Сколько во вселенной черных дыр?

Как выглядят черные дыры

Черные дыры имеют три «слоя»: внешний и внутренний горизонт событий, а также сингулярность.

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.

[править] И что?

ЖРЕМ ЗВЁЗДЫ@ПИЗДИМ СВЕТ

А всё. Попавший в чёрную дыру обратного хода уже не имеет. В системе отсчёта, связанной с самим телом, время падения будет конечно. Впрочем, с точки зрения внешнего наблюдателя, ему наоборот гарантирована вечная жизнь, парадокс времени из той же ОТО обеспечивает бесконечное время наблюдаемого ухода объекта под радиус Шварцшильда (если этот радиус не растёт со временем). Хотя, конечно, всё это — мелочи. Средняя шварцшильдовская чёрная дыра порвёт этого героя задолго до достижения горизонта событий. Для полноты картины следует сказать, что радиус ЧД прямо пропорционален массе, а так как объём пропорционален кубу радиуса, то с ростом массы средняя её плотность будет быстро падать. У сверхмассивных чёрных дыр с массой в сотни миллионов солнечных масс средняя плотность может быть даже меньше плотности воздуха. Или по-другому: радиус ЧД пропорционален массе, которая сосредоточена в центре, а напряжённость гравитационного поля снижается как квадрат расстояния. Итого: чем больше масса сабжа, тем меньше гравитационное поле на её границе. Поэтому при пересечении границы чёрной дыры достаточно большой массы (то есть сверхмассивной ЧД) испытуемый не заметит ничего необычного, хотя на самом деле пиздец уже не за горами, и назад таки дороги нет. Со временем такой анонимус будет неизбежно затянут в сингулярность с предсказуемым результатом. Причём никакие хитрые манёвры не спасут — время достижения центра в собственной системе отсчёта вполне себе конечно.

Важно отметить следующее: все вышесказанные рассуждения верны для модели Шварцшильда со сферическим распределением массы, то есть для черной дыры, которая не вращается. Но так как большинство космических объектов (звёзд, скоплений, галактик) всё-таки вертится, то по закону сохранения момента импульса умирающая звезда будет хуячить обороты как бешеная

Вполне возможно, что её разорвёт на куски ещё на фазе сжатия, если, скажем, частота вращения превысит 40 оборотов в секунду. Но если ей повезёт, то получится ещё хуже. Дело в том, что если невращающаяся ЧД формально похожа на колодец, то вращающаяся — уже на червоточину, и теоретическая физика не отрицает возможности существования безопасных траекторий внутри оной. Однако сама возможность таких путешествий заставляет физиков всего мира срать кирпичами, а фантастов, соответственно, клепать свои бредни о машинах времени и параллельных вселенных, от которых учёные пуще прежнего рвут волосы на жопе.

Также, благодаря незыблемым законам термодинамики, чёрные дыры имеют свойство «испаряться» сами по себе, особенно мелкие, квантовые (вообще, чем меньше масса, тем сильнее). Высокие перепады сил гравитации (aka приливные силы) обеспечивают вероятность создания в малой окрестности пар частица-античастица, одна из которых проваливается в дыру, а другая улетает наружу, тем самым унося с собой часть массы дыры. Постепенно такая утечка массы и испаряет дыру. И то, согласно квантовой теории гравитации, . Потому что полное исчезновение горизонта ведёт к нарушению принципа причинности, так как непонятно, в каком вообще времени должно оказаться тело, когда вернётся из дыры, если рассматривать его в собственной системе отсчёта.

Впрочем, стоит заметить, что по состоянию на начало 2020 года теории, которая бы объединяла квантовую механику и гравитацию, нет, поэтому, в общем, хрен знает, что там на самом деле происходит.

Кроме того, существует проблема, связанная с потерей информации. Если вкинуть внутрь ЧД томики Пейсателя (где им и место), книжки разорвет на кванты и засосет. Со временем за счет излучения Хокинга масса уменьшится к первоначальной. И если ленточки из шредера склеить можно, то вот из излучения ничего не соберешь. Получается, что ЧД такой себе добротный биореактор, в котором происходит необратимый процесс переработки информации в хуету. Проблема в том, что если такое происходит на самом деле, то квантовая механика обречена на забвение.

Матан вкл/выкл 

На самом деле чёрные дыры являются одними из самых простых объектов в теорфизике. Для полного описания чёрной дыры необходимо всего лишь 3 числа: масса, заряд и момент импульса. Это, разумеется, не означает, что неебически сложной метрикой, пульсациями, схлопываниями сингулярности и прочими радостями можно пренебречь. Но для стороннего наблюдателя все представители сабжа, у которых одинаковы эти три параметра, будут абсолютно идентичны, о чём, кстати, и говорит эпиграф.

Связь с теорией относительности

Черные дыры являются одним из самых удивительных предсказаний А. Эйнштейна. Известно, что сила тяготения, которая создается на поверхности любой планеты, обратно пропорциональна квадрату ее радиуса и прямо пропорциональна ее массе. Для этого небесного тела можно определить понятие второй космической скорости, которая необходима, чтобы преодолеть эту силу тяготения. Для Земли она равна 11 км/сек. Если же масса небесного тела будет увеличиваться, а диаметр – наоборот, уменьшаться, то вторая космическая скорость со временем может превысить скорость света. И поскольку, согласно теории относительности, никакой объект не может двигаться быстрее скорости света, то образуется объект, не дающий ничему вырваться за его пределы.

В 1963 году учеными были обнаружены квазары – космические объекты, являющиеся гигантскими источниками радиоизлучения. Располагаются они очень далеко от нашей галактики – их удаленность составляет миллиарды световых лет от Земли. Чтобы объяснить чрезвычайно высокую активность квазаров, ученые ввели гипотезу о том, что внутри них располагаются черные дыры. Эта точка зрения сейчас является общепринятой в научных кругах. Исследования, которые проводились в течение последних 50 лет, не только подтвердили данную гипотезу, но и привели ученых к выводу о том, что черные дыры есть в центре каждой галактики. В центре нашей галактики также есть такой объект, его масса составляет 4 миллиона солнечных масс. Эта черная дыра носит название «Стрелец А», и поскольку она расположена ближе всего к нам, ее больше всего исследуют астрономы.

Что такое радиус Шварцшильда и как он связан с чёрными дырами?

В математическом смысле всё что угодно может стать чёрной дырой, но при условии, что есть возможность сжать объект до достаточно малых размеров, при этом сохранив его массу. Всё во Вселенной имеет так называемый гравитационный радиус или радиус Шварцшильда. Это радиус сферы, до которого нужно сжать объект, сконцентрировав всю его массу в столь малом объёме, что его плотность станет настолько большой, а его гравитационное поле станет так велико, что даже свет не сможет избежать притяжения этого объекта. Размер чёрной дыры, а точнее — радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и чёрная дыра может быть сколь угодно велика.

[править] Как оно работает

Месье знает толк в извращениях

С точки зрения классических теорий, при некоторой гравитации, в некотором линейном размере пространства, вторая космическая скорость (то есть та скорость, что требуется для отрыва от объекта в прекрасное далёко) на радиусе Шварцшильда превышает скорость света, а значит, даже свет не сможет уйти наружу, не то что какое-либо тело. Этот радиус как раз и соответствует равенству второй космической скорости и скорости света и является условной внешней границей дыры. Условная поверхность сферы, из которой уже не выбраться, называется горизонтом событий.

В рамках же общей теории относительности и модели Шварцшильда, для любого физического тела существует гравитационный радиус, такой, что если это тело в него скукожить, то тензор энергии-импульса породит сферу с бесконечной кривизной. Это очевидно. Разумеется, что тело из этой сферы уже выбраться не сможет, как и всё то, чему не повезло туда влететь. Как правило, вещество до такого состояния доводят коллапс умирающих звёзд и столкновения частиц со сверхвысокими энергиями. Но об этом ниже.

А вот струнщикам сабж показался недостаточно кошерным, поэтому они запилили свою чёрную дыру с формулами и уравнениями. Физики старой закалки ехидно смеются и тыкают пальцами… или тайно завидуют, что до них не дошло это раньше.

Как получилось, что в центре крупных галактик встречаются чёрные дыры?

Из множества миллиардов галактик, составляющих наблюдаемую Вселенную, более миллиона уже были проанализированы. В центрах многих крупных галактик присутствуют чёрные дыры. Как так вышло? Чтобы понять это, нужно вернуться к самому началу — к Большому взрыву. Материя и энергия вырываются наружу и Вселенная начинает расширяться. Именно Большой взрыв даёт нам все компоненты для рождения: водород, гелий и другие элементы.

В течение десятков миллионов лет облака водорода сливались, становясь всё плотнее. Некоторые становятся такими горячими, что воспламеняются. Рождаются первые звёзды — гиганты, размером в сотни раз превышающие наше Солнце. Они быстро выгорают и взрываются, образуя вспышку сверхновой. Более крупные галактики поглощают более малые галактики, и если одна галактика съедает другую, в центре которой была чёрная дыра, значит она съедает и эту чёрную дыру. Она перемещается в центр новой галактики, делая её больше.

Теория черных дыр

Черные дыры — чрезвычайно массивные объекты, но охватывают сравнительно скромный объем пространства. Кроме того, обладают огромной гравитацией, не позволяя объектам (и даже свету) покинуть их территорию. Однако, напрямую увидеть их невозможно. Исследователям приходится обращаться к излучению, появляющемуся, когда черная дыра питается.

Черные дыры в сливающихся галактиках

Интересно, но бывает так, что вещество, направляющееся к черной дыре, отскакивает от горизонта событий и выбрасывается наружу. При этом формируются яркие струи материала, передвигающиеся на релятивистских скоростях. Эти выбросы можно зафиксировать на больших дистанциях.

Черные дыры – удивительные объекты, в которых сила тяжести настолько огромна, что может сгибать свет, деформировать пространство и искажать время.

В черных дырах можно выделить три слоя: внешний и внутренний горизонт событий и сингулярность.

Горизонт событий черной дыры – граница, где у света пропадают все шансы на бегство. Как только частичка переходит этот рубеж, она не сможет уйти. Внутренняя область, где находится масса черной дыры, называется сингулярностью.

Черная дыра Млечного Пути может являться источником высокоэнергетических нейтрино

Если мы говорим с позиции классической механики, то ничто не может покинуть черную дыру. Но квантовая вносит свою поправку. Дело в том, что у каждой частицы есть античастица. Они обладают одинаковыми массами, но разным зарядом. Если пересеклись, то могут аннигилировать друг друга.

Когда такая пара возникает за пределами горизонта событий, то одна из них может втянуться, а вторая оттолкнется. Из-за этого горизонт способен уменьшиться, а черная дыра разрушиться. Ученые все еще пытаются изучить этот механизм.

Наиболее известные черные дыры