узнать, как работает ядерный реактор. А если понадобится помощь с учебой - обращайтесь в студенческий сервис №1.
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.
Черные дыры в картинках и фотографиях: Смотреть в галерее астронома-любителя
Черные дыры обладают особенными свойствами. Неподалеку от черной дыры очень велико напряжение гравитационного поля, и потому оказывается так, что любой физический процесс можно описать лишь при помощи релятивистской теории о тяготении. Если верить общей теории относительности, время и пространство подвергаются искривлению под воздействием гравитационного поля массивного тела, притом самое высокое искривление наблюдается неподалеку от черной дыры.
На все физические системы черная дыра оказывает одинаковое действие. Это означает, что все часы будут показывать замедление времени, а все линейки будут отмечать растягивание пространства вокруг черной дыры. Вдали от черной дыры данное воздействие практически не обнаруживается, а вблизи оно настолько сильное, что световые лучи могут перемещаться по окружности вокруг черной дыры.
фото: Галактика Сигара (NGC 3034) со сверхмассивной черной дырой в центре
Если бы существовала возможность понаблюдать за звездой в телескоп в тот момент, когда она начинает свое превращение в черную дыру, мы бы увидели, что вначале звезда сжимается с огромной скоростью, но когда она начнет приближаться к своему гравитационному радиусу, замедлится и само сжатие, а потом совсем остановится. При этом свет, который исходит от звезды, начнет краснеть и слабеть до тех пор, пока не потухнет совсем. Так происходит из-за того, что фотоны, пытаясь преодолеть силу тяжести, теряют все больше энергии и требуется все больше времени, чтобы достичь пределов видимости. В тот момент, когда звезда достигнет своего гравитационного радиуса, свету, который ее покидает, потребуется бесконечное количество времени для того, чтобы достичь какого-либо наблюдателя, пусть даже он находится не очень далеко от нее. Поэтому невозможно увидеть происходящее со звездой на горизонте событий, но теоретическое исследование данного процесса возможно.
Основные свойства черных дыр:
1) Чем ближе к черной дыре, тем медленней течет время
Представим, что вы кинули в сторону дыры фонарь. Вы увидите, что он все быстрее и быстрее будет падать, но, по мере приближения начнет замеляться. Затем его свет потухнет. Вам покажется, что фонарь исчез, так и не достигнув черной звезды. Но если бы вы прыгнули в сторону черной дыры вместе с фонарем, то за довольно короткое время вы бы достигли центра черной дыры, где вас бы разорвало из-за разницы притяжения на различных от центра расстояниях.
рис. Художественное представление черной дыры
4) Веществом, которое попадает в горизонт событий черной дыры, непременно будет образована сингулярность с неизмеримо огромной плотностью.
фото: IRAS16504+0228 - ближайшая к Земле пара сверхмассивных черных дыр
Черные дыры – пожалуй, самые таинственные и загадочные астрономические объекты в нашей Вселенной, с момента своего открытия привлекают внимание ученых мужей и будоражат фантазию писателей-фантастов. Что же такое черные дыры и что они из себя представляют? Черные дыры – это погаснувшие звезды, в силу своих физических особенностей, обладающие настолько высокой плотностью и настолько мощной гравитацией, что даже свету не удается вырваться за их пределы.
История открытия
Позже, в 1918 году о вопросе черных дыр в контексте теории относительности писал великий ученый Альберт Эйнштейн. Но только в 1967 году стараниями американского астрофизика Джона Уиллера понятие черных дыр окончательно завоевало место в академических кругах.
Как бы там ни было, и Д. Мичел, и Альберт Эйнштейн, и Джон Уиллер в своих работах предполагали только теоретическое существование этих загадочных небесных объектов в космическом пространстве, однако подлинное открытие черных дыр состоялось в 1971 году, именно тогда они впервые были замечены в телескоп.
Так выглядит черная дыра.
Образование
Черная дыра поглощает звезду.
Маленькая ремарка – наше Солнце по галактическим меркам вовсе не является крупной звездой и после угасания, которое произойдет примерно через несколько миллиардов лет, в черную дыру, скорее всего, не превратиться.
Но будем с вами откровенны – на сегодняшний день, ученые пока еще не знают всех тонкостей образования черной дыры, несомненно, это чрезвычайно сложный астрофизический процесс, который сам по себе может длиться миллионы лет. Хотя возможно продвинуться в этом направлении могло бы обнаружение и последующее изучение так званых промежуточных черных дыр, то есть звезд, находящихся в состоянии угасания, у которых как раз происходит активный процесс формирования черной дыры. К слову, подобная звезда была обнаружена астрономами в 2014 году в рукаве спиральной галактики.
Количество во Вселенной
Согласно теориям современных ученых в нашей галактике Млечного пути может находиться до сотни миллионов черных дыр. Не меньшее их количество может быть и в соседней с нами галактике Андромеда, до которой от нашего Млечного пути лететь всего нечего – 2,5 миллиона световых лет.
Теория черных дыр
Свойства
Основное свойство черно дыры – это ее невероятные гравитационные поля, не позволяющие окружающему пространству и времени оставаться в своем привычном состоянии. Да, вы не ослышались, время внутри черной дыры протекает в разы медленнее чем обычно, и окажись вы там, то вернувшись обратно (если б вам так повезло, разумеется) с удивлением бы заметили, что на Земле прошли века, а вы даже состариться не успели. Хотя будем правдивы, окажись внутри черной дыры вы вряд ли бы выжили, так как сила гравитации там такая, что любой материальный объект просто разорвала бы даже не на части, на атомы.
А вот окажись вы даже поблизости черной дыры, в пределах действия ее гравитационного поля, то вам тоже пришлось бы не сладко, так как, чем сильнее вы бы сопротивлялись ее гравитации, пытаясь улететь подальше, тем быстрее бы упали в нее. Причинной этому казалось бы парадоксу является гравитационное вихревое поле, которым обладают все черные дыры.
Что если человек попадет в черную дыру
Испарение
Самая большая черная дыра
Согласно теории черных дыр в центре почти всех галактик находятся огромные черные дыры с массами от нескольких миллионов до нескольких миллиардом солнечных масс. И сравнительно недавно учеными были открыты две самые большие черные дыры, известные на сегодняшний момент, они находятся в двух близлежащих галактиках: NGC 3842 и NGC 4849.
NGC 3842 – самая яркая галактика в созвездии Льва, от нас находится на расстоянии 320 миллионов световых лет. В центре нее иметься огромная черная дыра массой в 9,7 миллиарда солнечных масс.
NGC 4849 – галактика в скопление Кома, на расстоянии 335 миллионов световых лет от нас может похвалится не менее внушительной черной дырой.
Зоны действия гравитационного поля этих гигантских черных дыр, или говоря академическим языком, их горизонт событий, примерно в 5 раз больше дистанции от Солнца до Плутона! Такая черна дыра скушала бы нашу солнечную систему и даже не поперхнулась бы.
Самая маленькая черная дыра
Но есть в обширном семействе черных дыр и совсем маленькие представители. Так самая карликовая черная дыра, открытая учеными на настоящий момент по своей массе всего лишь в 3 раза превосходит массу нашего Солнца. По сути это теоретический минимум, необходимый для образования черной дыры, будь та звезда чуть меньше, дыра бы не образовалась.
Черные дыры – каннибалы
Интересные факты
- Согласно гипотезам некоторых ученых черные дыры являются не только галактическими пылесосами, всасывающими все в себя, но при определенных обстоятельствах могут и сами порождать новые вселенные.
- Черные дыры могут испаряться со временем. Выше мы писали, что английским ученым Стивеном Хокингом было открыто, что черные дыры имеют свойство излучение и через какой-то очень большой отрезок времени, когда поглощать вокруг будет уже нечего, черная дыра начнет больше испарять, пока со временем не отдаст всю свой массу в окружающий космос. Хотя это только предположение, гипотеза.
- Черные дыры замедляют время и искривляют пространство. О замедлении времени мы уже писали, но и пространство в условиях черной дыры будет совершенно искривлено.
- Черные дыры ограничивают количество звезд во Вселенной. А именно их гравитационные поля препятствуют остыванию газовых облаков в космосе, из которых, как известно, рождаются новые звезды.
Видео
И в завершение предлагаем вам интересный научно-документальный фильм о черных дырах от канала Discovery
Читайте также: