Чёрная дыра

Смоделированное изображение черной дыры.

Черная дыра - это астрономическое тело, настолько плотное, что его вторая космическая скорость превышает скорость света. Единственный известный в настоящее время механизм образования новых черных дыр - это коллапс ядра массивной звезды, в результате которого образуются черные дыры размером не менее трех масс солнца. Черные дыры могут сливаться и образовывать сверхмассивные черные дыры, которые были обнаружены в плотных центральных областях галактик. Долгое время считавшимся теоретическим, научный консенсус заключался в том, что черные дыры существуют из-за убедительных косвенных доказательств из нескольких направлений исследований: спектроскопии аккреционного диска, звездных орбит и обнаружения гравитационных волн от слияния черных дыр, пока одна из них не была наконец получена в апреле. 2019 г. , и оставшиеся сомнения окончательно развеялись. Более старые источники могут по-прежнему относиться к черным дырам как к чисто гипотетическим объектам. В то время как астрофизические данные показывают, что черные дыры или что-то, что действует точно так же, как это, реально, теоретически черные дыры являются парадоксальными объектами и вызывают множество теоретических дискуссий, которые легко путаются с астрофизической реальностью их существования. Даже физики виновны в бессмысленных предположениях, содержащих недоказуемые или недопустимо труднодоказуемые утверждения. Общая теория относительности, по сути, предсказывает, что она не может предсказать, что происходит в самом центре черной дыры. Согласно ОТО образовалась бы бесконечно плотная сингулярность. Но если квантовая физика верна, такой объект не может существовать; он должен иметь физический размер, даже если он очень мал. Эту несовместимость необходимо решить с помощью теории квантовой гравитации. Стивен Хокинг предсказал, что черные дыры будут излучать очень слабое излучение (излучение Хокинга) из-за квантовых эффектов. Парадокс информации о черной дыре состоит в том, что не было найдено математически строгого способа сопоставить информацию, попадающую в черную дыру, и информацию, заключенную в излучении Хокинга. Предложенное Хокингом решение привело его к провозглашению «черных дыр не существует», что не соответствует действительности; это правда только в очень техническом смысле, понятном только физикам. Никто не разрешил парадокс. Нобелевские премии ожидаются для каждого, кто это сделает. Однако объекты с такими экстремальными свойствами также привлекают различные виды псевдоученых. Например, Нассим Харамейн утверждает, что решил проблему квантовой гравитации в своем «Резонансном проекте». Удобно также подключение к храму Осириса в Египте, И Цзин, Каббала и круги на полях. Именно эти люди хотят активировать детекторы чуши, чтобы избавить экспертов от попыток проанализировать их дерьмо.

Существование и становление

Первое настоящее изображение черной дыры, полученное телескопом Event Horizon.

В центре нашей и большинства других галактик есть черные дыры размером от тысяч до миллиардов солнечных масс. Они могли быть созданы сжатием, вызванным огромной центральной массой звезд, взаимно притягивающих друг друга, пока гравитация не превысила внутреннее давление. Эти «сверхмассивные» черные дыры настолько гравитационно мощны, что их влияние на реальное движение звезд на близкой орбите вокруг них может быть легко обнаружено (с помощью подходящего оборудования).

Предполагается, что черные дыры образуются в результате коллапса крупных звездных объектов, когда гравитация объекта становится значительно больше, чем внутреннее давление или огромными сжимающими силами внутри (взрывающихся) сверхновых. Было высказана гипотеза о том, что черные дыры могли быть созданы во время или примерно во время Большого взрыва. Эти черные дыры могли быть крошечными по сравнению со звездными черными дырами, и многие из них, вероятно, к настоящему времени распались бы до обычной материи.

Согласно общей теории относительности, черные дыры обладают только тремя отличительными характеристиками: масса, угловой момент и электрический заряд. Две черные дыры с одинаковой массой, угловым моментом и зарядом - действительно идентичные объекты. По этой причине некоторые физики предполагают, что черные дыры могут быть разновидностью элементарной частицы, хотя и макроскопической.

Наблюдаемые свойства

Как выглядит гравитационное линзирование.

Теоретически черные дыры обладают многими необычными свойствами, из которых, возможно, наиболее заметным является релятивистское искажение времени и пространства. Они почти наверняка были обнаружены путем наблюдения излучения, испускаемого потоками материи от двойных звезд, втекающих в черную дыру со скоростями, приближающимися к скорости света, и линзирующим эффектом на свет от более далеких тел, когда он проходит близко по пути к Земле. Еще один метод обнаружения черных дыр - изучение их влияния на орбиты близлежащих объектов, особенно звезд.

В 2015 году гравитационные волны, вызванные столкновением двух далеких черных дыр, были впервые обнаружены с помощью двух детекторов лазерной интерферометрической обсерватории гравитационных волн (LIGO), что подтвердило существование гравитационных волн, что является основным предсказанием общей теории относительности (и, поскольку эти гравитационные волны совпали с предсказанными для столкновения двух черных дыр, что является очень убедительным доказательством существования этих небесных тел). О наблюдении было объявлено в 2016 году.

В 2019 году первое изображение черной дыры (точнее, так называемой ее тени) было получено телескопом Event Horizon

Ненаблюдаемые свойства

Для черных дыр характерен «горизонт событий». Это воображаемый сфероид вокруг объекта с радиусом, пропорциональным массе объекта, при котором связь «изнутри» с «снаружи» становится невозможной (но см. примечание ниже). Многие релятивистские эффекты становятся очевидными на таком расстоянии. Расстояние горизонта событий от центра черной дыры называется радиусом Шварцшильда. (r_s), и прямо пропорционален массе черной дыры. r_s = 2.95 километров на солнечную массу.

Гипотетические свойства

Гипотетически возможно, что черные дыры не имеют «физических измерений» & mdash; то есть объект внутри горизонта событий является истинной квантовой сингулярностью: бесконечно плотной, бесконечно малой точкой массы. Однако на сегодняшний день мы не знаем, как это проверить. Одна из «новейших» гипотез («теория Брэна») относительно базовой структуры вселенной предполагает, что черные дыры могут содержать «точки соединения», известные как червоточины между вселенными, в которых материя / энергия передаются из одной Вселенная в другую. Это чистая догадка и, вероятно, так и останется. Также обратите внимание, если эта идея вселила ваши надежды, что любая материя, проходящая через такую точку соединения, будет измельчена огромными приливными силами черной дыры, прежде чем она сможет пройти, и горло червоточины будет недолговечным, так что вы в конечном итоге будете раздавлены до субатомных размеров.

Другое предположение состоит в том, что темная материя, из которой вселенная в основном состоит, может состоять из очень большого количества микроскопических черных дыр. Это, однако, было исключено или, по крайней мере, они составляли значительную часть этого. .

Чем черные дыры не являются

Черная дыра - это не :

• Дыра (эквивалент двумерной (плоской) дыре в стене). Дыра в космосе выглядит как сфера или, самое большее, как сплюснутый сфероид, если бы она вращался достаточно быстро, но и за исключением червоточин, как отмечалось выше, она никуда не уносит, включая загробную жизнь. Если вас поймают, ваша масса добавляется к массе черной дыры, поэтому, если есть загробная жизнь, вы отправитесь туда обычным образом ... при условии, что на души не действует гравитация. Это также означает, что неправильно рассматривать их как своего рода воронку в двухмерном пространстве (аккреционным дискам вокруг них нечего видеть).
• (Полностью) черная. Если вы смотрели фильм «Интерстеллар» (если нет, см. изображение здесь), или приведенное выше изображение реальной черной дыры, вы можете увидеть, как мы можем ее обнаружить благодаря всей этой материи, падающей в нее, так и гравитационному линзированию, которое она вызывает на все, что находится за ней. Еще есть излучение Хокинга, даже если оно настолько слабое (и чем массивнее дыра, тем она слабее и, следовательно, тем труднее обнаружить), что в большинстве случаев вообще не заметна, и, как утверждают другие Wiki, это действительно очень хорошее приближение к тому, чтобы сказать, что черная дыра «черная».
• Космический пылесос. За исключением приливных сил и того, что даже свет не может выйти из нее , черная дыра имеет такое же гравитационное притяжение, что и объект аналогичной массы (звезда и т. д.), С той лишь разницей, что дыра настолько мала и не излучает никакого излучения. Само по себе, за исключением очень слабого излучения Хокинга, можно было бы позволить гипотетическому космическому кораблю двигаться по орбите намного ближе, чем к звезде аналогичной массы (предполагая, что это черная дыра звездной массы). Звезда или даже целая их галактика могут вращаться вокруг черной дыры без вредных последствий (лучший пример: наша галактика Млечный Путь).
• Магия. Черные дыры, несмотря на все их странные свойства, по-прежнему являются объектами этой Вселенной, которые подчиняются тем же законам физики, которым должны подчиняться все вещи в последней, поэтому их можно объяснить указанными законами, даже если те, которые мы сейчас ломаются при рассмотрении того, что происходит в их центрах.

Излучение Хокинга и испарение черной дыры

Физик Стивен Хокинг предположил, что черные дыры медленно теряют массу в результате процесса, получившего название «излучение Хокинга». В своей теории Хокинг утверждал (используя здесь очень и очень простое объяснение), что когда виртуальные частицы появляются рядом с горизонтом событий черной дыры из энергии вакуума, что один из пары будет втянут в черную дыру, а другой улетит в космос. Поскольку пара была создана из энергии вакуума, они должны немедленно аннигилировать друг друга, чтобы отдать энергию обратно в вакуум, чтобы удовлетворить первый_закон_термодинамики. Когда этого не происходит, черная дыра расплачивается за эту энергию, медленно отдавая часть своей собственной. Считается, что в результате этого процесса даже самые большие черные дыры в конечном итоге исчезнут (где «в конце концов» относится к невероятно долгим временным рамкам, даже по космологическим стандартам).

Таким образом, черная дыра с массой в одну Солнечную (2 x 10 ³⁰ кг) просуществовала бы 2 x 10 ⁶⁷ лет, а черная дыра с массой 1 грамм - длиться 8 x 10 ^-26 секунд. Важно отметить, что даже если математика, лежащая в основе этого метода, работает, излучение Хокинга пока является теоретической концепцией, поскольку его обнаружение «далеко за пределами» наших нынешних технологических возможностей.

Микро черные дыры

Гипотетически любой процесс & mdash; в любом масштабе & mdash; который сжимает материю в пространство меньшее, чем его собственный Радиус Шварцшильда, создаст черную дыру. Это могло произойти, если бы субатомные частицы врезались друг в друга с достаточной энергией, создав тем самым микроскопическую черную дыру. Некоторые противники Большого адронного коллайдера (БАК) предсказывали, что он создаст такую микрочерную дыру, которая поглотит Землю и обречет всех нас. Им не о чем беспокоиться. Во-первых, некоторые космические лучи, бомбардирующие атмосферу Земли, сталкиваются с большей энергией, чем столкновения в LHC, и ни одно из них еще не поглотило Землю. Во-вторых, даже если микроскопическая черная дыра «действительно» возникнет, она испарится из-за излучения Хокинга так быстро, что не успеет «что-нибудь проглотить». (Черная дыра массой 1000 протонов испарится за ~ 10 ^-88 секунд.) При 10 ³² K каждая частица материи становится своей собственной черной дырой, и обычное понимание пространства и времени подходит к концу.

Істория

Удивительно:

“” Статья, написанная преподобным Джоном Мичеллом в 1783 году [опубликованная в 1784 году], была обнаружена в 1970-х годах. Это первое известное обсуждение концепции черной дыры. Джон Мичелл (1724–1793) родился за три года до смерти Исаака Ньютона. Он стал известным британским геологом и астрономом, а позже был признан «отцом сейсмологии» в его исследовании землетрясений. Ему также приписывают идею двойных звезд, демонстрацию закона обратных квадратов в магнетизме, и он был изобретателем торсионных весов, прежде чем инициировал эксперимент по взвешиванию Земли, позже завершенный Кавендишем.

Однако между «черной дырой» Мичелла и современными черными дырами есть различия. В модели Мичелла звезда все еще светит, но частицы света вытягиваются обратно на поверхность звезды. Это похоже на мяч, брошенный на поверхность земли со скоростью, меньшей скорости убегания. В общей теории относительности ничто не может выйти за пределы горизонта событий. Более того, в ОТО вся масса находится в одной точке. В теории Мичелла это не так.

Внешние ссылки

• How Black Holes Work
• Hubble.org on the subject