Чёрная дыра

Черная дыра - это область пространства, из которой ничто не может вырваться, согласно общей теории относительности, она является результатом искривления пространства-времени, вызванного огромной массой. Вокруг черной дыры находится положение невозврата, называемое горизонтом событий. Она называется "черная", потому что она поглощает весь свет, который попадает в нее, отражая ничего, так же, как идеальное черное тело в термодинамике.

По теории квантовой механики черные дыры имеют температуру и испускают Хокинговое излучение, что заставляет их медленно уменьшаться.

Черная дыра обнаруживается при взаимодействии с материей. О наличии черной дыры можно судить по слежению за движением группы звезд, двигающихся по орбите в пространстве. В качестве альтернативы, когда газ падает в черную дыру, вызванный сопутствующей звездой или туманностью, газ вращается внутрь, нагреваясь до очень высоких температур и испуская большое количество радиации. Это излучение может быть обнаружено с помощью земных и земных телескопов.

Астрономы также обнаружили следы сверхмассивных черных дыр в центре почти всех галактик. Наблюдая за движением близлежащих звезд в течение 16 лет, в 2008 году астрономы нашли убедительные доказательства того, что сверхмассивная черная дыра с массой более 4 миллионов солнечных лучей находится вблизи области Стрельца А* в центре галактики Млечный Путь. Внутри черной дыры правила физики сильно отличаются.

Моделирование гравитационного линзирования черной дырой, искажающей изображение галактики на заднем плане (более крупная анимация)Zoom
Моделирование гравитационного линзирования черной дырой, искажающей изображение галактики на заднем плане (более крупная анимация)

Сверхмассивная черная дыра внутри ядра супергигантской эллиптической галактики Мессье 87 в созвездии Девы. Черная дыра стала первой, которая была непосредственно отображена (Телескоп Горизонтов, выпущен 10 апреля 2019 г.).Zoom
Сверхмассивная черная дыра внутри ядра супергигантской эллиптической галактики Мессье 87 в созвездии Девы. Черная дыра стала первой, которая была непосредственно отображена (Телескоп Горизонтов, выпущен 10 апреля 2019 г.).

История

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.

Формирование черных дыр

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.

Супермассивные черные дыры

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.

Влияние на свет

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.

Крест Эйнштейна: четыре изображения из одного квазараZoom
Крест Эйнштейна: четыре изображения из одного квазара

Изображение художника: черная дыра, отрывающая внешний слой соседней звезды. Она окружена энергетическим диском, который создает струю излучения.Zoom
Изображение художника: черная дыра, отрывающая внешний слой соседней звезды. Она окружена энергетическим диском, который создает струю излучения.

соколиная радиация

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.

Вопросы и ответы

В: Что такое черная дыра?


О: Черная дыра - это область пространства, из которой ничто, даже свет, не может выйти. Она начинает существовать, когда пространственное время искривляется под воздействием огромной массы и имеет горизонт событий, который ничто внутри не может покинуть.

В: Почему черные дыры черные?


О: Черные дыры черные, потому что они поглощают весь свет, который попадает на них, и ничего не отражают, подобно идеальному черному телу в термодинамике.

В: Как люди находят черные дыры?


О: Люди находят черные дыры, отслеживая движение звезд, которые вращаются где-то в космосе, или когда газ попадает в черную дыру, нагревается и становится очень ярким, что можно увидеть с помощью телескопов на Земле или телескопов на околоземной орбите.

В: Существуют ли сверхмассивные черные дыры?


О: Да, астрономы нашли доказательства существования сверхмассивных черных дыр в центре почти всех галактик. В 2008 году астрономы нашли доказательства того, что сверхмассивная черная дыра массой более четырех миллионов солнечных масс находится вблизи части Стрельца А* галактики Млечный Путь.

В: Влияет ли квантовая механика на то, как мы рассматриваем черные дыры?


О: Да, согласно квантовой механике, черные дыры имеют температуру и испускают излучение Хокинга, что заставляет их медленно уменьшаться.

В: Что происходит внутри черной дыры?



О: Внутри черной дыры правила физики сильно отличаются от того, что мы наблюдаем здесь, на Земле.

AlegsaOnline.com - 2020 / 2023 - License CC3