Contents
Теоретическая история
В зависимости от модели изначальные черные дыры могут иметь начальную массу от 10 -8 кг (так называемые Планки мощь) до более чем тысячи солнечных масс. Однако изначальные черные дыры изначально имели массу меньше, чем10 11 кг не дожили бы до настоящего времени из-за излучения Хокинга , которое вызывает полное испарение за время, намного меньшее, чем возраст Вселенной. Первичные черные дыры небарионны и, как таковые, являются вероятными кандидатами в темную материю . Первичные черные дыры также являются хорошими кандидатами на роль зародышей сверхмассивных черных дыр в центре массивных галактик, а также черных дыр промежуточных масс .
Первозданные черные дыры относятся к классу массивных компактных гало-объектов (МАЧО). Они, естественно, являются хорошими кандидатами на темную материю: они (почти) бесстолкновительные и стабильные (если достаточно массивны), у них нерелятивистские скорости, и они формируются очень рано в истории Вселенной (обычно менее чем через одну секунду после Big Bang ). Тем не менее, критики утверждают, что жесткие ограничения на их численность были установлены на основе различных астрофизических и космологических наблюдений, что исключает их значительный вклад в темную материю в большей части вероятного диапазона масс. Однако новое исследование снова предоставило возможность, согласно которой эти черные дыры будут располагаться в скоплениях с первичной черной дырой с массой 30 солнечных в центре.
В марте 2016 года, через месяц после объявления об обнаружении Advanced LIGO / VIRGO гравитационных волн, излучаемых слиянием двух черных дыр массой 30 солнечных масс (около6 × 10 31 кг ) три группы исследователей независимо друг от друга предположили, что обнаруженные черные дыры имеют изначальное происхождение. Две группы обнаружили, что скорости слияния, полученные с помощью LIGO, согласуются со сценарием, в котором вся темная материя состоит из первичных черных дыр, если значимая их часть каким-то образом сгруппирована в гало, таких как тусклые карликовые галактики или шаровые галактики. кластеры , как и ожидалось в стандартной теории образования космических структур . Третья группа утверждала, что эти скорости слияния несовместимы со сценарием, основанным на полной темной материи, и что первичные черные дыры могут составлять менее одного процента от общей темной материи. Неожиданно большая масса черных дыр, обнаруженная LIGO, сильно возродила интерес к первичным черным дырам с массами в диапазоне от 1 до 100 масс Солнца. Однако все еще обсуждается, исключается ли этот диапазон другими наблюдениями, такими как отсутствие микролинзирования звезд, анизотропия космического микроволнового фона , размер слабых карликовых галактик и отсутствие корреляции между рентгеновскими лучами и рентгеновскими лучами. радиоисточники в сторону центра Галактики.
В мае 2016 года Александр Кашлинский предположил, что наблюдаемые пространственные корреляции в неразрешенных гамма- и рентгеновских фоновых излучениях могут быть связаны с первичными черными дырами с аналогичными массами, если их количество сопоставимо с количеством темной материи.
В апреле 2019 года было опубликовано исследование, показывающее, что эта гипотеза может оказаться тупиковой. Международная группа исследователей подвергла теорию, выдвинутую покойным Стивеном Хокингом, самому строгому на сегодняшний день, и их результаты исключили возможность того, что первичные черные дыры размером менее одной десятой миллиметра (7 × 10 22 кг) создают вверх по большей части темной материи.
В августе 2019 года было опубликовано исследование, открывающее возможность создания всей темной материи из первичных черных дыр с массой астероидов (3,5 × 10 −17 — 4 × 10 −12 солнечных масс, или 7,0 × 10 13 — 8 × 10 18 кг).
В сентябре 2019 года в отчете Джеймса Анвина и Якуба Шольца была высказана мысль о возможности возникновения первичной черной дыры (ПЧД) с массой 5–15 M ⊕ (земных масс), примерно равной диаметру теннисного мяча , существующей в расширенном поясе Койпера до объяснить орбитальные аномалии, которые теоретически являются результатом 9-й планеты Солнечной системы.
Существует ли угроза для Земли?
Есть две черные дыры, которые могут представлять реальную угрозу нашей планете, но находятся они, к счастью, для нас далеко на расстоянии примерно 1600 световых лет. Ученые смогли обнаружить эти объекты только потому, что находились они вблизи Солнечной Системы и специальные приборы, улавливающие рентгеновские лучи, смогли их увидеть. Есть предположение, что огромная сила гравитации способна повлиять на черные дыры таким образом, что они сольются в одну.
Вряд ли кто-то из современников сможет застать тот момент, когда эти таинственные объекты исчезнут. Настолько медленно происходит процесс гибели дыр.
Черная дыра – это звезда в прошлом
Как образуются черные дыры в космосе? Звезды имеют внушительный запас термоядерного топлива, из-за чего они и светятся так ярко. Но все ресурсы заканчиваются, и звезда охлаждается, постепенно теряя свое свечение и превращаясь в черного карлика. Известно, что в остывшей звезде происходит процесс сжатия, в итоге она взрывается, а ее частицы разлетаются на огромные расстояния в космосе, притягивая соседние объекты, тем самым увеличивая размер черной дыры.
Самое интересное про черные дыры в космосе нам еще предстоит изучить, но удивительно, плотность ее, несмотря на внушительные размеры, может равняться плотности воздуха. Это говорит о том, что даже самые крупные объекты космоса могут иметь такой же вес, как воздух, то есть быть невероятно легкими. Вот как появляются черные дыры в космосе.
Время в самой черной дыре и возле течет очень медленно, поэтому объекты, пролетающие рядом замедляют свое движение. Причиной всему огромная сила гравитации, еще более удивительный факт, все процессы, происходящие в самой дыре, имеют невероятную скорость. Допустим, если наблюдать за тем как выглядит черная дыра в космосе, находясь за границами всепоглощающей массы, кажется, что все стоит на месте. Однако стоит только попасть внутрь объекту, его в мгновение бы разорвало. Сегодня нам показывают, как выглядит черная дыра в космосе фото, смоделированное специальными программами.
Определение черной дыры?
Теперь мы знаем откуда берутся черные дыры в космосе. Но что в них еще особенного? Сказать, что черная дыра – это планета или звезда невозможно априори, потому что это тело не газовое и не твердое. Это объект, который способен искажать не только ширину, длину и высоту, но и временную шкалу. Что совершенно не поддается физическим законам. Ученые утверждают, что время в районе горизонта пространственной единицы может двигаться вперед и назад. Что находится в черной дыре в космосе невозможно себе представить, световые кванты, попадающие туда, умножаются в несколько раз на массу сингулярности, этот процесс увеличивает мощь гравитационной силы. Поэтому, если взять с собой фонарик и отправиться черную дыру, светиться он не будет. Сингулярность – точка, в которой все стремится к бесконечности.
Структура черной дыры – это сингулярность и горизонт событий. Внутри сингулярности физические теории полностью теряют свой смысл, поэтому до сих пор она остается загадкой для ученых. Пересекая границу (горизонт событий), физический объект теряет возможность вернуться. Мы знаем далеко не все о черных дырах в космосе, но интерес к ним не угасает.
https://youtube.com/watch?v=yEv2CMt99X0
Самые яркие объекты во Вселенной
Наш мир – совокупность парадоксов. Иногда в нем уживаются вещи, сосуществование которых не поддается никакой логике. Например, термин «черная дыра» не будет ассоциироваться у нормального человека с выражением «невероятно яркий», однако открытие начала 60-х годов прошлого века позволило ученым считать это утверждение неверным.
С помощью телескопов астрофизикам удалось обнаружить неизвестные до того момента объекты на звездном небе, которые вели себя совсем странно несмотря на то, что выглядели, как обычные звезды
Изучая эти странные светила, американский ученый Мартин Шмидт обратил внимание на их спектрографию, данные которой показывали отличные от сканирования других звезд результаты. Проще говоря, эти звезды не были похожи на другие, привычные нам
Внезапно Шмидта осенило, и он обратил внимание на смещение спектра в красном диапазоне. Оказалось, что эти объекты намного дальше от нас, чем те звезды, что мы привыкли наблюдать в небе
Например, наблюдаемый Шмидтом объект был расположен в двух с половиной миллиардах световых лет от нашей планеты, но светил так же ярко, как и звезда в каких-нибудь сотне световых лет от нас. Получается, свет от одного такого объекта сопоставим с яркостью целой галактики. Такое открытие стало настоящим прорывом в астрофизике. Ученый назвал эти объекты «quasi-stellar» или просто «квазар».
Мартин Шмидт продолжил изучение новых объектов и выяснил, что столь яркое свечение может быть вызвано только по одной причине – аккреции. Аккреция – это процесс поглощения сверхмассивным телом окружающей материи с помощью гравитации. Ученый пришел к выводу, что в центре квазаров находится огромная черная дыра, которая с невероятной силой втягивает в себя окружающую ее в пространстве материю. В процессе поглощения дырой материи, частицы разгоняются до огромных скоростей и начинают светиться. Своеобразный светящийся купол вокруг черной дыры называется аккреационным диском. Его визуализация была хорошо продемонстрирована в киноленте Кристофера Нолана «Интерстеллар», которая породила множество вопросов «как черная дыра может светиться?».
На сегодняшний день ученые нашли на звездном небе уже тысячи квазаров. Эти странные невероятно яркие объекты называют маяками Вселенной. Они позволяют нам чуть лучше представить устройство космоса и ближе подойти к моменту, с которого все началось.
• Несмотря на то, что астрофизики уже много лет получали косвенные доказательства существования сверхмассивных невидимых объектов во Вселенной, термина «черная дыра» не существовало вплоть до 1967 года. Чтобы избежать сложных названий, американский физик Джон Арчибальд Уиллер предложил назвать такие объекты «черными дырами». Почему бы и нет? В какой-то мере они черные, ведь мы их не можем увидеть. К тому же они все притягивают, в них можно упасть, прямо как в настоящую дыру. Да и выбраться из такого места согласно современным законам физики просто невозможно. Впрочем, Стивен Хокинг утверждает, что при путешествии сквозь черную дыру можно попасть в другую Вселенную, другой мир, а это уже надежда.
Почему Хокинг ошибся по поводу черных дыр?
Согласно недавнему исследованию Стивена Хокинга (Stephen Hawking), создавшего настоящий переполох, некоторые издания объявили о том, что черных дыр нет. Однако, это не совсем то, что утверждал Хокинг. Впрочем уже сейчас понятно, что предположение Хокинга о черных дырах ошибочно, потому что парадокс, который он пытается доказать, уже не парадокс вовсе.
Это все сводится к известному нам парадоксу огненной стены черных дыр. Главной особенностью черной дыры является ее горизонт событий. Горизонт событий черной дыры – точка невозврата при приближении к ней. В общей теории относительности Эйнштейна, горизонт событий представляет собой пространство и время, которые настолько деформированы под воздействием силы тяжести, что их невозможно покинуть. Пересечете горизонт событий — и вы навсегда в ловушке.
Это односторонняя природа горизонта событий уже давняя проблема для понимания гравитационной физики. Например, горизонт событий черной дыры, казалось бы, нарушает законы термодинамики. Один из принципов термодинамики гласит о том, что ничто не должно иметь температуру абсолютного нуля. Даже очень холодные вещи излучают немного тепла, но если черная дыра поглощает свет, то она не выделяет никакого тепла. Таким образом, температура черной дыры равна нулю, что не возможно.
Тогда в 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают свет благодаря квантовой механике. В квантовой теории есть пределы тому, что может быть известно об объекте. Например, вы не можете знать точно энергию объекта. Из-за этой неопределенности, энергия системы может колебаться спонтанно, до тех пор, пока ее средняя величина остается постоянной. Хокинг продемонстрировал, что вблизи горизонта событий черной дыры пары частиц могут появиться, когда одна частица оказывается в ловушке внутри горизонта событий (немного снижая массу черной дыры), а другая может избежать этого, в виде излучения (унося немного энергии черной дыры).
В то время как излучение Хокинга решило одну проблему с черными дырами, оно создало еще одну, известную как парадокс огненной стены. Когда квантовые частицы появляются парами, они спутаны, то есть, они связаны в квантовом смысле. Если одна частица захватывается черной дырой, а другая вырывается, тогда спутанность пары нарушается. В квантовой механике можно было бы сказать, что пара частиц появляется в чистом, первоначальном, виде, и горизонт событий, казалось бы, сломал это состояние.
В прошлом году было показано, что если излучение Хокинга в чистом виде, тогда либо оно не может излучать в направлении, требуемом термодинамикой, или это создаст огненную стену частиц высокой энергии вблизи поверхности горизонта событий. Это часто называют парадокс огненной стены, потому что согласно общей теории относительности, если оказаться вблизи горизонта событий черной дыры, ничего необычного не удастся заметить. Основная идея общей теории относительности (принцип эквивалентности) требует, чтобы, если вы свободно падаете к горизонту событий, не должно быть сильной огненной стены частиц высокой энергии. В своей работе Хокинг предложил решение этого парадокса, предположив, что черные дыры не имеют горизонты событий. Вместо этого они имеют кажущиеся горизонты, которые не требуют соответствия огненной стены и термодинамики. Поэтому заявление «черных дыр нет» популярно в прессе.
Но парадокс огненной стены возникает только при излучении Хокинга в чистом виде, и исследование Сабины Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder) показывает, что излучение Хокинга не в чистом виде. В своей статье, Хоссенфельдер показывает, что вместо пары спутанных частиц, излучение Хокинга связано с двумя такими парами. Одна спутанная пара попадает в ловушку черной дыры, в то время как другая убегает. Процесс похож на первоначальное предложение Хокинга, но частицы Хокинга не в чистом виде.
Таким образом, нет никакого парадокса. Черные дыры могут излучать свет таким образом, который согласуется с термодинамикой, и область вблизи горизонта событий не имеет огненной стены, как требует общая теория относительности. В итоге, предложение Хокинга является решением проблемы, которой не существует.
Информационный парадокс черных дыр
Вы наверняка слышали, что черные дыры уничтожают информацию, которая в них попадает. Почему это является такой огромной проблемой для физики, что ученые всеми силами пытаются избавиться от этой нелепой и нелогичной формулировки? Что ж, мир стал довольно сложным. В моем детстве все было проще. Трава была зеленее, газировка вкуснее, а черные дыры были черными. То есть черные дыры сжимали материю и энергию в бесконечно плотные сингулярности, не создавая непреодолимых парадоксов. Это были хорошие дни.
Но им пришел конец. Сегодня черные дыры вмещают все пятьдесят оттенков серого, изгибая законы физики один за другим. Что же такое информационный парадокс черной дыры?
Для начала давайте поговорим об информации. Когда физики говорят «Информация», они имеют в виду конкретное состояние каждой частицы во вселенной: масса, положение, спин, температура и т. д. отпечаток пальца, который уникальным образом идентифицирует каждого, и вероятность того, что эти частицы собираются делать во вселенной. Вы можете взять атомы, раздавить их или сжать вместе, но квантово — волновая функция, которая их описывает, всегда будет сохраняться.
Квантовая физика позволяет вам запускать всю вселенную вперед и назад до тех пор, пока вы обращаете все в своей математике: заряд, четность и время
Это важно. Светлые умы говорят нам, что информация должна жить, несмотря ни на что
Представьте ее в виде энергии. Вы не можете уничтожить энергию: только преобразовать.
Что такое черная дыра? Она образуется, когда крупнейшая звезда с массой в 20 раз превышающей солнечную жестоко коллапсирует и взрывается. Ее плотность материи чрезвычайно высока, скорость убегания превышает скорость света. Особо прикольные имеют перегретый диск аккреции с материей, которая кружится вокруг горизонта событий черной дыры, за пределы которого свет уже не может вырваться никак.
И тут у нас появляется один из самых странных побочных эффектов относительности: замедление времени. Представьте себе часы, падающие в направлении черной дыры, которые засасывает гравитационный колодец. Время будет идти медленнее по мере приближения к черной дыре, пока наконец не замерзнет на краю горизонта событий. Фотоны от часов вытянутся, и цвет часов пройдет через красное смещение. В конце концов, он исчезнет, поскольку фотоны вытянутся за пределы того, что могут обнаружить наши глаза.
Лишь в том случае, если бы вы смотрели на черную дыру миллиарды лет, вы увидели бы все, что она собрала, что застряло внутри, как на липучке. Вы нашли бы и часы, и «Титаник», и теоретически смогли бы определить квантовое состояние каждой отдельной частицы и фотона, который попал в черную дыру. Поскольку потребуется практически бесконечное количество времени, чтобы все испарилось совершенно, все в порядке.
Информация навсегда на поверхности черной дыры сохраняется. Все, что туда попало, определенно погибло, но их информация, их драгоценная квантовая информация, в полном порядке.
В 1975 году Стивен хокинг сбросил на черные дыры бомбу. Он осознал, что у черных дыр есть температура, и с течением огромного периода времени они совершенно испарятся, выпустив массу и энергию обратно во вселенную. Этот процесс был обозначен как излучение хокинга.
Но эта же идея парадокс породила. Информация о том, что попало в черную дыру сохраняется замедлением времени, но сама масса черной дыры испаряется. В конце концов, она совершенно исчезнет, и тогда куда денется информация? Та информация, которая не может быть уничтожена?
Астрономы в шоке. Десятками лет они работают, пытаясь решить этот вопрос. Есть небольшой набор вариантов:
Черные дыры не испаряются вовсе, хокинг ошибся.
Информация в черной дыре каким-то образом утекает вместе с излучением хокинга.
Черная дыра удерживает ее до самого конца, и когда испаряются две последних частицы, вся информация внезапно высвобождается во вселенную.
Информация сжимается в микроскопическое пространство, которое остается после испарения черной дыры.
Черная дыра.
Возможно, физики никогда не смогут выяснить это. Недавно хокинг выдвинул новую идею, которая могла бы разрешить информационный парадокс черной дыры. Он предположил, что есть некий способ, которым излучение хокинга могло бы уносить в себе информацию о новой материи, падающей в черную дыру.
Таким образом, информация обо всем, что падает, сохраняется уходящим излучением, возвращается во вселенную и разрешает парадокс. Но это догадка, поскольку и само излучение хокинга никто не обнаружил. Возможно, мы через много десятков лет узнаем не только то, в правильном направлении мы движемся или нет, но и собственно решение парадокса.
В ситуациях вроде этой мы вспоминаем, как мало знаем о вселенной на самом деле.
Существует несколько типов черных дыр
В зависимости от происхождения черной дыры, ее местоположения в космосе и по большей степени ее массы, ученые классифицировали их на несколько подгрупп.
Черная дыра звездной массы
Является одним из возможных этапов «жизни» звезды. Черная дыра звездной массы является самой маленькой в космическом пространстве по классификации. После полного выгорания термоядерного топлива звезда остывает, снижается ее внутреннее давление и она начинает сжиматься под действием собственной гравитации. Станет ли звезда в конечном итоге черной дырой зависит от ее массы и скорости вращения. Процесс сжатия может остановиться на определенном этапе, тогда звезда станет сверхплотной нейтронной звездой, а может наступить и стремительный гравитационный коллапс, вследствие чего она станет черной дырой.
Чтобы звезда превратилась в черную дыру, теоретически ее масса должна превышать в 3-4 раза массу нашего солнца. Однако, это лишь теория, так как необходимо знать как ведет себя вещество при чрезвычайно сильных плотностях, а это недоступно в условиях экспериментального изучения.
Данный тип значительно массивнее чем черная дыра звездной массы (от 10 до нескольких десятков масс солнца), но значительно меньше чем сверхмассивные черные дыры (от миллиона до сотен миллиардов масс солнца). Считается, что черных дыр средней массы относительно немного, если сравнивать их с меньшими или большими «собратьями». Природа происхождения черных дыр средней массы неизвестна человечеству, по одной из теорий это черные дыры звездной массы увеличившиеся до настоящих размеров за счет поглощения материи, которая входила в ее зону притяжения.
Сверхмассивные (ультрамассивные) черные дыры
Это огромные объекты даже по космическим меркам. Сверхмассивные черные дыры располагаются в центре большинства галактик, они как бы формируют ядро галактики. Сложно представить размер ультрамассивной черной дыры, но он превышает размер нашего солнца в миллионы и миллиарды раз!
В центре нашей галактики Млечный Путь также обнаружена сверхмассивная черная дыра, и называется она Стрелец A*. Масса этой ЧД по разным оценкам превышает массу солнца от 3 до 6,4 млрд раз.
Квантовые черные дыры
Существует гипотеза, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические черные дыры (квантовые черные дыры). На большом адронном коллайдере проводился эксперимент, целью которого было проверить теорию формирования квантовых черных дыр. Однако эксперимент показал, что энергии, которую выдает ускоритель недостаточно для синтеза черных дыр. В теории такие черные дыры живут мгновения и затем исчезают выбрасывая в окружающее пространство большое количество энергии.
Квантовая черная дыра – это предположение, основанное на теории квантовой физики, однако экспериментальных подтверждений ее существования пока получить не удалось.
Могут ли две черные дыры столкнуться
Теоретически это возможно, о чем сказано на официальном сайте НАСА. При столкновении 2-х черных дыр происходит их слияние в единый объект, практически с теми же свойствами, получается сверхмассивная черная дыра.
При этом нужно понимать, что черная дыра это не космический пылесос, который всасывает в себя все что не попадя. Она, как и любой другой объект имеет собственную гравитацию, которая притягивает объекты в зоне досягаемости своей силы тяготения. Чтобы 2 черные дыры слились в одно целое, необходимо чтобы хотя бы 1 из них попала в зону действия гравитации другой. Вероятность такого события увеличивается в системах с двумя массивными звездами, которые переходят в следующую фазу. А также вблизи центра галактики, где, как правило, располагаются сверхмассивные черные дыры и имеется большое скопление звезд.
Теоретически, такое событие как слияние черных дыр во вселенной происходит периодически и в масштабах вселенной это мгновения, а по нашему, человеческому времени на это может уйти не одно десятилетие.
