Logo

Черные дыры

Черные дыры – это компактные объекты, существование которых было предсказано Общей теорией от­но­си­тель­нос­ти (ОТО) [1]. Ещё в начале XX века Карл Шварцшильд нашёл такое решение уравнений ОТО, которое описывало компактный объект, получивший впоследствии название чёрная дыра [2]. Хотя долгое время всё это оставалось без должного внимания, о чём сви­де­тельст­ву­ет тот факт, что даже сам термин вошёл в обиход только в 1967 году [1]. Впрочем, черные дыры были не новой идеей! Её придумали ещё в XVIII веке [3]. Принадлежит данная идея Джону Мичеллу и Пьеру-Симону Лапласу. И они не просто придумали химеру, а нашли точную ма­те­ма­ти­чес­кую ин­тер­пре­та­цию объекту, в со­от­вет­ст­вии с имеющимся тогда научным аппаратом.

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Сегодня мы знаем, что черные дыры могут быть разными. Существуют сверх­мас­сив­ные черные дыры и черные дыры звёздных масс [4]. Масса черных дыр звёздных масс может тео­ре­ти­чес­ки быть от 2–3 до 80 масс Солнца (Mʘ) [5], но, в основном, от 10 до 24Mʘ [1]. А масса сверх­мас­сив­ных чёрных дыр может достигать миллионов и даже миллиардов Mʘ [6]. Формируются черные дыры звёздных масс в результате эволюции звёзд. Если масса звезды в итоге не превышает предел Чанд­ра­се­ка­ра, равный 1,44Mʘ, то она эво­лю­цио­ни­ру­ет в белого карлика [7]. Если в итоге масса звезды находится в пределах 1,44–2(3)Mʘ, то звезда эво­лю­цио­ни­ру­ет в нейтронную [8]. Если же масса больше 2–3Mʘ, то эволюция звезды должна привести к формированию черной дыры звёздной массы [5].

Как именно формируются сверхмассивные чёрные дыры до конца не понятно [9]. Вероятно, что они могут фор­ми­ро­вать­ся, как напрямую из газа, так и из первых массивных звёзд. Впрочем, хотя черные дыры хорошо описаны ма­те­ма­ти­чес­ки, и их су­щест­во­ва­ние под­тверж­да­ет­ся на­блю­да­тель­ны­ми данными [10], и даже гра­ви­та­ци­он­ны­ми волнами [11], пока существуют только кандидаты в черные дыры [12]. А наиболее вероятным кандидатом на роль черной дыры является Sgr A* в центре Млечного пути с массой 4*106Mʘ [13]. В то время как первым надёжным кандидатом стал Лебедь X-1 (Cygnus X-1) в начале 70-х годов XX столетия [14]. Давайте же разбираться во всём по порядку!

Черные дыры: основы

Самой главной характеристикой черной дыры является её способность удерживать свет [15]. Черные дыры обладают таким сильным притяжением, что даже фотоны света не способны выбраться из под их горизонта. Именно поэтому главным критерием определения компактного объекта в качестве черной дыры является огромная масса. И именно компактного! Потому что для получения черной дыры важно, чтобы большая масса со­сре­до­та­чи­ва­лась в небольшом объёме. Собственно, огромная масса в небольшом объёме – это и есть ключевое свойство любых компактных объектов [16]. А известными компактными объектами являются нейтронные звёзды, белые карлики и черные дыры.

ЭТАПЫ ЭВОЛЮЦИИ ЗВЕЗД

Другими отличительными особенностями черных дыр являются отсутствие рент­ге­новс­ко­го барстера и мощное рент­ге­новс­кое излучение [12]. Именно поэтому одиночную черную дыру издалека увидеть за­труд­ни­тель­но, если ни невозможно. В связи с чем, увидеть можно только ту черную дыру, которая взаи­мо­дейст­ву­ет с другими телами [1]. Каким образом? Через аккрецию вещества и мик­ро­лин­зи­ро­ва­ние [17]. Аккреция в астрофизике означает пе­ре­тя­ги­ва­ние на себя вещества более тяжелым объектом, а мик­ро­лин­зи­ро­ва­ние – это искажение пространства вокруг черной дыры, которое проявляется в том, что вращающиеся вокруг звёзды светят с переменной яркостью.

ЧЕРНАЯ ЗВЕЗДА ШВАРЦШИЛЬДА

Но, как мы уже писали выше, всё это позволяет отобрать лишь кандидатов в черные дыры, а что касается самих черных дыр, то о них точно известно совсем немного [10]. Собственно, всего существует 4 основные модели черных дыр: незаряженная и не­вра­щаю­щая­ся черная дыра Шварцшильда [2], заряженная и невращающаяся черная дыра Рейсснера-Нордстрема [18], незаряженная и вращающаяся черная дыра Керра [19], и заряженная и вращающаяся дыра Керра-Ньюмана [20]. Каждая модель обладает своей топологией, а некоторые из них описывают туннели, связывающие разные вселенные [21]. Правда, Лаплас и Мичелл в XVIII веке ничего этого не знали и просто рас­смат­ри­ва­ли уравнения Ньютона.

\[ V_1=\sqrt{G\frac{M}{R}} \]

\[ V_2=\sqrt{2G\frac{M}{R}} \]

, где V – ускорение, которое необходимо придать объекту, G – гравитационная постоянная, M – масса тела, R – радиус тела.

V1 – это первая космическая скорость, которую необходимо придать объекту для того, чтобы он оставался на орбите некоторого тела. V2 – это вторая космическая скорость, которую необходимо придать объекту для того, чтобы он смог покинуть орбиту тела. Со­от­вет­ст­вен­но, если очень сильно сжать некоторое тело, то в итоге оно может стать настолько компактным, что его орбиту не сможет покинуть даже свет. Собственно, такой объект и будет черной дырой. Вот именно его и нашли Лаплас с Мичеллом. И именно этим и является черная дыра в первом приближении. Со­от­вет­ст­вен­но, найти гра­ви­та­ци­он­ный радиус не­вра­щаю­щей­ся черной дыры (rg) можно по формуле:

\[ r_g=2\frac{GM}{c^2} \]

, где G – гравитационная постоянная, M – масса тела, а c – скорость света.

Для Земли гравитационный радиус такого объекта ~8,7мм, а для Солнца ~3км. Правда, ни тот, ни другой объект, ни какой-либо другой в Солнечной системе, не обладают достаточной массой для превращения в черную дыру. Гравитационный радиус шварц­шиль­дов­с­кой черной дыры равен радиусу её горизонта событий [22]. Называется он радиусом Шварцшильда, и по формуле выше можно найти именно его. Если же вы хотите найти массу черной дыры, то предел на массу можно определить по светимости квазара. Существует так называемый эд­динг­то­новс­кий предел (LEdd), из которого следует, что по­тен­ци­аль­ная светимость звезды зависит ис­клю­чи­тель­но от её массы [23]. Выражается LEdd в эрг/с [24] и рассчитывается по формулам:

\[ L_{Edd}=\frac{4\pi GM_{пр}}{\sigma_т} \]

\[ L_{Edd}=10^{38}\frac{M}{M_ʘ} \]

Более точными способами определения массы черной дыры являются соотношение между массой черной дыры и массой балджа, изменение орбит звёзд и мазерных источников вокруг черной дыры, кинематика газа, профиль звёздной плотности и ре­вер­бе­ра­ци­он­ное кар­ти­ро­ва­ние [25]. Собственно, первую сверх­мас­сив­ную черную дыру в центре галактики Андромеда в 1988 году Джон Корменди обнаружил именно по орбитам вращающихся вокруг неё звёзд [26]. Все остались этим очень недовольны. Самого Джона Корменди высмеяли [27], но, исходя из того, что науке известно сегодня, он был прав. Правда, вопрос эволюции сверх­мас­сив­ных черных дыр остаётся дискуссионным.

Сверхмассивные черные дыры

Исходя из общей картины эволюции Вселенной, казалось бы, что сверхмассивные черные дыры должны фор­ми­ро­вать­ся из первых сверх­мас­сив­ных звёзд. Но на­блю­да­тель­ные данные указывают на то, что сверх­мас­сив­ные черные дыры уже существовали через 1млрд лет после Большого взрыва, а значит, они должны были появиться как-то по-другому. По всей видимости, наиболее вероятной моделью формирования первичных сверх­мас­сив­ных черных дыр является прямой коллапс газа [9]. Поэтому теперь кандидатов в сверх­мас­сив­ные черные дыры астрономы наблюдают в центрах галактик [13], [27]. Со­от­вет­ст­вен­но, возникает нормальный научный вопрос: когда мы упадём в черную дыру?

ЭВОЛЮЦИЯ СВЕРХМАССИВНЫХ ЧЕРНЫХ ДЫР

На самом деле, вероятность того, что вся вселенная в итоге станет одной большой черной дырой, существует [10]. И можно по­спе­ку­ли­ро­вать на эту тему! Есть, так называемый, «ин­фор­ма­ци­он­ный парадокс» Стивена Хокинга [28], суть которого заключается в том, что восстановить информацию о процессе формирования черной дыры невозможно. Не все ученые согласны с тем, что проблема «ин­фор­ма­ци­он­но­го парадокса» существует [29], но, допустим, что это так. А так же нам известно то, что невозможно получить информацию о том, что было до Большого взрыва, когда вселенная была син­гу­ляр­нос­тью [30]. Вот и можно сделать спе­ку­ля­тив­ный вывод о том, что эволюция Вселенной приведёт к образованию единой черной дыры, масса которой будет настолько велика, что она «взорвётся», и в этот момент родится новая вселенная [31].

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПАРАДОКС

Впрочем, как мы уже писали выше, существуют разные модели черных дыр, и среди них есть такие, в которых отсутствует син­гу­ляр­ность [10] или горизонт событий [32]. Кстати говоря, проверить наличие горизонта у черных дыр хотят в начале 2030-х годов с помощью детектора LISA. Но в связи с разной топологией черных дыр, интересно посмотреть, что может тео­ре­ти­чес­ки произойти с человеком, попавшим в черную дыру. И теоретически – это значит, исходя из модели, а не просто из бурной фантазии, как в случае выше. Хотя сами ма­те­ма­ти­чес­кие модели тут мы, конечно, представлять не будем. Обойдёмся коротким описанием!

Что произойдет с человеком в черной дыре?

Если черная дыра обладает нетривиальной топологией, то у неё 2 горизонта: горизонт событий и горизонт Коши, между которыми находится Т-область [33], [34]. По мере движения в Т-области к горизонту Коши приливные силы будут возрастать, а объект начнёт замедляться, после чего его вытолкнет в другую вселенную через белую дыру. Таким образом, черная дыра в нашей вселенной является белой дырой в другой вселенной, а белые дыры в нашей вселенной являются черными дырами в третьей вселенной [35]. Если же у черной дыры есть син­гу­ляр­ность, то объект просто в неё упадёт. Впрочем, если этим объектом будет человек, то прежде, чем всё это произойдёт, он успеет умереть.

ВНУТРИ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ

Умрёт ли человек сразу? Не обязательно! В сверх­мас­сив­ных черных дырах приливные силы действуют не так интенсивно, как в черных дырах звёздных масс, поэтому разорвёт человека или космический корабль ближе к син­гу­ляр­нос­ти [36]. Правда, хотя для падающего человека пройдёт не так много времени, вне черной дыры пройдут тысячи или даже сотни тысяч лет [37]. А для стороннего наблюдателя падающий объект будет просто постепенно темнеть [38]. Мы ведь видим свет, который отражают или испускают объекты, поэтому по мере снижения ин­тен­сив­нос­ти «излучения», до стороннего наблюдателя будут доходить всё менее и менее длинные лучи, пока сила притяжения черной дыры не скроет объект окончательно.

Типы черных дыр

Как уже неоднократно отмечалось выше, не­по­сред­ст­вен­но черных дыр пока никто не видел. Но есть кандидаты в черные дыры, среди которых есть сверх­мас­сив­ные и черные дыры звёздных масс. Хороших кандидатов 10 штук [12], и, как сказал Эдвин Солпитер: «Черная дыра в источнике Лебедь X-1 – это самая кон­сер­ва­тив­ная гипотеза». А 2018 год, вообще, обещает быть годом, когда мы впервые «увидим» черную дыру в центре нашей галактики – Srg A* [39]. Но, кроме сверх­мас­сив­ных и черных дыр звёздных масс, ги­по­те­ти­чес­ки так же существуют первичные [9] и про­ме­жу­точ­ные черные дыры [1]. Первичные – это сфор­ми­ро­ван­ные из газа, а про­ме­жу­точ­ные – это те, которые достаточно большие, чтобы опуститься в центр галактики и ак­кре­ци­ро­вать окружающие звёзды, в результате чего стать сверх­мас­сив­ны­ми.

Заключение

  1. Черные дыры – это компактные объекты, то­по­ло­гию ко­то­рых мож­но опи­сы­вать раз­ны­ми мо­де­ля­ми. Ско­рее все­го, что чер­ные ды­ры есть, но по­ка кор­рект­но го­во­рить лишь о том, что мы на­блю­да­ем кан­ди­да­тов в чер­ные ды­ры.
  2. Гипотетически эволюция Вселенной может привести к то­му, что вся ма­те­рия скон­цент­ри­ру­ет­ся в од­ной чер­ной ды­ре, но сце­на­рий этот ма­ло­ве­роя­тен. В лю­бом слу­чае, ес­ли толь­ко вы не Мак­ко­на­хи, то в чер­ную ды­ру луч­ше не пры­гать!

Проверь себя – ответь на вопросы по статье

P.S. Бла­го­да­рим за вни­ма­ние! На­де­ем­ся, что ста­тья бы­ла ин­те­рес­на и по­з­на­­ва­­тель­­на. Ес­ли у вас ос­та­лись ка­кие-ли­бо воп­ро­сы, есть за­ме­ча­ния или вы хо­ти­те выс­ка­зать сло­ва бла­­го­­дар­­нос­­ти, то для все­го это­го мож­но вос­­поль­­зо­­вать­­ся фор­мой ком­­мен­­та­­ри­­ев ни­же. Оце­ни­вай­те ста­тью, де­ли­тесь ею с друзь­я­ми в со­ци­аль­ных се­тях, до­бав­ляй­те сайт в из­бран­ное и бо­ри­тесь с мра­ко­бе­си­ем во всех его про­яв­ле­ни­ях, аминь!

Источники

[1] science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/black-holes

[2] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269317303532

[3] adsabs.harvard.edu/full/2009JAHH…12…90M

[4] nasa.gov/audience/forstudents/5-8/features/nasa-knows/what-is-a-black-hole-58.html

[5] iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/714/2/1217/meta

[6] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269306009646

[7] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269313007983

[8] sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0375947482900252

[9] nature.com/articles/ncomms2314

[10] arxiv.org/abs/1003.0291

[11] journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.141101#fulltext

[12] astronet.ru/db/msg/1210267?text_comp=gloss_graph.msn

[13] iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/942/1/012001/meta

[14] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269314000495

[15] sciencedirect.com/science/article/pii/S0550321316301274

[16] sciencedirect.com/science/article/pii/S0375960112001223

[17] ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC58496/

[18] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269316304336

[19] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269317308341

[20] sciencedirect.com/science/article/pii/S037026931630452X

[21] arxiv.org/pdf/1712.07964.pdf

[22] astronomy.swin.edu.au/cosmos/S/Schwarzschild+Radius

[23] iopscience.iop.org/article/10.1086/311182/fulltext/975632.text.html

[24] ru.wikipedia.org/wiki/Эрг

[25] youtu.be/j2My_ieOsXs?t=59m13s

[26] adsabs.harvard.edu/abs/1988ApJ…335…40K

[27] postnauka.ru/video/57338

[28] nature.com/news/hawking-s-latest-black-hole-paper-splits-physicists-1.19236

[29] nplus1.ru/material/2015/09/09/hawking-and-the-paradox

[30] sciencedirect.com/science/article/pii/S221268641300037X

[31] sciencedirect.com/science/article/pii/S0262407907616807

[32] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269317303398

[33] journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.93.041501

[34] link.springer.com/article/10.1023%2FA%3A1015328519392

[35] postnauka.ru/video/38489

[36] nature.com/news/2007/070514/full/news070514-21.html

[37] nature.com/scitable/blog/thebeyond/what_happens_to_matter_inside

[38] quora.com/From-an-outside-observer-perspective-does-an-object-ever-really-fall-into-a-black-hole-If-not-why-is-it-so-much-of-a-big-issue-that-information-would-get-lost-and-should-all-the-Hawking-black-hole-wars-stuff-matter

[39] forbes.com/sites/startswithabang/2017/12/27/2018-will-be-the-year-humanity-directly-sees-our-first-black-hole

[свернуть]
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд
Загрузка...

avatar
  Подпишись!  
Уведомлять
Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить