Виды черных дыр кратко

Обновлено: 02.07.2024

Типы черных дыр

Есть четыре типа черных дыр, основанные на их массе: звездные, промежуточные, сверхмассивные и миниатюрные. Наиболее известный способ образования черной дыры —- звездная смерть. По мере того как звезды достигают конца своей жизни, большинство из них раздувается, теряет массу, а затем остывает, образуя белых карликов . Но самые большие из этих огненных тел, которые по меньшей мере в 10-20 раз массивнее нашего Солнца, суждено стать либо сверхплотными нейтронными звездами, либо так называемыми черными дырами звездной массы.

Чёрные дыры звёздной массы — маленькие, но смертельные

Млечный Путь содержит около ста миллионов черных дыр, которые образовались в результате коллапса очень массивных звезд. Каждая из этих звездных черных дыр весит примерно в 10 раз больше нашего Солнца. Очень немногие из этих черных дыр находятся на близком расстоянии от обычной звезды, которая медленно перетекает в черную дыру. Когда этот газ падает в сторону черной дыры, он нагревается сильной гравитацией и трением. Рядом с черной дырой газ достигает типичной температуры 10 миллионов градусов по Цельсию. Эти источники рентгеновского излучения черных дыр легко наблюдать по всему Млечному Пути, а также в близлежащих галактиках с помощью орбитальных рентгеновских обсерваторий.

Примечательно, что любая черная дыра полностью описывается всего двумя числами, которые определяют ее массу и скорость вращения. Мы не знаем ничего более простого, кроме элементарной частицы, такой как электрон. Ученые из CFA измерили оба этих фундаментальных параметра — массу и спин — для более чем дюжины звездных черных дыр, изучая все аспекты этих черных дыр и их систем.

Несмотря на свою повсеместность во Вселенной, черные дыры остаются крайне загадочными объектами. Нам нужна теория квантовой гравитации, которая объединит теорию относительности Эйнштейна 1916 года с теорией квантовой механики 1926 года. Такой теории не существует, несмотря на десятилетия теоретических усилий физиков, изучающих теорию струн и других специалистов. Создание теории квантовой гравитации станет венцом физики наравне с достижениями Ньютона, Эйнштейна и других гигантов.

Чёрная дыра средней массы (IMBH) — застряли посередине

Между классами черных дыр звездной величины и сверхмассивных должен существовать еще один — промежуточный. Во всяком случае, по законам логики. Разве не должны существовать черные дыры среднего размера, которые определяют разницу между черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами? Эти космические средние массы, которые могут варьироваться от примерно 100 до 1 миллиона солнечных масс — хотя конкретный диапазон варьируется в зависимости от того, кого вы спросите, — называются черными дырами промежуточной массы (Intermediate-mass black holes, IMBHs). И хотя астрономы нашли несколько убедительных кандидатов на IMBH, разбросанных по всей Вселенной, вопрос о том, действительно ли они существуют, все еще не решен. Однако улик начинает накапливаться.

Хотя окончательное доказательство существования IMBH остается неуловимым, за последние несколько десятилетий был проведен ряд исследований, в которых были обнаружены интригующие доказательства, намекающие на существование этих не очень больших, не очень маленьких черных дыр.

Иллюстрация молодой черной дыры, такой как два далеких беспыльных квазара, недавно обнаруженных космическим телескопом Спитцера. (Изображение предоставлено NASA / JPL-Caltech)

Например, в 2003 году исследователи использовали космическую обсерваторию ЕКА XMM-Newton, чтобы идентифицировать два сильных, различных источника рентгеновского излучения в соседней галактике со вспышкой звездообразования NGC 1313. Потому что черные дыры, как правило, яростно поглощают материал, который приближается слишком близко, и изрыгает высоко. -энергетическое излучение, они являются одними из самых сильных известных источников рентгеновского излучения. Определив источники рентгеновского излучения в NGC 1313 и изучив, как они периодически вспыхивают, в 2015 году исследователи смогли ограничить массу одной из предполагаемых черных дыр галактики, известной как NGC 1313 X-1. Они подсчитали, что это примерно в 5000 раз больше массы Солнца, плюс-минус, что уверенно помещает ее в диапазон масс черной дыры промежуточной массы.

Точно так же в 2009 году исследователи обнаружили еще более сильные свидетельство существования черной дыры среднего размера. Расположенный примерно в 290 млн световых лет от края галактики ESO 243-49, команда наблюдала невероятно яркий рентгеновский источник под названием HLX-1 (гиперсветящийся источник рентгеновского излучения номер один, Hyper-Luminous X-ray source 1), не имеющий оптического аналога. Это говорит о том, что наблюдаемый объект не просто звезда или галактика. Кроме того, исследователи обнаружили, что рентгеновская сигнатура HLX-1 менялась со временем, предполагая, что черная дыра становится ярче каждый раз, когда ближайшая звезда приближается к ней, подавая газ и вызывая короткие вспышки рентгеновских лучей, которые затем медленно исчезают. прочь. Основываясь на яркости наблюдаемых вспышек, исследователи рассчитали минимальную массу черной дыры примерно в 500 раз больше массы Солнца, хотя по некоторым оценкам ее вес приближается к 20 000 масс Солнца.

На данный момент детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo объединились, чтобы обнаружить 20 черных дыр звездных масс, которые сливаются, образуя черные дыры с массой от 20 до 80 солнечных. Хотя LIGO-Virgo не обнаружил никаких ЧД (более 100 солнечных масс), исследователи с оптимизмом смотрят на их обнаружение в будущем.

Планковская чёрная дыра (Micro black hole)

Планковская чёрная дыра — гипотетическая чёрная дыра с минимально возможной массой, которая равна планковской массе.

Плотность вещества такой чёрной дыры составляет около 10 94 кг/м³ и, возможно, является максимальной достижимой плотностью массы. Физика на таких масштабах должна описываться пока не разработанными теориями квантовой гравитации. Такой объект тождественен гипотетической элементарной частице с (предположительно) максимально возможной массой — максимону.

Планковские чёрные дыры характеризует крайне малое сечение взаимодействия. Малость сечения взаимодействия нейтральных максимонов с веществом приводит к тому, что значительная (или даже основная) часть материи во Вселенной в настоящее время могла бы состоять из максимонов, не приводя к противоречию с наблюдениями. В частности, максимоны могли бы играть роль невидимого вещества (темной материи), существование которого признается в настоящее время в космологии.

Сверхмассивные черные дыры — рождение гигантов

Маленькие черные дыры населяют вселенную, но их кузены, сверхмассивные черные дыры, доминируют. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но имеют примерно такой же размер в диаметре. Считается, что такие черные дыры находятся в центре практически каждой галактики, включая Млечный Путь.

Ученые не уверены, как возникают такие большие черные дыры. После того, как эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг себя, материала, которого много в центре галактик, что позволяет им вырасти до еще более огромных размеров.

Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр. Большие газовые облака также могут быть ответственны за их коллапс и быстрое увеличение массы. Или это коллапс звездного скопления, группы звезд, падающих вместе. Сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать через его гравитационное воздействие на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не излучает свет и не может быть непосредственно наблюдаемой.

Итак, как мы уже знаем, наша Вселенная содержит огромные черные дыры. Сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики имеет массу 4 миллиона Солнц, но она довольно мала, как галактические черные дыры. Масса многих галактических черных дыр составляет миллиард солнечных масс, а масса самой массивной из известных черных дыр оценивается примерно в 70 миллиардов Солнц. Но насколько большой может быть черная дыра?

Чтобы черная дыра стала действительно массивной, она должна поглотить большое количество вещества в начале своей жизни. Если она медленно потребляет материю, тогда окружающая ее галактика встанет на свое место, и Вселенная расширится, так что черная дыра не сможет захватить намного больше вещества. Но когда черная дыра быстро поглощает большое количество вещества, материя становится очень горячей и имеет тенденцию отталкивать другую материю, что затрудняет рост черной дыры.

Основываясь на наблюдениях за крупнейшими черными дырами и компьютерном моделировании образования черных дыр, считается, что верхний предел массы галактических черных дыр составляет около 100 миллиардов солнечных масс. Но новое исследование предполагает, что предел массы может быть намного выше.

В работе ученых отмечается, что, хотя галактические черные дыры, вероятно, действительно имеют предел солнечной массы в сотни миллиардов, более крупные черные дыры могли образоваться независимо на ранних этапах существования Вселенной. Эти первичные черные дыры могут иметь массу более чем в миллион раз больше, чем самые большие галактические черные дыры. Исследовательская группа называет их невероятно большими черными дырами или SLABs (stupendously large black holes).

Идея первичных черных дыр существует уже давно. Они были предложены как решение всего, от темной материи до того, почему мы еще не открыли гипотетическую девятую планету в нашей солнечной системе. Но теоретические модели предполагают, что первичные черные дыры были бы намного меньше, чем даже черные дыры звездной массы, образованные из крошечных флуктуаций плотности в ранней Вселенной. Но это новое исследование предполагает, что темная материя и другие факторы могут вызвать колоссальный рост некоторых из них.

Если ранняя Вселенная была богата темной материей, особенно формой темной материи, известной как слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP), то первичная черная дыра могла потреблять темную материю, чтобы быстро расти. Поскольку темная материя не сильно взаимодействует со светом, захваченная темная материя не будет излучать много света или тепла, чтобы замедлить скорость роста. В результате эти черные дыры могли быть огромными еще до того, как Вселенная остыла и образовались галактики. Верхний предел массы SLAB будет зависеть от того, как темная материя WIMP взаимодействует с самой собой, поэтому, если мы обнаружим какие-либо SLAB, это может помочь нам понять темную материю.

Как человечество может использовать черные дыры?

Теория относительности предсказывает, что вращающиеся черные дыры можно использовать в качестве источников энергии. В 1969 году Роджер Пенроуз описал процесс, позволяющий это сделать. Вокруг вращающихся черных дыр существует эргосфера — область, предшествующая горизонту событий. Все тела в эргосфере вращаются вместе с черной дырой.

Процесс Пенроуза указывает на возможность получения энергии из черной дыры, но его нельзя назвать хорошим практическим методом. Для его реализации необходимо, чтобы две новорожденные частицы обладали скоростью, превышающей половину скорости света. Ожидаемая частота таких событий настолько редка, что не позволит получить значительное количество энергии.

Поэтому ученые активно ищут другие механизмы. К примеру, Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут высвобождать энергию за счет теплового излучения. Еще одним способом извлечения энергии является процесс Блэнфорда-Знаека, основанный на электромагнитном взаимодействии.

Лука Комиссо (Luca Comisso) из Колумбийского Университета и Фелипе Асенхо (Felipe A. Asenjo) из Университета Адольфо Ибаньеса описали в своей статье еще одну из альтернатив процессу Пенроуза.

Черные дыры окружены горячей плазмой, частицы которой обладают магнитным полем. Основа нового механизма получения энергии из вращающихся черных дыр — пересоединение силовых линий магнитного поля внутри эргосферы. Черная дыра при этом должна находиться во внешнем магнитном поле, иметь большой спин (a ~ 1) и окружающую ее плазму с сильной намагниченностью. Нужными свойствами обладают, например, черные дыры, образовавшиеся в результате длинных и коротких гамма-всплесков и сверхмассивные черные дыры в активных ядрах галактик.

Как говорят ученые, КПД описанного процесса — 150 процентов. Это значит, что процесс позволяет получить в полтора раза больше энергии, чем нужно затратить на его реализацию. Достижение КПД больше 100 процентов возможно, потому что высвобожденные из эргосферы частицы плазмы уносят энергию черной дыры. Открытие нового механизма извлечения энергии из черных дыр позволит астрономам лучше оценить их вращательный момент и понять, как они излучают энергию. До практического применения открытия еще далеко: необходимо выяснить, как долететь до черной дыры и разместить что-то в ее эргосфере, не угодив за горизонт событий.

Теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10 −35 м

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.

EHT увидел черную дыру в центре галактики M87, когда телескоп изучал горизонт событий, или область, через которую ничто не может выйти из черной дыры. Изображение показывает внезапную потерю фотонов (частиц света). Это открывает целую новую область исследований черных дыр, теперь, когда астрономы знают, как выглядит черная дыра.

Типы Чёрных дыр

До сих пор астрономы выделяли три типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.

Звездные чёрные дыры

Когда звезда сжигает остатки своего топлива она может сжаться. Для более мелких звезд (которые примерно в три раза превышают массу Солнца) новое ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но когда большая звезда коллапсирует, она продолжает сжиматься и создает звездную черную дыру .

Черные дыры, образованные коллапсом отдельных звезд, относительно невелики, но имеют очень большую плотность. Один из таких объектов содержит более чем в три раза больше массы Солнца. Это приводит к сумасшедшему количеству гравитационной силы, притягивающей объекты вокруг чёрной дыры. Затем звездные черные дыры поглощают пыль и газ из окружающих их галактик, что позволяет им расти в размерах.

Согласно данным Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, — Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов звездных черных дыр.

Сверхмассивные черные дыры

Маленькие черные дыры населяют бесконечную вселенную, но их родственники, — сверхмассивные черные дыры, — доминируют над ними. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но примерно одинакового размера в диаметре. Считается, что такие черные дыры лежат в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.

Возникновение:

Ученые не уверены, как возникают такие большие черные дыры. Как только эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг себя, материала, который в изобилии находится в центре галактик, что позволяет им расти до еще более огромных размеров.

Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр.
Большие газовые облака также могут быть причастны к формированию сверхмассивной дыры, — схлопываясь вместе, они быстро наращивают массу.
Третий вариант — это коллапс звездного скопления, когда все звезды падают вместе.
В-четвертых, сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать через его гравитационное воздействие на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не испускает свет и не может быть непосредственно наблюдаема.

Промежуточные черные дыры

Ученые когда-то думали, что черные дыры бывают только малых и больших размеров, но недавние исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (IMBHs). Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в цепной реакции. Некоторые из этих промежуточных черных дыр, образующихся в одной и той же области, могут затем в конечном итоге столкнуться в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили нечто похожее на черную дыру средней массы в рукаве спиральной галактики.

Астрономы очень усердно искали эти черные дыры среднего размера, — говорится в заявлении соавтора исследования Тима Робертса из Университета Дарема в Великобритании. Были намеки, что они существуют, но IMBHs вели себя как давно потерянный родственник, который не заинтересован в том, чтобы его нашли.

Более новые исследования, начиная с 2018 года, предположили, что эти промежуточные черные дыры могут существовать в центре карликовых галактик (или очень маленьких галактик). Наблюдения 10 таких галактик (пять из которых были ранее неизвестны науке до этого последнего исследования) выявили рентгеновскую активность — обычную для черных дыр — предполагая наличие в них черных дыр с массой от 36 000 до 316 000 солнечных масс. Эта информация поступила от компании Sloan Digital Sky Survey, которая изучает около 1 миллиона галактик.

Как выглядят черные дыры

Горизонт Событий черной дыры — это граница вокруг устья черной дыры, за которую не может проникнуть свет. Как только частица пересекает горизонт событий, она не может вырваться обратно. Гравитация постоянна по всему горизонту событий.

Внутренняя область черной дыры, где находится масса объекта, известна как его сингулярность, — это точка в пространстве и времени, где сосредоточена масса черной дыры.

Ученые не могут видеть черные дыры так, как они могут видеть звезды и другие объекты в космосе. Вместо этого астрономы должны полагаться на обнаружение излучения, которое испускают черные дыры, когда пыль и газ втягиваются внутрь. Но сверхмассивные черные дыры, лежащие в центре галактики, могут быть окутаны густой пылью и газом вокруг них, что может блокировать излучение.

Иногда, когда материя притягивается к черной дыре, она рикошетит от горизонта событий и выбрасывается наружу, вместо того чтобы быть втянутой внутрь. Создаются яркие струи, движущиеся с почти релятивистскими скоростями. Хотя черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно наблюдать с больших расстояний.

Изображение черной дыры на телескопе Event Horizon в M87 (выпущенном в 2019 году) было экстраординарным усилием, потребовавшим двух лет исследований даже после того, как снимки были сделаны. Это происходит потому, что совместная работа телескопов, которая охватывает многие обсерватории по всему миру, производит поразительное количество данных, которые слишком велики для передачи через интернет.

Со временем исследователи ожидают получить изображение других черных дыр и построить хранилище того, как выглядят эти объекты. Следующая цель, вероятно, Стрелец А*, который является черной дырой в центре нашей собственной галактики Млечный Путь. Стрелец A* интригует, потому что он тише, чем ожидалось, что может быть связано с магнитными полями, подавляющими его активность. Другое исследование показало, что Стрельца А* окружает холодное газовое гало, что дает беспрецедентное понимание того, как выглядит окружающая среда вокруг черной дыры.

Бинарные чёрные дыры

В 2015 году астрономы с помощью лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) обнаружили гравитационные волны от слияния звездных черных дыр.

Существует две теории о том, как формируются бинарные черные дыры:

Первая предполагает, что две черные дыры в двоичной форме возникли примерно в одно и то же время, из двух звезд, которые родились вместе и умерли (взорвались) примерно в одно и то же время. Звезды-компаньоны имели бы такую же ориентацию спина, как и друг у друга, поэтому две черные дыры, также будут иметь такую же ориентацию.
Согласно второй модели, черные дыры в звездном скоплении опускаются к центру скопления и образуют пару. Эти компаньоны будут иметь случайные спиновые ориентации по сравнению друг с другом. Наблюдения ЛИГО за черными дырами-компаньонами с различной ориентацией спинов дают более веские доказательства этой теории образования.

Черные дыры являются одним из самых интересных объектов во Вселенной. Это небесные тела чрезвычайно сильной гравитации, из которых ничто не может вырваться - ни планета, ни луна, ни даже свет.

Все, что пересекает горизонт событий - границу, в пределах которой скорость убегания черной дыры больше скорости света - резко движется к неизвестной судьбе.

В последние годы физики обнаружили много неизвестных фактов о черных дырах. Некоторые открытия заложили основу для будущего, в то время как некоторые все еще поражают воображение исследователей. Вот 18 самых интригующих фактов и теорий черных дыр, которые вы должны знать.

1. Черная дыра была открыта Карлом Шварцшильдом в 1916 году

Карл Шварцшильд | Изображение предоставлено: Викимедиа

Хотя объекты с интенсивными гравитационными полями (из которых свет не может уйти) рассматривались в 18 веке, именно Карл Шварцшильд дал первое современное решение общей теории относительности в 1916 году, характеризующее черную дыру.

2. Их нельзя наблюдать непосредственно

Первое фото Черной дыры

Первое в мире изображение черной дыры в ядре эллиптической галактики Мессье 87

Поскольку свет не может избежать массивного гравитационного притяжения черной дыры, вы не можете непосредственно наблюдать его. Тем не менее вы можете увидеть, как его гравитация влияет на близлежащие небесные тела и газ.

Астрономы изучают звезды, чтобы увидеть, вращаются ли они вокруг черной дыры. Когда звезда и черная дыра находятся близко друг к другу, испускается излучение, которое обычно фиксируется космическими телескопами и спутниками.

В 2019 году ученые сняли первое в мире изображение черной дыры, расположенной на расстоянии 500 миллионов триллионов километров. Он был сфотографирован сетью 8 телескопов по всему миру. Эта сверхмассивная черная дыра имеет ширину в 40 миллиардов километров и в 6,5 миллиардов раз больше массы Солнца.

3. Типы черных дыр

Существует четыре типа черных дыр (три реальных и одна гипотетическая) -

Звездные черные дыры: это маленькие черные дыры с массами от 5 до нескольких десятков масс Солнца. Они образованы гравитационным коллапсом большой звезды.

Сверхмассивные черные дыры: самые большие черные дыры с массами от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс. Их происхождение остается открытой областью исследования.

Промежуточные черные дыры значительно более массивны, чем звездные черные дыры, но меньше, чем сверхмассивные черные дыры. Наиболее убедительные доказательства таких небесных тел получены от некоторых активных галактических ядер с низкой светимостью.

Изначальные черные дыры - это гипотетические черные дыры, которые могли образоваться вскоре после Большого взрыва. Их массы могут быть намного меньше, чем звездные массы. Стивен Хокинг подробно изучил эти черные дыры и обнаружил, что они могут весить всего 100 микрограммов.

4. Черная дыра имеет три слоя

Черная дыра имеет три слоя: сингулярность, внешний и внутренний горизонт событий.

Центр черной дыры называется сингулярностью. Это область, где вся масса сжимается до почти нулевого объема. Таким образом, особенность имеет почти бесконечную плотность и порождает огромную гравитационную силу.

Внешний горизонт событий - это самый внешний слой, из которого материалы все еще могут вырваться из гравитации черной дыры. Гравитационное притяжение этого слоя не такое сильное, как в центральном или среднем слое.

Внутренний горизонт событий - это центральный слой. Это регион, откуда вещество не может убежать. Он толкает вещество к центру черной дыры, где гравитационное воздействие является наиболее сильным.

5. Черная дыра может быть размером до 0,1 миллиметра

Черная дыра может иметь массу, столь же малую, как луна Земли, и огромную, в десять миллиардов раз превышающую массу Солнца.

Его масса пропорциональна размеру горизонта событий, который измеряется как радиус Шварцшильда. Это радиус, при котором скорость выхода равна скорости света.

Более того, ни одна черная дыра не является бесконечно маленькой. Минимальная масса выше или равна массе Планка, которая составляет около 22 микрограммов.

6. Черные дыры вращаются вокруг оси

Когда звезда падает в очень маленькое пространство, она все еще сохраняет всю эту массу. Чтобы сохранить момент импульса, скорость вращения черной дыры увеличивается.

Поскольку черная дыра вращается, ее масса заставляет вращаться и близлежащее пространство-время. Этот регион называется эргосферой. Это регион (за пределами горизонта событий), где происходят различные интересные эффекты.

Чем меньше горизонт событий, тем быстрее он вращается. Однако существует ограничение скорости, с которой черная дыра может вращаться [не раскрывая свою сингулярность остальной Вселенной].

Самая тяжелая звездная черная дыра (GRS 1915+105) в Млечном Пути вращается 1150 раз в секунду. А в галактике NGC 1365 есть черная дыра, которая вращается со скоростью 84% скорости света. Он достиг предела космической скорости и не может вращаться быстрее.

7. Они производят звук

Наблюдение Чандрой скопления галактик Персей выявило волнообразные особенности, которые кажутся звуковыми волнами | Предоставлено: НАСА.

В 2003 году астрономы, использующие рентгеновскую обсерваторию Чандра НАСА, обнаружили звуковые волны от сверхмассивной черной дыры, расположенной в 250 миллионах световых лет от Земли.

Когда черная дыра втягивает что-то, ее горизонт событий заряжает частицу близко к скорости света, производя звук. Космические телескопы улавливают звуковые волны, которые уже прошли миллионы световых лет от их источника (черной дыры).

Но звук не может распространяться в вакууме, тогда как мы слышим черные дыры? На самом деле, космическое пространство не полный вакуум. Он состоит из нескольких атомов водорода (плюс другие газы) на кубический метр, которые служат средой для очень низкочастотных звуковых волн.

8. Черные дыры искажают пространство и время

Из-за сильного гравитационного воздействия черная дыра может исказить пространство-время в ближнем соседстве. Согласно общей теории относительности, чем ближе вы к черной дыре, тем медленнее проходит время.

Горизонт событий - это граница вокруг черной дыры, где каждая материя, включая свет, теряет способность убегать. Гравитационная сила постоянна на горизонте событий.

Вращающаяся черная дыра порождает странный эффект, называемый перетаскиванием кадра. В этом случае пространство и время, близкие к черной дыре, фактически тянутся вокруг нее. Космос тянется так сильно, что невозможно двигаться в противоположном направлении. Это бесконечный регресс искажений, когда нет возможности двигаться вперед.

В целом, классические законы физики в том виде, в каком мы их знаем, перестают действовать внутри горизонта событий, на самом деле невозможно представить что-либо с бесконечной плотностью и нулевым объемом.

9. Черные дыры могут убить тебя ужасным способом

Если бы вы упали в черную дыру, ваше тело растянулось бы в длинную, похожую на спагетти нить.

Предполагая, что это маленькая черная дыра, вы будете искажены огромной приливной силой тяжести. Приливная сила - это разница между силой тяжести на голове и ногах. Сила, действующая на вашу голову (если вы падаете головой вперед), будет намного сильнее, чем сила, действующая на ваши ноги.

Эта разница заставит вас почувствовать, что что-то разрывает вас на части, растягивает с головы до ног. Чем ближе ваша голова к черной дыре, тем быстрее она движется. Но нижняя половина вашего тела находится дальше и поэтому не движется к центру так быстро.

Когда приливная сила превышает молекулярные силы, которые связывают вашу плоть, ваше тело разорвется на две части, и эти две части разорвутся на две другие части, и так далее. Вы были бы вытеснены через ткань пространства-времени, как зубная паста через трубку.

10. Черные дыры не засасывают

Все внутри горизонта событий рушится до одномерной сингулярности

Люди обычно думают о черной дыре как о космическом вакууме, который высасывает вещество со всего вокруг. Это распространенное заблуждение. Черные дыры похожи на любое другое небесное тело, но имеют огромное гравитационное влияние на пространство в их окрестностях. Это гравитационное притяжение просто заставляет вещество вокруг них быстро ускоряться.

Даже если вы замените наше Солнце черной дырой равной массы, Земля не упадет. У черной дыры будет то же гравитационное поле, что и у Солнца. Земля и другие планеты будут продолжать вращаться вокруг черной дыры, когда она вращается вокруг Солнца сегодня.

А поскольку Солнце недостаточно велико, оно никогда не превратится в черную дыру.

11. Сверхмассивные черные дыры существуют в центрах большинства галактик

Рентгеновское изображение Стрельца А | Предоставлено: НАСА.

Исследователи полагают, что в ядре большинства галактик, включая Млечный Путь, есть сверхмассивная черная дыра. Эти большие черные дыры фактически удерживают галактики вместе в космосе.

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

12. Во Вселенной есть бесчисленные черные дыры

Одна наша галактика состоит из более чем 100 миллионов звездных черных дыр, плюс сверхмассивный Стрелец А в ее ядре. Почти 100 миллиардов галактик, каждая из которых имеет ядро сверхмассивного монстра и 100 миллионов черных дыр звездной массы (в то время как другие типы еще изучаются), это все равно что пытаться подсчитать количество песчинок на Земле.

13. Любой объект может быть превращен в черную дыру

Звезды не единственные вещи, которые в конечном итоге превращаются в черные дыры. Теоретически вы можете превратить все в черную дыру.

Например, если вы уменьшите размер Солнца до 6 километров в поперечнике, сохраняя при этом всю его массу, он станет черной дырой. Его плотность достигнет астрономических уровней, которые сделают гравитационную силу невероятно сильной.

Та же теория может быть применена к Земле и любому другому объекту, такому как мобильный телефон, автомобиль или даже ваше собственное тело. Однако мы не знаем такой техники, которая может уменьшить объем до бесконечно малой точки, сохраняя при этом 100 процентов массы объекта.

14. Со временем они испаряются

Излучение черного тела происходит за счет квантовых эффектов вблизи горизонта событий. Поскольку процесс невероятно медленный, только самые маленькие черные дыры успели бы полностью испариться в течение 13,8 миллиардов лет (эпоха Вселенной).

15. Сверхмассивные черные дыры определяют количество звезд в галактике

Существует сбалансированная связь между деятельностью черных дыр и количеством звезд. Слишком много звезд сделало бы галактику слишком горячей, чтобы жизнь могла эволюционировать, тогда как недостаточное количество звезд может помешать формированию жизни.

Новое исследование показывает, как сверхмассивные черные дыры регулируют звездообразование в массивных галактиках. История звездообразования в близлежащих массивных галактиках зависит от массы центральной сверхмассивной черной дыры.

16. Они являются гигантским источником энергии

Черные дыры создают энергию более эффективно, чем маленькие звезды, такие как Солнце.

Поскольку гравитационное влияние очень сильно вблизи горизонта событий, вещество, ближайшее к краю горизонта событий, вращается намного быстрее, чем вещество на внешнем горизонте событий (внешний слой черной дыры).

Вещество движется так быстро, что нагревается до миллионов градусов по Цельсию, превращая массу в энергию в форме излучения (известного как излучение черного тела).

Черная дыра может преобразовать 10% массы в энергию. Чтобы поместить это в перспективу, ядерный синтез превращает только 0,7% массы в энергию.

Исследователи даже исследовали, возможно ли физически использовать этот вид энергии для строительства электростанций или космических кораблей.

17. Черные дыры могут создать новые вселенные

Это может показаться странным, но некоторые физики считают, что черные дыры могут открыть новые миры. Наша вселенная, возможно, родилась внутри черной дыры, и черные дыры в нашей вселенной могут порождать новые собственные вселенные.

Чтобы понять, как это работает, представьте себе нашу нынешнюю Вселенную: все, на что вы смотрите, стало возможным благодаря ряду событий, произошедших в прошлом, и определенным условиям, которые объединились для создания жизни.

Если вы внесете изменения в эти условия / события хотя бы на небольшое количество, все будет по-другому. Теоретически, сингулярность может изменить эти условия, создав новую, слегка измененную вселенную.

18. Информация может спастись от черной дыры

Что происходит с информацией о частицах, проходящих через черные дыры? Физики пытались ответить на этот вопрос десятилетиями.

Законы квантовой физики утверждают, что информация не может быть уничтожена окончательно. Однако, если информация не может вырваться из черной дыры, то, по сути, она была уничтожена. Это, кажется, нарушает правила квантовой механики.

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

Когда объект входит в черную дыру, его информация захватывается и сохраняется на горизонте событий. Хотя объект может быть разрушен внутри черной дыры, информация останется размытой на горизонте событий.

Информация может сбежать вместе с излучением Хокинга, но в бесполезной и хаотичной форме. На самом деле, это может произойти в другой вселенной. Хокинг предположил, что черные дыры не являются вечными тюрьмами, которые они когда-то считали.

Документальный фильм про черные дыры

Читайте также: