Если говорить о классической механике, то ничто не может покинуть черную дыру. Но квантовая механика вносит поправку. Дело в том, что у каждой частицы есть античастица. Они имеют одинаковую массу, но разный заряд. Когда они пересекаются, они могут аннулировать друг друга.
Черные дыры: откуда они взялись и почему ученые так ими интересуются
Во Вселенной существуют триллионы различных объектов, природа которых еще не до конца понятна современной науке. Среди этих объектов — черные дыры, одно из самых странных явлений во Вселенной, о существовании которого не подозревали даже писатели-фантасты. Hytech объясняет, как были открыты черные дыры и сможет ли человечество использовать их в будущем.
Читайте «Hitech» на
Что такое черная дыра
Черная дыра в классическом понимании — это область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько сильно, что ни один объект, движущийся со скоростью света, не может покинуть ее. Даже сами световые кванты.
Граница черной дыры называется горизонтом событий, а ее размер — гравитационным радиусом. Черные дыры притягивают материю, которая образует вокруг них аккреционный диск — огромную структуру вокруг черной дыры, которая быстро вращается. Благодаря материи, которая светится при вращении, ученые смогли доказать существование черных дыр. Во время этого процесса только небольшая часть этой материи попадает в черную дыру; остальная отправляется обратно в космос в виде одной или нескольких плазменных струй, траектория которых совпадает с линиями магнитного поля. Некоторые черные дыры движутся со скоростью 99% от скорости света.
В астрофизике в настоящее время существует четыре основных сценария образования черных дыр.
— Гравитационный коллапс очень большой звезды. Согласно этой гипотезе, практически любая звезда с массой более трех солнечных масс, которая уже исчерпала все термоядерные реакции, может в конце своей жизни превратиться именно в такую сверхплотную материю, нейтронную звезду, которая необходима для такой искривленной части Вселенной. По сути, это звезда, которая разрушается под действием собственной гравитации, увлекая за собой пространственно-временной континуум. Гравитационное поле этого объекта настолько сильно, что даже свет не может избежать его. По этой причине эту область также называют черной дырой.
— Коллапс центральной части галактики или области протогалактического газа. На самом деле, процесс образования черной дыры в этой гипотезе очень похож на первый вариант, с той лишь разницей, что часть галактики разрушается под собственным весом, а не одна звезда. Эта гипотеза основана на наблюдении ученых, что почти каждая галактика имеет в своем центре черную дыру. Это несовместимо с версией, согласно которой черные дыры образуются из коллапсирующих звезд.
— Появление черных дыр в момент начального расширения Вселенной, так называемых первобытных черных дыр. Согласно этой гипотезе, сразу после Большого взрыва давление и температура в космосе были чрезвычайно высокими. В этих условиях простые флуктуации плотности материи, такие как начало расширения Вселенной, были достаточно значительными, чтобы создать регионы с такой гравитацией. В то же время большинство регионов с высокой плотностью удалялись друг от друга из-за расширения Вселенной. Космологи также предположили, что первичные черные дыры с массами от 10 14 до 10 23 кг могут быть темной материей. Это самые тяжелые кандидаты на темную материю.
— Возникновение черных дыр в высокоэнергетических ядерных реакциях. Такие реакции используются для изучения частиц в адронных ускорителях.
Кроме того, ученые часто называют черными дырами объекты, которые не полностью отвечают их точному определению, а лишь приблизительно описывают их свойства. В эту категорию также входят звезды, находящиеся на последних стадиях коллапса.
С 1970-х годов среди астрофизиков существует теория о белых дырах, полной противоположности черных дыр, которые не пропускают материю и энергию внутрь себя, а только выбрасывают их. Согласно математическим расчетам, белые дыры должны выбрасывать энергию и материю в огромных количествах, но до сих пор ученым не удалось найти никаких доказательств существования этих космических объектов. Существует множество теорий о происхождении белых дыр, начиная от того, что белая дыра — это Большой взрыв, и заканчивая появлением этого объекта в результате смерти черной дыры. Компания Hitech подробно рассказывала об этом типе космических объектов здесь.
Открытие черных дыр
Идея о том, что существует массивное тело, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, необходимая для его преодоления, превышает скорость света (и которое поэтому физически не может существовать во Вселенной), была впервые выдвинута английским ученым Джоном Мичеллом в 1784 году.
В своем письме в Королевское общество он объяснил, что в космосе может существовать множество таких ненаблюдаемых объектов с радиусом 500 солнечных радиусов, но плотностью Солнца, гравитация которых не позволит свету вырваться наружу.
Однако эта гипотеза была вскоре забыта, поскольку скорость света не имеет фундаментального значения в классической физике. Только после того, как Альберт Эйнштейн использовал развитие электродинамики Лоренца в своей специальной теории относительности (СТО) в 1905 году, скорость света стала казаться пределом, которого может достичь физическое тело. Это коренным образом изменило концепцию черных дыр в теоретической физике.
Следующий важный вклад в их изучение внес индийский нобелевский лауреат Субраманиан Чандрасекар, который написал монографию, имеющую фундаментальное значение в этой области, под названием «Математическая теория черных дыр». Он изучал структуру массивных звезд и их возможное превращение в нейтронные звезды или черные дыры. Он также первым сформулировал теорию «не-скрипа» — что стационарная черная дыра не имеет никаких внешних характеристик, кроме массы, импульса и определенных зарядов (особенно для различных материальных полей).
Фактически, существование черных дыр было доказано только в 2015 году, а первое изображение их тени было сделано в апреле 2019 года — открытие, которое многие ученые назвали самым важным научным открытием последнего десятилетия.
Существуют различные типы черных дыр:
- Черная звезда звездной массы. Согласно общепринятым гипотезам, такие объекты образуются в результате коллапса звезды. Минимальная масса тела для создания такого объекта составляет около трех солнечных масс.
- Черная звезда промежуточной массы. Промежуточная стадия черной дыры, которая увеличилась в результате поглощения скоплений газа в себя или в соседнюю звезду в системе пар звезд.
- Сверхмассивные черные дыры. Объекты с массой от 10,5 до 10,11 солнечных масс, относительно низкой плотностью и слабыми приливными силами. Это тип черной дыры, которая находится в центре Млечного Пути.
- Негабаритные черные дыры. Довольно редкое явление во Вселенной. В центре галактики Holm 15A, самой яркой галактики скопления галактик Абель, ученые недавно обнаружили сверхмассивную черную дыру с массой 40 миллиардов солнечных. Это самый тяжелый объект во Вселенной, известный ученым на сегодняшний день. Объект был обнаружен исследователями во время наблюдения за движением звезд в галактике. Его масса в два раза превышает массу предыдущих объектов-рекордсменов. Она также в 10 000 раз массивнее черной дыры Стрелец А* в центре Млечного Пути.
Черная дыра — это точка в пространстве с настолько сильным гравитационным притяжением, что ничто в ее окрестностях, даже фотоны, не может ему противостоять. Фотоны — это элементарные волнообразные частицы, одной из которых является свет.
Размеры чёрных дыр
Ученые считают, что самые маленькие черные дыры, размером всего с атом, могли образоваться в самые ранние моменты существования Вселенной. Подобные условия создаются в Большом адронном коллайдере, и общественность обеспокоена тем, что это может привести к созданию черной дыры.
Другой тип черных дыр называется «звездной» черной дырой. Их масса может в 20 раз превышать массу Солнца. В нашей галактике возможно множество черных дыр звездного размера.
Самые большие черные дыры называются сверхмассивными. Их масса составляет более 1 миллиона солнц. Ученые обнаружили доказательства того, что каждая крупная галактика содержит в своем центре сверхмассивную черную дыру. Один из таких объектов в центре Млечного Пути называется Стрелец А. Его масса составляет около 4 миллионов Солнц.
Как образуются чёрные дыры
Крупные объекты, такие как звезды, обладают большой гравитацией. Все вещество в звезде всегда стягивается к центру, но термоядерные реакции не дают звезде разрушиться. То есть, гравитация действует с одной стороны, а давление — с другой, поддерживая форму звезды.
Самая популярная теория гласит, что черная дыра — это последний этап в жизни очень массивной звезды, имеющей массу не менее 20 солнц. Когда термоядерные реакции внутри такой звезды прекращаются (топливо заканчивается), звезда быстро сжимается в нейтронную звезду под действием огромной гравитации. В зависимости от начальной массы, она может оставаться сверхплотной нейтронной звездой или сжиматься настолько, что даже свет не сможет выйти из ее пределов — в этом случае она становится черной дырой.
Есть и другой сценарий, когда те же процессы происходят с межзвездным газом, который только превращается в галактику или скопление. Если внутреннее давление не может компенсировать гравитацию, вся материя начинает сжиматься, что приводит к образованию черной дыры.
Может ли чёрная дыра уничтожить Землю
Черные дыры не перемещаются в пространстве и поглощают звезды, луны и планеты. Земля не упадет в черную дыру, потому что ни одна из них не находится достаточно близко к Солнечной системе.
Даже если бы в центре нашей системы образовалась черная дыра с массой, равной массе Солнца, Землю туда не затянуло бы. Черная дыра обладает такой же гравитацией, как и Солнце. Земля и другие планеты будут вращаться вокруг него, как и вокруг Солнца.
В любом случае, Солнце не является большой звездой, которая со временем превратится в черную дыру.
