Как умирают черные дыры кратко
Обновлено: 05.07.2024
Черная дыра — это объект с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может покинуть ее пределов. Обычная черная дыра представляет собой последний этап жизни некогда массивной звезды.
Прошлая жизнь черной дыры
Звезда по большей части является скоплением огромного числа атомов водорода. В ядре звезды под действием собственной сильной гравитации происходят термоядерные реакции, в ходе которых атомы водорода объединяются в атомы гелия, выделяя в этом процессе огромное количество энергии. Эта энергия в виде излучения оказывает сопротивление гравитации, сохраняя баланс между этими двумя силами. До тех пор пока в звезде имеется достаточно водорода, звезда остается стабильной.
Более массивные звезды могут производить более тяжелые элементы, вплоть до железа. Таким образом в звезде начинает образовываться железное ядро, которое замедляет процессы термоядерного синтеза. В какой-то момент железа в звезде становится настолько много, что излучения от термоядерных реакций становится недостаточным, чтобы сдерживать гравитацию.
Рождение черной дыры
Когда баланс сил нарушается, то звезда начинает коллапсировать. За доли секунд звезда в буквальном смысле падает сама на себя. Весь этот процесс сопровождается выделением огромного количества энергии в виде взрыва сверхновой . Именно в таких процессах рождается большинство тяжелых химических элементов, которые окружают нас в повседневной жизни. Если звезда имела достаточно большую массу, то на месте взрыва остается либо нейтронная звезда , либо черная дыра .
Горизонт событий и сингулярность
Если мы посмотрим на черную дыру, то сможем увидеть только ее границу , которая называется горизонтом событий . Все что находится за горизонтом событий должно развить скорость большую, чем скорость света, чтобы покинуть пределы черной дыры. Но поскольку любой физический объект не может превысить скорость света, то покинуть границы черной дыры невозможно.
Но если внешней частью черной дыры является горизонт событий, то что находится внутри? У науки нет однозначного ответа на этот вопрос, однако математика говорит нам о том, что в центре черной дыры находится сингулярность . Мы не очень понимаем с физической точки зрения что это такое, но математика описывает сингулярность, как точечную массу с нулевым объемом и без поверхности. Такую математическую интерпретацию сингулярности можно сравнить с делением на ноль.
Представляя себе чёрные дыры вы, наверно, думаете о сверхплотных и очень массивных участках пространства, откуда ничто не может убежать. Ни материя, ни антиматерия, ни даже свет! Вы также можете думать, что они продолжают питаться всем, чему не посчастливилось столкнуться с ними, даже тёмной материей. Но в какой-то момент любая чёрная дыра во Вселенной не только закончит расти, но и начнёт уменьшаться, терять массу, до тех пор, пока не испарится полностью! На этой неделе в нашей колонке мы ответим на вопрос Павла Жужельского, который спрашивает:
Это очень сложная тема, но такая, которую мы понимаем. Начнём с обсуждения того, как выглядит пустое пространство.
В общей теории относительности пространство и время имеют запутанную связь, и формируют четырёхмерную ткань пространства-времени. Если вы уберёте все частицы во Вселенной на бесконечно большое расстояние от нужной вам точки, если вы уберёте факт расширения пространства из уравнений, если вы также устраните все виды излучений, и присущую космосу кривизну – вы сможете заявить, что создали плоское пустое пространство.
Вам может быть знакомой идея, что на квантовых масштабах во Вселенной существуют присущие пространству неопределённости конкретных параметров. Мы не можем одновременно знать расположение и импульс частицы, и чем лучше измеряем один из них, тем больше неопределённость у второго. Такое же взаимоотношение неопределённостей свойственно энергии и времени, что для нас сейчас важно.
Если вы наблюдаете за тем, что представляете себе, как пустое пространство, но при этом наблюдаете за этим в определённый момент времени, вам нужно учесть, что момент – это бесконечно малый промежуток времени. Из-за этого взаимоотношения неопределённостей существует огромная неопределённость в общем количестве энергии, содержащемся даже в пустом пространстве в это время. Это значит, что там может, в принципе, быть несколько пар из частиц и античастиц, существующих на очень кратких промежутках времени, пока они подчиняются известным законам сохранения, действующим в физической Вселенной.
Повторюсь, так как это важно: существует энергия, присущая самому пустому пространству, и её можно представить, как сумму квантовых флуктуаций, присущих этому пространству.
Пойдём дальше. Представим, что пространство, вместо того, чтобы быть плоским и пустым, всё ещё пустое, но уже искривлено – то есть, в гравитационном поле космоса существуют отклонения.
Как будут выглядеть наши квантовые флуктуации? В частности, если мы позволим пространству искривляться из-за присутствия чёрной дыры, как они будут выглядеть снаружи и внутри горизонта событий?
Вопросы хорошие, и чаще всего в поисках ответа вы увидите следующую (неправильную) картинку, которая являет собою суть вопроса Павла:
Если представлять себе пары частица/античастица как реальные, и если одна убежит от чёрной дыры, а другая упадёт за горизонт событий – то получится, что во Вселенной прибавилось энергии: половина вне чёрной дыры и половина к массе чёрной дыры. Но эти пары частиц и античастиц не являются реальными, а представляют собою лишь способ визуализации и подсчёта энергии, присущей пространству.
Дело в том, что при искривлённом пространстве, как вы помните, существуют отклонения гравитационного поля. Мы используем флуктуации для помощи в визуализации энергии, присущей пустому пространство, но могут возникать флуктуации, начинающиеся снаружи горизонта событий, которые попадут внутрь горизонта, не успев ре-аннигилировать. Но нельзя украсть энергию у пустого пространства – что-то должно случиться, чтобы её сохранить. Поэтому каждый раз, когда виртуальная частица (или античастица) падает внутрь, настоящий фотон (или их набор) должен появиться для компенсации. И этот реальный фотон, покидающий горизонт событий, и уносит энергию от чёрной дыры.
Тот способ, который мы ранее использовали для визуализации процесса, когда одна из пары частиц падала, а другая – убегала, слишком наивен, чтобы быть полезным, поскольку уменьшению чёрных дыр способствуют не частицы или античастицы, а фотоны, соответствующие спектру чёрного тела.
Я предпочитаю картинку получше, хотя она всё равно ещё довольно наивна. Представьте квантовые флуктуации, при которых каждый раз, когда у вас появляется пара частица-античастица, из которых одна падает внутрь, появляется ещё одна пара частица-античастица, у которой внутрь падает другая. Оставшаяся снаружи пара из частицы и античастицы аннигилирует, испуская реальные фотоны, а те, что падают внутрь, забирают соответствующее количество массы (Е = мс 2 ) у чёрной дыры.
Это всё ещё не идеальная аналогия (потому что это всего лишь аналогия), но, по крайней мере горизонт событий в ней покидают фотоны, что соответствует предсказаниям излучения Хокинга. Фактически – хотя вам придётся провести подсчёты квантовой теории поля в искривлённом пространстве-времени, чтобы это выяснить – излучение Хокинга предсказывает, что спектр фотона будет соответствовать абсолютно чёрному телу с температурой, заданной:
что даст температуру меньше одного микроКельвина для чёрной дыры массой равной массе Солнца, меньше одного пикоКельвина для чёрной дыры в центре нашей галактики, и всего лишь несколько десятых от аттоКельвина для самой крупной из известных чёрных дыр. Скорость уменьшения, которому соответствует это излучение, настолько мало, что чёрные дыры будут расти, даже если они будут поглощать один протон за промежуток времени, сравнимый с возрастом нашей Вселенной – это будет продолжаться ещё примерно 10 20 лет.
После этого чёрные дыры массой с Солнце, наконец, начнут терять из-за излучения Хокинга в среднем больше энергии, чем поглощают, и полностью испарятся через 10 67 лет, а самые крупные из них – через 10 100 лет. Это может сильно превышать возраст Вселенной, но это и не вечность. А уменьшаться они будут благодаря излучению Хокинга, испуская фотоны.
В итоге: у пустого пространства есть энергия нулевого уровня, которая не равна нулю, а в искривлённом пространстве на горизонте событий чёрной дыры появляется низкоэнергетический спектр излучения абсолютно чёрного тела. Это излучение отнимает массу у чёрной дыры и слегка сжимает горизонт событий со временем. Если вы настаиваете на представлении источника этого излучения в виде пар частица/античастица, хотя бы представляйте по две пары за раз. Тогда частица от одной пары и античастица от другой аннигилируют, создавая реальные фотоны, покидающие чёрную дыру, а другая виртуальная пара частиц падает в дыру и забирает её энергию (или массу).
Вот так чёрные дыры и умрут! Спасибо за отличный вопрос, Павел, и если у вас есть вопросы или предложения, отправляйте их мне.
Сейчас много говорят о черных дырах. Они вращаются в центре галактики, каждый день поглощают массу равную половине Солнца, помнят рассвет вселенной. Черные дыры — один из самых интересных космических объектов. Вот, что мы о них знаем.
Рождение
Черные дыры начинают свою жизнь со смерти. Они рождаются, когда звезды, которые больше Солнца как минимум в три раза, полностью выгорают и взрывом отбрасывают внешнюю оболочку. Внутреннее давление разрушает ядро звезды, а она сама сжимается. Если масса звезды больше трех масс Солнца, то сжатие не остановится, и появится черная дыра.
Во вселенной звезды очень часто соседствуют с черными дырами: одни умирают, другие появляются. Чем больше масса звезды, тем быстрее она сжигает свое топливо и потухает. Взрывная волна, вызванная смертью одной из больших звезд, сжимает огромное количество газа и пыли в космосе, это провоцирует рождение новых светил.
Так в космосе появляется много черных дыр — но далеко не все. Происхождение сверхмассивных черных дыр (они тяжелее Солнца в миллионы и миллиарды раз) до сих пор неизвестно. Астрономы выяснили, что они появились примерно 13 миллиардов лет назад и изначально были меньше. Как они появились на заре вселенной — непонятно, ведь тогда все вещество помещалось в очень маленьком пространстве.
Теорий о рождении сверхмассивных черных дыр несколько. Во-первых, они могли образоваться из-за коллапса очень плотных областей молодой вселенной. Горячий газ и пыль на заре времен сжимались в звезды, но, возможно, сразу после Большого взрыва химические процессы были иными, поэтому в некоторых регионах сжатие не прекратилось и появились черные дыры.
Сейчас сверхмассивные черные дыры существуют в центре многих галактик, отсюда вторая теория. Возможно, они сформировались в центре молодых галактик в процессе слияния нескольких небольших черных дыр.
Но предположить, что каждая сверхмассивная черная дыра выросла из обычной, ученые не могут. Знакомые нам черные дыры слишком маленькие, чтобы за время своего существования вырасти в таких космических монстров. Ученые предполагают, что между черными дырами звездных масс и сверхмассивными объектами существует промежуточная форма — средние черные дыры, но их пока никто не обнаружил. Не потому что их нет — просто они, вероятно, расположены далеко от нас, поэтому их излучение в рентгеновском спектре теряется в излучении других космических объектов.
Жизнь
Черная дыра развивается за счет вещества, которое поглощает. Гравитационное притяжение в ней настолько велико, что никакие объекты, никакие частицы не смогут вернуться назад, если залетели в пределы черной дыры. Туда попадают развалившиеся звезды и планеты, но легче всего дыра поглощает газ: он заполняет ее, как вода ванну.
Иногда черные дыры сливаются друг с другом, и отследить это очень сложно, ведь, по сути, происходит слияние двух невидимых объектов. Впервые ученые зафиксировали этот процесс в 2015 году благодаря изучению гравитационных волн.
Смерть
Самый интересный вопрос — может ли черная дыра умереть? Теоретически, да.
Так считал Стивен Хокинг, и поэтому гипотетическая причина смерти черной дыры называется излучением Хокинга. Изначально считалось, что черные дыры ничего не излучают, ведь ни одна частица, включая частицы света, не может преодолеть их притяжение. Но квантовая физика уничтожила эту теорию.
Оказалось, что на границе черной дыры есть пары частиц и античастиц. В обычных условиях они сразу сталкиваются и взаимоуничтожаются (так появляется энергия), но здесь одна из частиц падает в черную дыру, а другая улетает в космос, тем самым забирая энергию у объекта.
Теоретически, если в дыру не будет попадать другая энергия (а она в нее попадает), то через какое-то время она полностью излучится. Но даже при таких условиях понадобится 1054 лет, чтобы дыра начала умирать, поэтому зафиксировать излучение Хокинга на практике, скорее всего, не получится. Пока правоту ученого можно доказать только в лаборатории.
Как умирают чёрные дыры и куда при этом девается поглощённая ими материя
Согласно наиболее популярной теории эволюции Вселенной, смерть последней будет холодной. Звезды догорят, останутся лишь массивные черные дыры, но и они в конце концов испарятся. Мысль о том, что черные дыры могут рассеиваться, была высказана Стивеном Хокингом, по мнению которого при определенных условиях черные дыры излучают элементарные частицы, по большей части фотоны. Но тут может возникнуть вполне закономерные вопросы. Если черные дыры могут испаряться, означает ли это, что запертая в них материя покидает сингулярность? И вообще, что происходит при этом с самой сингулярностью?
Прежде чем давать ответ на поставленные вопросы, следует напомнить, что представляет собой черная дыра. По сути, это звезда, но такая массивная, что под действием нарастающих сил гравитации вся материя в ней устремляется к центру, образуя сингулярность — точку, в которой метрические величины стремятся к бесконечности. Обычно черные дыры образуются вследствие коллапсирования тяжелых нейтронных звезд, впрочем, черной дырой может стать любое тело, сжатое до критически малого объема. Ее гравитация настолько сильна, что оказавшаяся вблизи нее материя будет поглощена сингулярностью, причем при достижении горизонта событий частицы достигнут скорости света.
Это означает, что ни частицы материи, ни излучение, оказавшись по ту сторону горизонта событий, не смогут вернуться, ведь для этого им бы пришлось двигаться быстрее скорости света, а это невозможно.
Но если это так, каким образом черные дыры могут терять массу и испаряться?
Если в расчеты взять квантовую физику, все становится на свои места
Согласно квантовой теории, энергия неотделима от пространства, которая ему присуща по определению. Этот феномен именуется квантовым вакуумом. Так вот, этот самый квантовый вакуум в искаженном пространстве черной дыры ведет себя совершенно иначе, чем в пространстве плоском. Излучение черного тела в область пространства, окружающего сферу Шварцшильда вполне реально, квантовая теория поля это вполне допускает. Чем меньше радиус горизонта событий, тем более выраженное искривление имеет пространство вокруг него, а чем сильнее оно искривлено, тем сильнее проявляет себя излучение Хокинга. Это вполне объясняет, почему небольшие черные дыры испаряются быстрее, чем массивные.
Читайте также: