Возможно, вы слышали, как кто-то сказал: «Мой стол превратился в черную дыру!» Возможно, вы видели астрономическую программу по телевизору или читали журнальную статью о черных дырах. Эти экзотические объекты захватили наше воображение с тех пор, как они были предсказаны Эйнштейном вОбщей теории относительности в 1915 году.
Что такое черные дыры? Они действительно существуют? Как мы можем их найти? В этой статье мы исследуем черные дыры и ответим на все эти вопросы!
Что такое черная дыра?
Aчерная дыра - это то, что остается, когда умирает массивная звезда.
Если вы читали «Как работают звезды», то знаете, что звезда - это огромный, удивительныйтермоядерный реакторПоскольку звезды очень массивны и состоят из газа, существует интенсивное гравитационное поле, которое всегда пытается сжать звезду. Реакции синтеза, происходящие в ядре, подобны гигантской термоядерной бомбе, которая пытается взорвать звезду.баланс между гравитационными и взрывными силами определяет размер звезды.
Когда звезда умирает, реакции ядерного синтеза останавливаются, потому что топливо для этих реакций сгорает. В то же время гравитация звезды втягивает материал внутрь и сжимает ядро. Когда ядро сжимается, оно нагревается и в конечном итоге вызывает взрыв сверхновой, при котором вещество и излучение выбрасываются в космос. То, что осталось, - это сильно сжатое и чрезвычайно массивное ядро. Гравитация ядра настолько сильна, что даже свет не может вырваться наружу.
Этот объект превратился в черную дыру и буквально исчезает из поля зрения. Поскольку гравитация ядра настолько сильна, ядро погружается в ткань пространства-времени, создавая дыру в пространстве-времени - вот почему объект называетсячерной дырой.
Ядро становится центральной частью черной дыры, называемойсингулярностью. Открытие дыры называетсягоризонтом событий.
Вы можете думать о горизонте событий как о устье черной дыры. Как только что-то пересекает горизонт событий, оно исчезает навсегда. Оказавшись внутри горизонта событий, все «события» (точки в пространстве-времени) останавливаются, и ничто (даже свет) не может уйти. Радиус горизонта событий называетсярадиусом Шварцшильда в честь астронома Карла Шварцшильда, работа которого привела к теории черных дыр.
История
Концепция объекта, из которого не может выйти свет (например, черная дыра), была первоначально предложена Пьером Симоном Лапласом в 1795 году. Используя теорию гравитации Ньютона, Лаплас вычислил, что если объект сжать в достаточно маленькую радиус, то скорость убегания этого объекта будет выше скорости света.
Типы черных дыр
Чёрные дыры бывают двух типов:
- Шварцшильд - Невращающаяся черная дыра
- Керр - Вращающаяся черная дыра
Черная дыраШварцшильда - простейшая черная дыра, в которой ядро не вращается. Этот тип черной дыры имеет только сингулярность и горизонт событий.
Черная дыраКерра, которая, вероятно, является наиболее распространенной формой в природе, вращается, потому что вращалась звезда, из которой она образовалась. Когда вращающаяся звезда коллапсирует, ядро продолжает вращаться, и это переносится в черную дыру (сохранение углового момента). Черная дыра Керра состоит из следующих частей:
- Сингулярность - Коллапс ядра
- Горизонт событий - Открытие дыры
- Эргосфера - Яйцевидная область искаженного пространства вокруг горизонта событий (Искажение вызвано вращением черной дыры, которая "тащит" пространство вокруг себя.)
- Статический предел - Граница между эргосферой и нормальным пространством
Если объект попадает вэргосферу, он все еще может быть выброшен из черной дыры, получая энергию от вращения дыры.
Однако, если объект пересекаетгоризонт событий, он будет затянут в черную дыру и уже никогда не выберется оттуда. Что происходит внутри черной дыры, неизвестно; даже наши современные теории физики неприменимы вблизи сингулярности.
Несмотря на то, что мы не можем видеть черную дыру, у нее есть три свойства, которые можно измерить:
- Масса
- Электричество
- Скорость вращения (угловой момент)
На данный момент мы можем надежно измерить массу черной дыры только по движению других объектов вокруг нее. Если у черной дыры есть спутник (другая звезда или материальный диск), можно измерить радиус вращения или скорость движения материи вокруг невидимой черной дыры. Массу черной дыры можно рассчитать, используя модифицированный третий закон движения планет Кеплера или вращательное движение.
Как мы обнаруживаем черные дыры
Хотя мы не можем видеть черные дыры, мы можем обнаружить или предположить их присутствие, измеряя их воздействие на окружающие объекты. Можно использовать следующие эффекты:
- Оценки массы объектов, вращающихся вокруг черной дыры или проникающих в ядро
- Эффекты гравитационной линзы
- Испускаемое излучение
Масса
Многие черные дыры имеют объекты вокруг себя, и, глядя на поведение объектов, вы можете обнаружить присутствие черной дыры. Затем вы используете измерения движения объектов вокруг предполагаемой черной дыры для расчета массы черной дыры.
Вы ищете звезду или газовый диск, который ведет себя так, как будто поблизости находится большая масса. Например, если видимая звезда или газовый диск совершает «колебательное» движение или вращение И для этого движения нет видимой причины, И невидимая причина имеет эффект, который кажется вызванным объектом с массой более трех солнечной массы (слишком большой, чтобы быть нейтронной звездой), то возможно, что черная дыра вызывает движение. Затем вы оцениваете массу черной дыры, глядя на эффект, который она оказывает на видимый объект.
Например, в ядре галактики NGC 4261 есть вращающийся коричневый спиралевидный диск. Диск размером с нашу солнечную систему, но весит 1.в 2 миллиарда раз больше, чем Солнце. Такая огромная для диска масса может указывать на то, что внутри диска находится черная дыра.
Гравитационная линза
Общая теория относительности Эйнштейна предсказала, чтогравитация может искривлять пространство Это было позже подтверждено во время солнечного затмения, когда положение звезды измерялось до, во время и после затмения. Положение звезды сместилось, потому что свет от звезды был искривлен гравитацией Солнца. Следовательно, объект с огромной гравитацией (например, галактика или черная дыра) между Землей и удаленным объектом может преломлять свет от удаленного объекта в фокус, как линза. Этот эффект можно увидеть на изображении ниже.
На изображении MACHO-96-BL5 стал ярче, когда между ним и Землей прошлагравитационная линза. Когда космический телескоп Хаббл посмотрел на объект, он увидел два изображения объекта, расположенных близко друг к другу, что указывало на эффект гравитационной линзы. Промежуточный объект был невидим. Поэтому был сделан вывод, что между Землей и объектом прошла черная дыра.
Излучение
Когда вещество падает в черную дыру со звезды-компаньона, оно нагревается до миллионов градусов Кельвина и ускоряется. Перегретые материалы испускают рентгеновские лучи, которые можно обнаружить с помощью рентгеновских телескопов, таких как орбитальная рентгеновская обсерватория Чандра.
Звезда Лебедь X-1 является сильным источником рентгеновского излучения и считается хорошим кандидатом на роль черной дыры. Как показано выше, звездный ветер от звезды-компаньона HDE 226868 выдувает вещество на аккреционный диск, окружающий черную дыру. Когда этот материал падает в черную дыру, он испускает рентгеновские лучи, как видно на этом изображении:
В дополнение к рентгеновскому излучению черные дыры также могут выбрасывать материалы на высоких скоростях, образуяструи Многие галактики наблюдались с такими струями. В настоящее время считается, что в центрах этих галактик есть сверхмассивные черные дыры (миллиарды солнечных масс), которые производят струи, а также сильное радиоизлучение. Одним из таких примеров является галактика M87, как показано ниже:
Важно помнить, что черные дыры - это не космические пылесосы - они не поглотят все подряд. Итак, хотя мы не можем видеть черные дыры, есть косвенные доказательства их существования. Они были связаны с путешествиями во времени и червоточинами и остаются интересными объектами во вселенной.
Часто задаваемые вопросы о черной дыре
Из чего состоят черные дыры?
Черная дыра - это то, что остается, когда умирает массивная звезда, а ее материя сжимается в невероятно маленькое пространство.
Сколько существует черных дыр?
Ученые подсчитали, что только в Млечном Пути насчитывается от 10 миллионов до миллиарда черных дыр.
Какой самый распространенный тип черной дыры?
Черная дыра Керра, вероятно, самая распространенная форма в природе.
Куда ведут черные дыры?
Если объект пересекает горизонт событий, он будет затянут в черную дыру и уже никогда не выберется. Что происходит внутри черной дыры, неизвестно; даже наши современные теории физики неприменимы вблизи сингулярности.
Какие существуют два типа черных дыр?
Черные дыры двух типов - это Шварцшильда (невращающаяся черная дыра) и Керра (вращающаяся черная дыра).