Черная дыра – что это, как выглядит, описание, строение, характеристики, фото и видео
Космос
Черная дыра – удивительное явление, встречающееся во Вселенной. Оно представляет большой интерес для ученых, однако в процессе его изучения они сталкиваются со многими трудностями. Тем не менее, современные технологии позволяют не только построить теории об устройстве черных дыр, но и проверить их на практике. Более того, в 2019-ом году ученым даже удалось сделать первую в мире фотографию, на которой изображен данный космический объект.
Что такое черная дыра?
Изображение черной дыры с четко выраженным горизонтом событий
Это может показаться странным, но черные дыры являются самыми простыми объектами во Вселенной в плане характеристик. У них есть лишь два параметра: скорость вращения и масса. В астрофизике считается, что они являются финальным этапом эволюции звезд. Когда жизненный цикл светила подходит к концу, оно взрывается, а его центр превращается в черную дыру.
Поверхность новообразованного небесного тела называется горизонтом событий. Но нужно понимать, что у черной дыры отсутствует физическая оболочка. Под данным термином подразумевается лишь пространство на определенном расстоянии от центра, где заканчивается действие силы притяжения. Когда объект или свет пересекает горизонт событий, он уже не может выбраться из черной дыры, поскольку оказывается в сильном гравитационном поле.
Почему черные дыры так называются?
Изначально данные космические объекты назывались коллапсарами. Однако в XX веке журналисты научных изданий начали использовать словосочетание “черная дыра”. Оно так сильно понравилось физику Джону Уиллеру, что он вывел его на уровень официального обозначения.
Черные дыры получили такое название, поскольку полностью поглощают свет, из-за чего их нельзя увидеть. Разглядеть объект можно лишь в том случае, если вокруг горизонта событий находится оболочка из определенного вещества, например, газа. Также черная дыра хорошо заметна, если она впитывает вещество и энергию из расположенной рядом звезды. В противном случае обнаружить ее не удасться, поскольку она будет невидима для человеческого глаза и приборов.
Черная дыра вокруг звездного скопления
Хоть данные объекты и поглощают свет полностью, никак его не отражая, есть гипотеза, что они могут обладать излучением. Во время своего существования черная дыра способна испускать в пространство разные простейшие частицы, большую часть которых составляют фотоны. С физической точки зрения этот процесс напоминает постепенное испарение. На данный момент это явление не доказано, и существует лишь гипотетическая модель. Ученые называют его излучением Хокинга.
Видимыми черные дыры становятся, когда сталкиваются друг с другом. От них в пространство начинают исходить заметные гравитационные волны.
Как появляются черные дыры?
Появление черных дыр напрямую зависит от их массы. По этому параметру они разделяются на две категории: околосолнечные – их вес равен нескольким Солнцам, и массивные – у них данный параметр в миллионы раз больше.
Как черные дыры участвуют в формировании космоса
Исследования показывают, что околосолнечные черные дыры имеют большой возраст и скорее всего появились на ранних этапах формирования Вселенной. Они образовались в результате сжатия звезд, размеры которых в 25-70 раз превышают габариты Солнца. Когда светило прекращало уменьшаться, оно взрывалось, а его центр превращался в черную дыру.
Массивные объекты в большинстве случаев образуются из гигантских газовых облаков. Массы последних как раз хватает, чтобы сформировалась черная дыра больших размеров, которая весит в миллионы раз больше Солнца. На территории Млечного Пути существует одна из таких под названием Стрелец А*. Она находится в 26 тысячах световых лет от Солнечной системы. Эта черная дыра появилась примерно в то же время, что и галактика, и располагается в ее центре. Основным материалом для нее послужило газовое облако, которое сжалось до малых размеров. Также есть версия, что черная дыра в Млечном Пути появилась после взрыва звезды гигантских размеров.
На протяжении своего существования оба вида объектов притягивают из пространства вещества, которые пересекают их горизонт событий. Из-за этого габариты черной дыры постепенно увеличиваются. Более того, если поглощение происходит лишь с одной стороны, она начинает вращаться в определенную сторону.
Какой формы черная дыра?
Все черные дыры вращаются вокруг своей оси. И от скорости напрямую зависит их внешний вид. Если движение происходит медленно, то форма объекта будет сферической. Но когда черная дыра вращается с большой скоростью, ее полюса сплющиваются, из-за чего она становится овальной.
Черные дыры бывают круглыми или овальными
На данный момент современных технологий хватает на то, чтобы определить форму объекта. Но ученым до сих пор не удается узнать, что находится в центре черной дыры. Известно, что там не действуют физические законы, а кривизна пространства стремится к бесконечности. Пока самым распространенным мнением считается, что внутри черной дыры находится сингулярность.
Структура и физика черных дыр
Схема строения черной дыры
Любая черная дыра имеет два основных элемента. Горизонт событий – границу, при пересечении которой объект гарантированно окажется в гравитационном поле, и сингулярность. Последняя наполняет внутреннюю область. Ученые до сих пор не могут определить, что именно находится в ней. Известно, что внутри искажается время и пространство, не действуют законы физики.
Когда черная дыра вращается, вокруг горизонта событий появляется эргосфера. Находящиеся в этой области объекты также движутся в этом направлении. Однако притяжение действует недостаточно сильно, чтобы затягивать их в сингулярность. Соответственно, объекты могут покинуть эргосферу.
Виды черных дыр
Изучение Вселенной позволило ученым выявить четыре вида черных дыр, обладающих определенными особенностями.
Черные дыры звездных масс
Черная дыра звездной массы
Этот вид черных дыр появляется после выгорания топлива в звезде. Когда термоядерная реакция внутри светила прекращается, оно начинает остывать и сжиматься из-за сильной гравитации. Если на определенном этапе процесс остановится, то объект превратится в нейтронную звезду. Но если он продолжится, то в конечном итоге из-за гравитационного коллапса светило станет черной дырой.
Сверхмассивные черные дыры
Сверхмассивная черная дыра
Представители данного класса обладают гигантскими размерами и большой массой. Не так давно американские ученые доказали, что данные объекты обладают гораздо большим весом, чем считалось ранее. Например, по предварительным оценкам, масса черной дыры, расположенной в центре галактики М87, равнялась трем миллиардам солнечных. Но более детальные исследования показали, что этот параметр значительно выше. Для того, чтобы черная дыра способствовала вращению звезд в галактике, она должна весить 6,5 млрд солнечных масс.
Сверхмассивные черные дыры могут появляться как из звезд, так и из газовых облаков. При этом они поглощают большое количество материала из пространства, продолжая наращивать вес и габариты.
Первичные черные дыры
Один из вариантов изображения первичной черной дыры
Существование первичных черных дыр во Вселенной пока не доказано. Считается, что если на ранних этапах формирования космоса в гравитационных полях возникали колебания и появлялись сильные отклонения в их однородности, это могло способствовать образованию подобных объектов. Если первичные черные дыры существуют, то они обладают небольшой массой, которая может быть даже меньше, чем у Солнца.
Квантовые черные дыры
Изображение квантовой реакции при столкновении протонов
Квантовые черные дыры должны образовываться в результате ядерных реакций, в которых задействовано большое количество энергии, равное 10^26 эВ и более. Однако на данный момент человечество не способно преодолеть данный порог, поэтому этот тип объектов имеет лишь теоретическое существование.
Считается, что получить квантовую черную дыру можно в результате столкновения протонов. И если во время процесса выделится много энергии, его результатом станет появление простейшей частицы – максимона. Ее и можно будет считать квантовой черной дырой. Радиус объекта будет примерно 10^-35 м, а масса 10^-5 г, что делает максимон самой тяжелой элементарной частицей.
Сколько черных дыр в нашей галактике?
Галактика Млечный Путь
Обнаружение черных дыр – довольно сложный процесс, требующий долгого наблюдения за космосом и сбора множества данных. Более того, многие подобные объекты остаются незаметными до тех пор, пока не начнут поглощать вещество, находящееся в близлежащем пространстве.
На территории Млечного Пути обнаружено в районе десяти черных дыр, за которыми регулярно ведется наблюдение. Однако внутри галактики могут существовать миллионы подобных небесных тел, причем среди них будут встречаться как небольшие, так и сверхмассивные.
В 2005-ом году была обнаружена неоднородная область, которая постепенно перемещается вокруг центра галактики. Полученные данные указывают на то, что в этом участке Млечного Пути может находиться до 20-ти тысяч черных дыр.
Несколько лет назад японские астрономы открыли объект, расположенный возле Стрельца А*. Его масса равна 100 тыс. солнечным, а диаметр составляет 0,3 световых года. Он также может являться черной дырой.
Самая большая черная дыра
Сравнение размеров самой крупной черной дыры и Солнечной системы (в центре)
Самая крупная черная дыра, известная человечеству, носит название FSRQ блазар, находится в галактике S5 0014+81 и выполняет роль ее ядра. Объект отдален от Солнечной системы на 12 млрд световых лет.
Вес небесного тела составляет 40 млрд солнечных масс, а диаметр примерно 0,026 световых лет. Возраст FSRQ блазар равен примерно 12 млрд лет. Это означает, что она появилась всего лишь спустя полтора миллиарда лет с момента появления Вселенной.
Изучив небесное тело, ученые пришли к выводу, что его ресурсов хватит для того, чтобы просуществовать до эпохи черных дыр и стать одним из последних объектов в космосе. Под данной эпохой подразумевается один из сценариев развития будущего Вселенной, когда практически все звезды галактик погаснут, и большинство из них превратится в черные дыры.
Зачем изучают черные дыры, и сколько их открыто?
Первое фото черной дыры, сделанное в 2019-ом году. На нем изображена сверхмассивная черная дыра галактики M87.
Ученые занимаются изучением черных дыр, поскольку множество свойств Вселенной связано с этими объектами. Они служат центрами галактик и способствуют их вращению. Столкновение черных дыр образует гравитационные волны. Отдельный интерес представляет пространство внутри, которое не подчиняется законам физики. Изучение черных дыр позволяет лучше понять принципы устройства космоса.
На данный момент астрономами обнаружено и изучено в районе десяти дыр. Также ведется наблюдение за большим количеством объектов, которые обладают похожими свойствами. Но имеющейся информации недостаточно, чтобы доказать их принадлежность к классу черных дыр.
Что будет, если попасть в черную дыру?
Если человек окажется в черной дыре, то ничего хорошего с ним явно не случится. Когда любой объект проходит через горизонт событий, он оказывается под влиянием сильного гравитационного поля. Из-за этого с одной стороны его начинает сильно растягивать, а с другой – сплющивать. Данный процесс будет продолжаться до тех пор, пока предмет не разделится на атомы и не сольется с сингулярностью.
Изображение космонавта, затягиваемого в черную дыру
Могут ли черные дыры столкнуться друг с другом?
Столкновение черных дыр
Черные дыры могут столкнуться, но для этого требуется, чтобы они оказались на небольшом расстоянии друг от друга. Чаще всего данный процесс можно наблюдать после угасания двойной звезды. Когда оба светила, расположенных на небольшом расстоянии, превращаются в черные дыры, последние начинают сближение и сталкиваются.
Также это явление возможно при слиянии галактик. Во время этого процесса две дыры из разных звездных скоплений могут оказаться рядом и столкнуться. Но такое явление происходит редко, примерно раз в несколько миллиардов лет.
Когда черные дыры сталкиваются друг с другом, начинается процесс слияния, который длится несколько десятков лет. Во время него объекты становятся единым целым, сингулярность внутри них также смешивается. Фактически, после столкновения черных дыр получается одна, но обладающая гораздо большими размерами.
Изображение белой дыры
Белая дыра является полной противоположностью черной. Ее главная особенность заключается в том, что за ее горизонт событий невозможно проникнуть. Белые дыры также принято называть “безмассовыми сингулярностями”, поскольку внутри них отсутствует материя, а сами они ничего не весят.
Впервые о данных объектах заговорили в 1970-х годах, и с тех пор астрофизики не оставляют надежд найти хотя бы один в космическом пространстве. На данный момент ученые еще ни разу не наблюдали белые дыры, поэтому их существование обусловлено лишь теоретическими данными.
Если черные поглощают свет и не дают ему выбраться за горизонт событий, то белые наоборот, выбрасывают его в пространство с такой силой, что сквозь излучение невозможно прорваться и оказаться внутри. Если такой объект существует в реальности, то он обладает большой яркостью, во много раз превышающей тот же параметр у звезд.
Также есть несколько причин, указывающих на невозможность существования белых дыр. Во-первых, на протяжении своей “жизни” этот объект должен из сингулярности постепенно формироваться в звезду. Получается, он будет испускать в пространство большое количество энергии, но при этом, также и накапливать ее. Это то же самое, если бы горячий объект нагревал пространство вокруг, но и сам сохранял температуру без посторонней помощи. На данный момент такой процесс считается невозможным. Во-вторых, сингулярность внутри белой дыры должна образоваться самостоятельно, а не появиться в результате угасания звезды. Ее спонтанное формирование также считается маловероятным.
Но во вселенной встречаются и намеки на существование белых дыр. К числу таких можно отнести гамма-всплеск. Это явление, во время которого в пространство излучается большое количество энергии.
Как исчезают черные дыры
Иллюстрация медленного испарения черной дыры
На данный момент ученые еще ни разу не наблюдали процесс исчезновения черной дыры, поэтому неизвестно, если ли у данного объекта срок существования. Стивен Хокинг выдвинул теорию, в которой попытался объяснить, как может проходить это явление. Оно получило название “испарение черной дыры”.
Суть теории Хокинга строится на появлении виртуальных частиц. Это попарные микроскопические объекты, которые регулярно появляются в вакууме. И если виртуальные частицы образуются на границе горизонта событий, то они разорвутся. Одна полетит к центру черной дыры, а вторая – в сторону от нее. При этом, первая частица будет обладать отрицательной энергией. Это означает, что черная дыра потеряет количество массы, равное ее весу.
И если такая “бомбардировка” будет продолжаться регулярно, то постепенно небесное тело полностью утратит массу и исчезнет. Но данный процесс займет много времени. Однако у данной теории есть противники, поскольку если черная дыра теряет массу при поглощении объекта, утрата должна компенсироваться весом попавшего внутрь вещества.
Почему черная дыра не засасывает галактику
Рендер изображения черной дыры
Черные дыры, расположенные в центре галактики, постепенно поглощают находящееся вокруг вещество и увеличивают свой объем. Но еще не зарегистрировано ни одного случая, чтобы хотя бы один объект данного типа полностью засосал внутрь себя целое звездное скопление.
Полное поглощение галактики не происходит из-за закона всемирного тяготения и ряда других причин. Черная дыра обладает гравитационным притяжением, но чем дальше от нее находится объект, тем слабее он ощущает на себе его влияние. Также все небесные тела, расположенные в галактике, вращаются по кругу, что замедляет процесс поглощения. Фактически, в этой ситуации черная дыра выступает в роли Солнца, а галактика – это планеты, которые вращаются вокруг него, но на определенном расстоянии.
Если теория “испарения” верна, то она также может объяснить, почему черная дыра не засасывает все вокруг. Впитав достаточно вещества и энергии, она должна такое же количество выбрасывать в пространство. Соответственно, появляется баланс, при котором поглощение прекращается. Некоторые вещества вблизи черной дыры по-прежнему могут затягиваться внутрь, но большая часть галактики не будет ощущать на себе влияние гравитации.
Почему черная дыра не излучает свет
Черные дыры обладают настолько большими массой и гравитацией, что пространство и время внутри них искривляются. Из-за этого ни один объект, пересекший горизонт событий, не способен выбраться наружу, в том числе и свет. Поэтому у черных дыр отсутствует какое-либо излучение.
Интересное видео о черных дырах
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Обнародована первая фотография черной дыры
Расстояние до этой черной дыры — около 50 млн световых лет, или почти 500 квинтиллионов (млн трлн) километров. Чтобы ее сфотографировать, потребовалась сеть из восьми телескопов, расположенных на разных континентах.
"Это одна из самых массивных черных дыр, которые в принципе могут существовать, — добавил профессор. — Абсолютный монстр, чемпион Вселенной в сверхтяжелом весе".
Черное пятно в центре этого снимка — не сам коллапсар, а массивное скопление быстро движущихся звезд. Фото: DR JEAN LORRE/SCIENCE PHOTO LIBRARY: UGC
Это настолько важная новость для всего научного мира, что журналистам объявили о нем на пресс-конференции, которую одновременно провели сразу в шести городах: в Брюсселе, Вашингтоне, Сантьяго-де-Чили, Тайбэе, Токио и Шанхае — на четырех языках.
Дело в том, что до сегодняшнего дня все наши представления о черных дырах были исключительно теоретическими. Само их реальное существование было лишь научной гипотезой — пусть и очень убедительной.
Русская служба Би-би-си постаралась (как можно проще) ответить на самые очевидные возникающие вопросы.
Ученые что, не знали, существуют ли черные дыры на самом деле?
Строго говоря, да, не знали — точнее, не были уверены. И уж точно ни одной не видели — до сегодняшнего дня. Существовали лишь убедительные косвенные доказательства.
На бытовом уровне это можно сравнить с громом и молнией. Мы знаем, что разряд молнии порождает мощную ударную волну, которую мы воспринимаем как гром, и одно без другого существовать не может.
Однако молния может быть скрыта за толстым слоем облаков или высотными зданиями, и тогда мы слышим только удар грома, а самой молнии не видим — но можем с уверенностью предположить, что она была. Хотя и не можем полностью исключить другие объяснения.
До сегодняшнего дня все изображения черных дыр — как эта картинка — были лишь рисунками художников. Фото: NASA: UGC
Примерно так же и с черными дырами. Их существование было предсказано более общими научными теориями (впервые — еще в конце XVIII века) и с тех пор многократно подтверждено расчетами. Но "вещественных доказательств" у ученых не было — а теперь есть.
Кстати, ровно по такому же принципу физики десятилетиями прицельно искали предсказанные ранее гравитационные волны и бозон Хиггса. И в итоге — после десятилетий поисков — нашли и то и другое.
Что мешало сделать фотографию раньше?
Штука в том, что увидеть черную дыру попросту невозможно — ни невооруженным глазом, ни с помощью аппаратуры. Поэтому она и называется черной.
Мы видим те или иные объекты, когда отраженные от них лучи света попадают на светочувствительные рецепторы в наших глазах. В отсутствие света зрение становится совершенно бесполезным.
Представьте себе, что вы находитесь в абсолютно темной комнате, куда не проникает никакой свет. Что вы увидите вокруг? Ничего. Темноту. Даже если пространство вокруг вас заставлено вещами, вы можете их нащупать — но не увидеть.
В комнате вы можете воспользоваться прибором ночного видения: он улавливает невидимое инфракрасное излучение и переводит его в видимую часть спектра.
Однако в случае с черной дырой ее притяжение так велико, что преодолеть его не может никакое излучение, доступное нашим телескопам — ни радиоволны, ни рентгеновское излучение, ни гамма-лучи, — не говоря уже про видимый солнечный свет.
Так что улавливать попросту нечего.
Как же удалось сфотографировать то, что невозможно увидеть никакой аппаратурой?
Строго говоря, на фотографии не сама черная дыра, а ее "внешняя оболочка" — точка невозврата, также известная как горизонт событий.
Так называется область пространства-времени, внутри которой гравитация черной дыры уже не дает вырваться наружу никакой информации, но снаружи у лучей еще есть возможность избежать притяжения.
Черная дыра обладает огромной массой — и сильно искривляет вокруг себя время и пространство. Фото: Science Photo Library: UGC
Уловить и сфотографировать эти лучи — прошедшие по самому краю горизонта событий, но не поглощенные черной дырой — на протяжении многих лет пытался проект Event Horizon Telescope (EHT). Это сложная сеть радиотелескопов, расположенных на разных континентах и совместно анализирующих информацию.
Задача эта не из простых. Время и пространство вокруг черной дыры сильно искривлены, а кроме того, ее окружает плотное облако космической пыли и газа.
Однако после нескольких лет сбора и анализа информации это, наконец, удалось сделать ученым Европейской Южной обсерватории в Чили.
Жесткие диски с информацией, собранной телескопами. Фото: Katie Bouman: UGC
Собранной информации было так много, что переслать ее по интернету было просто невозможно: сотни жестких дисков пришлось свозить самолетами в аналитические центры в Бонне и Бостоне.
"Нам удалось сделать то, что казалось предыдущему поколению невозможным", — заявил руководитель проекта, профессор Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики Шеперд Дойлеман.
Так что же на снимке?
Как объясняет профессор Фальке, идеально круглую черную дыру окружает "огненное кольцо" — это устремляющийся в нее горячий газ, разогретый до невероятных температур.
Газ светится так сильно, что затмевает по яркости несколько миллиардов звезд, расположенных в той же галактике, — поэтому его можно увидеть с Земли.
Сама черная окружность — это область внутри горизонта событий, откуда свет вырваться уже не может. Там перестают действовать все привычные нам законы физики.
Что дальше?
Уже несколько лет та же команда ученых пытается сфотографировать ближайший к нам подобный объект — сверхмассивную черную дыру Стрелец A*, находящуюся в центре нашей галактики Млечный путь.
Расстояние до нее от Земли составляет "всего" около 26 тысяч световых лет, а масса превышает солнечную примерно в 4,3 млн раз.
Как ни странно, сделать этот снимок намного сложнее, чем сфотографировать черную дыру в далекой галактике, поскольку "огненное кольцо" в центре Млечного пути меньшего размера и не такое яркое.
Почему черная дыра так выглядит
Млечный Путь и расположение его центральной черной дыры на фоне Актакамской большой антенной решетки (ALMA)
Мы все полюбовались на фото тени черной дыры в центре нашей галактики, но ученые могли видеть близкое изображение сверхмассивный объектов на своих компьютерах еще с 70-х годов при помощи математических моделей.
Почему мы предсказали именно такое изображение и на сколько предсказание сбылось? Обсудим визуальную анатомию черных дыр!
Из чего состоит черная дыра?
Сингулярность
Когда физики рисуют каой-то объект то любят указать на рисунке и центр его масс. А в случае когда масса переваливает за определённый порог (примерно три солнечные массы) она со временем сожмется в точку.
Рисовать сингулярность, таким образом, очень удобно — центр масс это весь объект.
Все что происходит вокруг сингулярности — отличный природный эксперимент, все аспекты которого были точнейшим образом предсказаны теорией относительности. Легко объяснить какой-то опыт из прошлого, а вот предсказать результат эксперимента будущего — вот настоящее величие физики!
Однако, сама точка в которой находится вся масса сколлапсировавщей звезды не подчиняется законам относительности. Для нее нужна квантовая теория гравитации, которая пока не завершена. Так что мы не знаем, как бы она выглядела если бы можно было ее как-то рассмотреть.
Горизонт событий
Если бы сингулярности не было в природе, физикам стоило бы ее создать! Но, как и большинство самых интересных мест вселенной, сингулярность надежно скрыта горизонтом событий.
В проекции на фоне неба горизонт событий должен иметь вид идеально круглого черного диска, если черная дыра статична или слегка искаженного, если она вращается.
Из-за сильного гравитационного линзирования голые черные дыры могли бы оставлять заметные отпечатки на поле зрения телескопов: черные точки с искажениями по краям.
Однако, размеры горизонтов событий слишком малы по сравнению с расстояниями между космическими объектами, поэтому рассмотреть одинокую черную дыру без газа вокруг невозможно для современных методов.
Аккреционный диск
На расстоянии примерно в 2,6 раза больше горизонта событий начинается стабильная орбита яркого горящего газа. Аккреционный диск позволяет увидеть эффекты черной дыры на снимках.
Область внутри стабильной орбиты неизбежно захватит материю и та упадет в дыру не успев испустить свет. Именно эту область называют «тенью черной дыры».
Если мы смотрим на диск фронтально, то логично увидим круг. А вот в Интерстелларе мы смотрели на Гаргантюа под углом к плоскости аккреции.
При таком ракурсе мы должны видеть яркое кольцо, как вокруг Сатурна, только вокруг черной тени.
Моделирование 1989 года — аккреционный диск черной дыры с разных ракурсов
Свет от задней части аккреционного диска, которая скрыта от нас горизонтом событий летит по криволинейной траектории и у него так же как у материи есть своя стабильная орбита, ниже которой шансы достичь удаленного наблюдателя не высоки.
Свет огибает черную дыру и доходит до нас со стороны, которая должна быть не видна. В результате, вокруг черного круга мы видим как первичное изображение (самого аккреционного диска) так и вторичное — заднюю часть диска мы видим одновременно сверху и снизу в виде светящегося кольца.
Вообще, между стабильными орбитами материи и света излучение, испущенное газовым диском, может совершать множество витков вокруг горизонта событий, как спутники вращающиеся вокруг планет. Если бы удалось попасть туда, мы бы увидели бесчисленное множество вторичных изображений аккреционного диска со всех возможных ракурсов и из разного времени. Возможно, это самое поразительное зрелище во вселенной.
Черная дыра, окруженная ярким диском наблюдается с большого расстояния под углом 10° к плоскости диска
Интенсивность излучения диска зависит только от его температуры, а последняя зависит только от расстояния до черной дыры. Поэтому собственная яркость диска не может быть однородной. Максимальная светимость исходит от внутренних областей, близких к горизонту событий, потому что именно там газ самый горячий.
Кроме того, изображение воспринимаемое отдаленным наблюдателем будет сдвинуто по частоте и интенсивности за счет двух эффектов:
— Эйнштейна, при котором гравитационное поле снижает частоту и интенсивность;
— Доплера, при котором свет движущегося на нас газа будет ярче и более синим, а отдаляющегося темнее и более красным.
Симуляция эффектов Доплела и Эйнштейна для быстро вращающейся черной дыры; белые линии разделяют области синего и красного смещения
Предполагается, что внутренние частицы аккреционного диска двигаются с субсветовыми скоростями, что делает эффект Доплела существенным. В результате мы должны увидеть явно ассиметричное изображение, что является главным признаком именно черной дыры на снимке. Большая, но не сингулярная масса темной материи не должна заставлять газ вращаться на околосветовой скорости.
Жан-Пьер Люмине в 1979 году посчитал эффекты Доплела и Эйнштейна для каждой точки изображения аккреционного диска черной дыры, но графической программы не было на тот момент; Жан-Пьер нанес каждую точку изображения на лист бумаги тушью вручную и взял негатив фотографии бумажного листа
Ручная симуляция Люмине поразительно похожа на модель Кипа Торна для интерстеллара, но не очень похожа на реальную фотографию Стрельца А*.
Слева — модель 1979 года Жана-Пьера Люмине, справа — модель 2014 года Кипа Торна
Дело в том, что модели показывают излучение широкого спектра волн. Наверное, так будет выглядеть черная дыра вблизи для путешественника галактического масштаба. Однако мы — очень далёкий наблюдатель и для получения фото взяли только небольшой фрагмент спектра — миллиметровые радиоволны. До размера миллиметров вытянулись длины волн большей части спектра излучения аккреционного диска за счет эффектов Доплела и Эйнштейна.
Слева — модель 2017 года, по центру — фото Стрельца А*, справа — фото М87 улучшенное программно
Убрав лишние спектры из воспринимаемого нами излучения в 2017 году была получена модель в виде полумесяца, которая уже очень близка к реальной фотографии.
Увидим ли мы то же самое вживую?
Коротко — нет. Взгляд на видимую область вокруг черной дыры подобен взгляду на солнце — без фильтров и коронографов ничего не увидеть.
Цвета использованные в фотографии и симуляциях показывают физические эффекты, но не реалистичное видимое изображение.
Облако газа недостаточно оптически прозрачно чтобы наш глаз напрямую мог рассмотреть что-то кроме яркого пятна.
Да и условия для человека рядом с таким объектом не самые благоприятные.
В общем, хорошо что мы можем прикоснуться к величественному и опасному лишь силой своего разума.
Черные дыры
К моему удивлению моим друзьям понравились мои статьи, и я решил не забрасывать это дело.
Думаю все вы что то, да слышали про черные дыры, да и про них очень много информации, как научной, так и ненаучной, и я попытаюсь как то закрепить все эти представления.
Черные дыры, как и немало астрономических объектов описали вначале в теории, а потом уже и на практике.
Первые предпосылки к их обнаружению были еще в 1700-х годах!
С развитием теории относительности, их описание и изучение очень сильно продвинулось, что привело к созданию множества решений уравнения Эйнштейна для черных дыр. Думаю вам все эти уравнения будут не интересны, и описывать я их не буду. ( в конце статьи я все таки привел пару формул))
Так вот существует 4 типа черных дыр:
2 типа чисто гипотетических. Это дыры которые образовались в период Большого Взрыва, и микроскопические черные дыры.
а реальные черные дыры, это дыры, которые образовались в результате взрыва, или по научному коллапса звезды ( статьи все таки ж образовательного плана) и разросшиеся черные дыры до такой, степени, что они стали просто огромные.
Сверхмассивные черные дыры
находятся в центрах галактик.
Кстати внутри нашей галактики тоже находиться черная дыра и её масса равна 2 500 000 масс солнца .
Такие дыры вполне могут поглощать целые галактики, и сотни звезд!
Так же они имеют некоторые специфические свойства, о которых я расскажу чуть позже.
А пока расскажу о обычных свойствах черных дыр.
Любую черную дыру можно охарактеризовать 2 вещами: горизонтом событий и сингулярностью.
Горизонт событий — это можно сказать радиус, поверхность, черной дыры. Все что попадает за этот горизонт событий неизбежно пропадёт внутри неё.
Думаю все знают о том, чтобы оторваться от земли, выйти за её орбиту нужно достичь определенную скорость. Так вот для того что бы оторваться от так называемой поверхности черной дыры, вам необходимо достичь скорость, большую скорости света, а такую скорость не может достичь даже свет) по этому звезда и поглощает его.
Но пока вы не достигли этого горизонта событий, у вас есть шансы удалиться подальше от черной дыры.
Кстати такой горизонт событий, хоть и нельзя обнаружить (пока что) но его можно рассчитать, взяв за основу массу дыры.
Так для массы Земли радиус черной дыры был бы всего 9 мм. А для Солнца 3 км
За горизонтом событий находиться сингулярность.
Сингулярность — это то место, где изменяется структура пространства-времени.
В сингулярности сила гравитации стремиться к бесконечности, что приводит к тому, что понятие пространства и времени становиться неприменимым. То есть то, что происходит там внутри не ясно, никто не видел, никто не рассказывал. Некоторые считают, что не вращающиеся дыры выглядят как колодец, а вращающиеся возможно представить как червоточину. Это туннель в простве-времени в другое место, или даже измерение.
Как я уже говорил, в свермассивных черных дырах есть небольшие отличия в свойствах. Они отличаются тем, что несмотря на значительную массу, её средняя плотность может быть даже меньше чем у воздуха! (почему так, я привел в конце статьи) А еще горизонт событий становиться расплывчатым, и сингулярность находиться глубоко внутри дыры.
Поглощение звезд и вечная молодость
Как я раньше говорил очень часто случается так, что звездные системы состоят из двух звезд.
И что же происходит в тех случаях, когда одна звезда стала черной дырой, и они находятся на достаточно близком расстоянии?
Правильно, черная дыра начинает поглощать звезду, при это она образует вокруг себя аккреционный диск.
Таким образом черные дыры увеличиваются в размерах и массе. Казалось бы, эта штука может только поглощать, а выпускать ничего не может, даже свет, значит она будет расти жить вечно!
Но не тут то было. Умный Хокинг придумал излучение Хокинга, которое показывало, что хрен тебе, а не вечная жизнь черная дыра. То есть она со временем испаряется, в виде элементарных частиц.
На горизонте событий одна частица находиться внутри него, а другая отлетает от него.
В итоге черные дыры рождаются, и со временем умирают. Ничего особенного)
Кстати существует статья, опровергающая то, что попав в черную дыру, мы увидим конец вселенной.
Пожалуй о черных дырах все.
Но ученым оказалось мало загадок в структуре черных дыр, по этому они решили вывести белые дыры.
Белые дыры это чисто гипотетический объект, полная противоположность черным дырам. В неё ничего не может попасть, она отражает абсолютно все. То есть она отражает 100% света, а значит что она будет светиться покруче дискошара на дискотеке. Эдакий инь-янь выходит во вселенной.
Теперь думаю можно закончить и статью.
А для гиков могу написать, как вычисляется масса и радиус черных дыр.
Радиус вычисляется с помощью формул Шварцшильда :
в этой формуле М — масса дыры, с — скорость света , а G — гравитационная постоянная.
Среднюю плотность тоже можно вычислить по формуле:
Как видите масса и плотность обратно пропорциональны,причем масса в квадрате, отсюда следует, что чем больше масса, а соответственно и радиус, тем меньше её средняя плотность.
Согласно теории испарения Хокинга, черные дыры испаряются, а продолжительность их жизни можно вычислить: