27 717 subscribers

Монстры Вселенной: чёрные дыры

647 full reads
846 story viewsUnique page visitors
647 read the story to the endThat's 76% of the total page views
5 minutes — average reading time
Монстры Вселенной: чёрные дыры

Эти «тёмные звёзды» активно волнуют умы людей, начиная с прошлого столетия, да и человечество всегда интригует то, что скрыто тайной и не так легко поддаётся изучению. В этой статье я постараюсь описать известные научные данные на современный момент простым языком.

Что же такое черная дыра?

Согласно общепринятому определению, чёрная дыра – это область пространства-времени, из которой ничто, даже свет, не может выбраться наружу из-за сильнейшего воздействия гравитации. Звучит грозно и даже устрашающе, не правда ли? Откуда они берутся? Есть несколько версий:

1. Гравитационный коллапс массивной звезды. В основе этой версии лежит жизненный цикл звезды. В процессе рождения звезды огромное количество газа (в основном водорода) начинает сжиматься силой собственного гравитационного притяжения. Во время сжатия атомы сталкиваются всё чаще, тем самым ускоряя друг друга. Из-за этих столкновений увеличивается температура, и под её воздействием атомы газа начинают соединяться друг с другом, и образуется гелий. Тепло, которое выделяется в процессе такой реакции, заставляет звезду светиться. Давление газа внутри приходит в равновесие с гравитационным притяжением, и газ перестает сжиматься, удерживая звезду в стабильном состоянии. Когда в недрах массивной звезды заканчивается ядерное топливо, звезда начинает охлаждаться и сжиматься, и дальнейший сценарий ее жизни зависит от её размеров (здесь размер имеет значение!). Аспирант из Индии Субраманьян Чандрасекар рассчитал, каким должно быть светило, чтобы после израсходования своего ядерного топлива оно сумело противостоять действию собственных гравитационных сил. Когда звезда уменьшается, частицы сближаются, соответственно, их скорости становятся более различными. Однако такому отталкиванию, как и всему в целом, тоже есть предел. Максимальная разница скоростей частиц вещества в звезде равна скорости света. Если звезда становится достаточно плотной, отталкивание становится меньше гравитационного притяжения. Чандрасекар вычислил, что если звезда будет в полтора раза больше Солнца, то она не сможет противостоять силам собственной гравитации, и сожмётся, образуя чёрную дыру или нейтронную звезду, вместо того, чтобы взорваться – данное значение звездной массы называется пределом Чандрасекара.

2. Коллапс центральной части галактики или протогалактического газа. В основе этого процесса лежит тот же принцип, что и в первой версии. Учёные полагают, что в центрах огромных галактик, особенно – спиральных и эллиптических, живут сверхмассивные чёрные дыры, в частности, в сердце нашей галактики тоже есть такая.

3. Первичные чёрные дыры – они сформировались сразу же после Большого взрыва из-за неравномерного распределения материи и её сжатия силами гравитации.

4. Квантовые чёрные дыры – это дыры, возникшие из-за ядерных реакций высоких энергий.

Монстры Вселенной: чёрные дыры

Из чего состоит чёрная дыра?

Внешне чёрные дыры чем-то напоминают Сатурн (только чёрный), и, надо сказать, эти кольца состоят не из обломков. Такие «кольца» чёрной дыры называются аккреционным диском – это вещество, которое падает в чёрную дыру и разогревается, что вызывает свечение. Диск будет изогнут в верхних и нижних областях, потому что гравитация изменяет направление световых лучей, притягивая их. Так же одна из сторон этого диска будет выглядеть ярче из-за высокой скорости орбитального вращения, что вызвано эффектом Доплера – изменение частоты волн при движении их источника и наблюдателя относительно друг друга.

Огибает чёрную дыру фотонное кольцо – искривлённые траектории фотонов на искривленной пространственно-временной ткани.

Граница чёрной дыры, называемая красивым словосочетанием «горизонт событий», - это черта, из-за пределов которой уже ничто не может вырваться.

Сингулярность – это сердце чёрной дыры, всё вещество её, собранное в малую точку бесконечной плотности в самом её центре, или, другими словами, это точка пространства-времени, в которой его кривизна становится бесконечной.

Монстры Вселенной: чёрные дыры

Смерть чёрной дыры

В мире ничто не вечно, и даже чёрным дырам тоже может настать конец, несмотря на их грозный облик и сингулярное сердце, в недрах которого законы известной нам физики теряют свою силу.

У гениального Стивена Хокинга в его книгах есть глава «Чёрные дыры не так уж и черны», где учёный описывает гибельный процесс объектов, наводящих ужас даже на свет. Мы привыкли считать, что чёрная дыра может пожирать всё на своем пути. Это будет верным, пока мы не доберемся до квантовых процессов. В квантовой теории поля физический вакуум наполнен частицами, а под воздействием огромных сил прямо из вакуума пространство наполняется парами «частица-античастица». Такие же процессы происходят рядом с горизонтом событий. Если одной из частиц не повезёт упасть внутрь чёрной дыры, то другая её напарница сможет ускользнуть. Причем, несчастная частица, будет обладать отрицательной энергией, а та, которой удалось спастись – положительной. Над этим фактом, определенно, стоит задуматься. Если такие частицы (частица и античастица) столкнулись бы в вакууме, то произошёл бы процесс аннигиляции (взаимоуничтожения), а энергия высвободилась бы обратно в пространство. В случае с черной дырой сбежавшая частица уносит и ее энергию, «воруя», тем самым, ещё и ее массу. Сбежавшие частицы и образуют собой «Излучение Хокинга». Таким образом, чёрные дыры излучают огромное количество энергии. Знать бы ещё, как её добывать.

Монстры Вселенной: чёрные дыры

Чёрные дыры с меньшей массой исчезнут из космоса быстрее, чем массивные. Но всё же надо отметить, что они весьма живучие и могут прожить миллиарды лет. Излучение Хокинга – это, можно сказать, круговорот энергии в космосе. То, что чёрная дыра «наела» за всю свою долгую жизнь, всё равно будет возвращено обратно во Вселенную, и опять при помощи этой энергии родится что – то новое.

Как ни крути, а конец – всегда начало.