Чёрная дыра

В 1783 году английский священник по имени Джон Мичелл написал, что, возможно, что-то настолько тяжелое, что вам придется ехать со скоростью света, чтобы уйти от его тяжести. Гравитация становится сильнее по мере того, как что-то становится больше или массивнее. Для того, чтобы маленькая вещь, например, ракета, могла убежать от такой большой вещи, как Земля, она должна уйти от нашей гравитации, иначе она упадет обратно. Скорость, которую оно должно двигаться вверх, чтобы уйти от земной гравитации, называется скоростью побега. Большие планеты (например, Юпитер) и звезды имеют большую массу, и более сильную гравитацию, чем Земля. Поэтому скорость побега намного быстрее. Джон Микелл считал возможным, чтобы что-то было настолько большим, что скорость побега была бы быстрее скорости света, поэтому даже свет не смог бы убежать. В 1796 году Пьер-Симон Лаплас выдвинул ту же идею в первом и втором изданиях своей книги "Exposition du système du Monde" (она была удалена из более поздних изданий).

Некоторые ученые думали, что Michell может быть прав, но другие думали, что свет не имеет массы и не будет вытягиваться под действием силы тяжести. Его теория была забыта.

В 1916 году Альберт Эйнштейн написал объяснение гравитации, называемое общей относительностью.

• Масса заставляет пространство (и пространство-время) сгибаться или изгибаться. Движение вещей "падает" или следует за кривыми в пространстве. Это то, что мы называем гравитацией.
• Свет всегда движется с одной и той же скоростью, и на него влияет гравитация. Если кажется, что он меняет скорость, он действительно движется по кривой в пространстве-времени.

Несколько месяцев спустя, находясь на службе в Первой мировой войне, немецкий физик Карл Шварцшильд использовал уравнения Эйнштейна, чтобы показать, что черная дыра может существовать. В 1930 году Субрахманян Чандрасекхар предсказал, что звезды тяжелее Солнца могут упасть, когда у них закончится водород или другое ядерное топливо, чтобы сгореть. В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Х. Снайдер подсчитали, что для образования черной дыры звезда должна быть по крайней мере в три раза массивнее Солнца. В 1967 году Джон Уилер впервые изобрел название "черная дыра". До этого их называли "темные звезды".

В 1970 году Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз показали, что черные дыры должны существовать. Хотя черные дыры невидимы (их невозможно увидеть), часть падающей в них материи очень яркая.

гравитационный коллапс

Гравитационный коллапс огромных (высокомассовых) звезд вызывает "звездную массу" черных дыр. Образование звезд в ранней Вселенной могло привести к образованию очень массивных звезд, которые при коллапсе могли бы образовать черные дыры до ^{103 массы} Солнца. Эти черные дыры могут быть семенами сверхмассивных черных дыр, обнаруженных в центрах большинства галактик.

Большая часть энергии, высвобождаемой при гравитационном коллапсе, выделяется очень быстро. Далекий наблюдатель видит падающий материал медленно и останавливается чуть выше горизонта события, из-за гравитационного замедления времени. Свет, испускаемый непосредственно перед горизонтом событий, задерживается на бесконечное количество времени. Поэтому наблюдатель никогда не видит формирования горизонта событий. Вместо этого рушащийся материал кажется более тусклым и все более красным, в конце концов, исчезает.

Черные дыры были также обнаружены в центре почти каждой галактики в известной вселенной. Они называются супермассивными черными дырами (SBH), и являются самыми большими черными дырами из всех. Они образовались, когда Вселенная была очень молода, а также помогли сформировать все галактики.

Считается, что квазары питаются гравитационным материалом, собираемым в SBH в центрах далеких галактик. Свет не может выйти из SBH в центре квазаров, поэтому уходящая энергия создается за горизонт событий под действием гравитационных напряжений и огромного трения с входящим материалом.

Огромные центральные массы (^106-109 масс Солнца) были измерены в квазарах. Несколько десятков близлежащих крупных галактик, не имеющих признаков квазарного ядра, содержат аналогичную центральную черную дыру в своих ядрах. Поэтому считается, что все крупные галактики имеют одну, но лишь небольшая часть из них активна (с достаточным увеличением мощности излучения) и поэтому рассматриваются как квазары.

В центре черной дыры находится гравитационный центр, называемый сингулярностью. В него невозможно заглянуть, потому что гравитация не позволяет свету выходить. Вокруг крошечной сингулярности есть большая площадь, где свет, который обычно проходит мимо, также засасывается. Край этой области называется горизонтом событий. Область за горизонтом событий - черная дыра. На расстоянии гравитация черной дыры ослабевает. Горизонт событий - место, наиболее удаленное от середины, где сила тяжести все еще достаточно сильна, чтобы поймать в ловушку свет.

За горизонтом событий свет и материя все равно будут вытягиваться в сторону черной дыры. Если черная дыра окружена материей, то вокруг нее образуется "аккреционный диск" (аккреция означает "сбор"). Аккреционный диск выглядит как кольца Сатурна. Когда его засасывают, материя становится очень горячей и выбрасывает рентгеновское излучение в космос. Думайте об этом, как о воде, вращающейся вокруг дыры перед тем, как она упадет внутрь.

Большинство черных дыр находятся слишком далеко, чтобы мы могли видеть аккреционный диск и струю. Единственный способ узнать черную дыру - это увидеть, как звезды, газ и свет ведут себя вокруг нее. Когда черная дыра находится поблизости, даже объекты размером со звезду движутся по-другому, обычно быстрее, чем если бы черной дыры не было.

Так как мы не видим черных дыр, они должны быть обнаружены другими способами. Когда черная дыра проходит между нами и источником света, свет изгибается вокруг черной дыры, создавая зеркальное изображение. Этот эффект называется гравитационным линзированием.

Хокинговое излучение - это излучение черного тела, которое излучается черной дырой из-за квантовых эффектов вблизи горизонта события. Она названа в честь физика Стивена Хокинга, который предоставил теоретический аргумент о ее существовании в 1974 году.

Хокинговое излучение уменьшает массу и энергию черной дыры и поэтому также известно как испарение черной дыры. Это происходит из-за виртуальных пар частица-античастица. Из-за квантовых флуктуаций одна из частиц падает, а другая уносит энергию/массу. Из-за этого черные дыры, которые теряют больше массы, чем получают другими способами, должны сжиматься и в конце концов исчезать. Прогнозируется, что микро-черные дыры (MBHs) являются более крупными нетто-эмиттерами излучения, чем более крупные черные дыры, и должны сжиматься и рассеиваться быстрее.