24 415 subscribers

«Тёмные звёзды»: что мы знаем о чёрных дырах?

316 full reads
708 story viewsUnique page visitors
316 read the story to the endThat's 45% of the total page views
6 minutes — average reading time
«Тёмные звёзды»: что мы знаем о чёрных дырах?

Пожалуй, сейчас нет такого человека, который никогда бы не слышал о чёрных дырах, но многим из нас сложно представить, что же это за объект такой странный. Попробую объяснить в данной статье легко и понятно!

Первым человеком, предположившим существование таких компактных и плотных объектов с чудовищным притяжением, был английский геофизик и астроном Джон Мичелл (1724 – 1793). Используя законы Ньютона, Мичелл рассчитал, что, если бы звезда с массой, как наше Солнце, имела бы радиус всего в 3 км, то даже частицы света не смогли бы «сбежать» от такой звезды, и издалека она бы казалась абсолютно чёрной и незаметной глазу. Однако эта работа в то время не слишком заинтересовала учёных: подобный объект показался слишком невзрачным и неприметным, да и вообще – что это за звезда такая в три километра? Поэтому к мыслям Джона Мичелла отнеслись с недоверием.

Джон Мичелл
Джон Мичелл
Джон Мичелл

Пьер Симон Лаплас , французский математик, физик и астроном, описал в своей научно-популярной книге «Система мира» (1976) подобные «тёмные звёзды», но тоже идея эта казалась настолько фантастической, что никто не поверил в существование чего-то подобного, хотя данное издание пользовалось популярностью.

Пьер Симон Лаплас
Пьер Симон Лаплас
Пьер Симон Лаплас

Лишь в начале ХХ века, когда Альберт Эйнштейн создал Общую Теорию относительности, идея о чёрных дырах возродилась вновь. Сейчас его теория гравитации является доказанной неоднократно проведёнными опытами, и она, конечно же, более точная, чем теории Ньютона. Немецкий астроном и математик Карл Шварцшильд подробно разбирал уравнения Эйнштейна, и он был первым, кто решил уравнение гравитационного поля. В годы Первой мировой войны учёный тоже был мобилизован в армию, где в окопах простудился и серьёзно заболел. Но накануне своей смерти он успел написать статью с решёнными им уравнениями Эйнштейна. Его открытие было в том, что, если маленькое тело имеет большую массу, то вокруг него будут существовать две характерных сферы:

- Если рядом с подобным компактным телом на небольшом расстоянии мы пустим луч света, то, изогнутый притяжением к этой массе, он будет путешествовать вокруг этого объекта, - это фотонная сфера.

«Тёмные звёзды»: что мы знаем о чёрных дырах?

- Внутри фотонной сферы находится ещё более загадочная сфера – «горизонт событий» (именно Шварцшильд придумал этот термин). Смысл здесь в том, что, падая издалека, любое тело может пересечь этот горизонт событий, и двигаться под действием силы притяжения внутрь «тёмной звезды». Угодив за горизонт событий, пути назад нет уже ни у кого.

«Тёмные звёзды»: что мы знаем о чёрных дырах?

И последнее расстояние – это расстояние от центра чёрной дыры до горизонта событий Шварцшильд назвал гравитационным радиусом. Что находится в этой области, а уже тем более – в самом центре чёрной дыры представить человеческому разуму сложно, по крайней мере, на данный момент.

«Тёмные звёзды»: что мы знаем о чёрных дырах?

Но даже к работам Карла Шварцшильда тоже общественность отнеслась с недоверием, считая, что всё описанное – область научной фантастики.

Следующим, кто взялся за изучение чёрных дыр, был новозеландский математик и физик Рой Керр . Он смог решить более сложное уравнение – это было уравнение не для простого маленького сверхплотного объекта, а для вращающейся «тёмной звезды» вокруг своей оси, - он решил произвести такой сложный расчёт с учётом того, что все объекты во Вселенной, будь то планета, звезда или даже галактика, вращаются, а, следовательно, «тёмные звёзды», по его логике, не должны являться исключением. В ходе своих решений Джон Керр догадался, что кроме горизонта событий, такая вращающаяся масса будет окружена пределом статичности, а область между ними назвали «эргосферой».

«Тёмные звёзды»: что мы знаем о чёрных дырах?

В чём же особенность эргосферы? Попавшись внутрь предела статичности, но не пересекая горизонт событий, тело (например, фотон) ещё имеет возможность всё-таки оттуда «сбежать». Угодив в эргосферу, частица будет вращаться в ту же сторону, что и сама чёрная дыра. Эта ситуация похожа на то, как если вдруг человек запрыгнет на вращающуюся карусель: вроде бы сам человек сидит на карусели неподвижно, однако это не так – сама карусель «крутит» человека по окружности. Примерно также пространство-время будет носить любую частицу в ту же сторону, куда вращается массивное тело.

«Тёмные звёзды»: что мы знаем о чёрных дырах?

Другой интересный учёный - Яков Борисович Зельдович – выдающийся советский физик, принимавший участие в разработке ядерного котла, водородной бомбы, не мог упустить из внимания и чёрные дыры. Он предположил, что чёрные дыры – это не просто поглотители материи, которой не посчастливилось подойти к ним на опасно близкое расстояние, из них ещё можно черпать энергию в огромных количествах, и, более того, они обладают особым излучением. Его мысль продолжил затем известный британский физик-теоретик и популяризатор науки Стивен Хокинг – в свои молодые годы он общался с группой учеников Зельдовича и, вдохновившись идеей получения энергии из чёрных дыр, он развил гипотезу об излучении чёрных дыр, которое сейчас так и называется – излучение Хокинга. Стивен Хокинг, основываясь на мыслях и работах Зельдовича, догадался, что даже чёрные дыры могут что-то отдавать. В космосе нет идеального вакуума, и на квантовом уровне всё наполнено частицами, причём, даже они не любят одиночество: эти частицы существуют парами «частица-античастица» и из такого, скажем так, полотна частиц соткано всё пространство, а где обитают чёрные дыры? – именно среди таких частиц! Упавшая частица в чёрную дыру будут иметь отрицательную энергию, но зато её «напарница» за это время ускользнёт! Эти «спасшиеся» частицы и представляют собой излучение Хокинга.

«Тёмные звёзды»: что мы знаем о чёрных дырах?

Кстати, само название «чёрная дыра» имеет весьма забавную историю появления: американский физик Джон Уилер на одной из своих лекций рассказывал студентам об этих загадочных объектах, и кто-то из учащихся, заинтересованный его рассказом, выкрикнул словосочетание «чёрная дыра!», которое запомнилось преподавателю, и в своих дальнейших работах о них он так и назвал «тёмные звёзды» чёрными дырами, и с 1969 года мы все так и называем эти объекты, ну а имя того студента мы и не узнаем теперь.

То самое фото
То самое фото
То самое фото

Но какая сила может сжать звезду до таких крохотных размеров? Да и вообще могут ли существовать чёрные дыры во Вселенной, а не только на бумаге у математиков и физиков? Обнаружить чёрную дыру можно лишь, когда материя «падает на неё», - она начинает вращаться вокруг чёрной дыры с огромной скоростью, а это вращение нагревает её, что вызывает свечение. Многие до последнего не верили в гипотезы о чёрных дырах. «Не вижу, значит, нет там ничего!» Но в 2019 году была получена первая фотография чёрной дыры. В рамках международного проекта «Event Horizon Telescope» астрономам впервые за всю историю наблюдений удалось получить снимок черной дыры , а точнее ее тени, «отбрасываемой» на светящийся диск из перегретого газа и пыли. Неуловимый гравитационный монстр, красующийся на « фотографии века», проживает в сверхгигансткой эллиптической галактике Messier 87 в 54 миллионах световых лет от Земли в направлении созвездия Девы. Тут уж теперь – хотите – верьте, а хотите – нет.

Другие статьи по теме:

Больше о строении чёрных дыр

Как фотон попадает в ловушку чёрной дыры, если у него нет массы?

Как излучение Хокинга уничтожает чёрные дыры?

Квантовая теория поля простыми словами

Теория Эфира или Теория Относительности?

Может ли Планета Х оказаться чёрной дырой?

Природа вселенской пустоты: что такое вакуум?

Как работает квантовый телепорт?

Может ли быть жизнь рядом с чёрной дырой?

Удивительный Стивен Хокинг: почему я им восхищаюсь?

Голодовка спасет жизнь чёрной дыре