Что находится внутри черной дыры?
Черная дыра — это тело в космосе с такими мощными гравитационными притяжениями, что ничто не может вырваться из нее.
Черная дыра — это тело в космосе с такими мощными гравитационными притяжениями, что ничто не может вырваться из нее. Самый простой способ объяснить, как образуются черные дыры, это то, что они появляются после смерти звезды. Этот процесс создает огромное количество массы с высокой плотностью, которая искажает пространство-время, образуя черную дыру. Черные дыры связаны областью, называемой горизонтом событий. Однажды пересеченный, бегство невозможно из-за сильного гравитационного ускорения.
Не все черные дыры одинаковы
Черные дыры могут иметь разные характеристики, поэтому ни одна из них не является абсолютно одинаковой. Они различаются по размеру; у некоторых есть электрические заряды, в то время как у других нет, в то время как некоторые могут быть неподвижными в отличие от тех, которые вращаются быстро. Черная дыра — это просто колоссальное тело, если смотреть на нее с гравитационной силой других объектов с такой же массой.
Эта масса покрыта горизонтом событий, областью, которая отделяет черную дыру от внешнего пространства. Именно внешняя сторона черной дыры служит завесой и не позволяет нам заглянуть внутрь. Несмотря на то, что горизонт событий служит щитом для черной дыры, он не имеет физической формы. Это просто пространство, покрывающее определенное расстояние, и после его пересечения выход невозможен из-за сильного гравитационного притяжения, упомянутого выше. Даже свет не может избежать огромной силы гравитации, которая находится внутри черной дыры.
Внутри черной дыры
Как только горизонт событий пересекается, вход в черную дыру неизбежен. Ученые называют черную дыру сингулярностью. Это означает, что это точка, где все законы физики становятся идентичными друг другу. Пространство и время перестают существовать как взаимосвязанные реальности и сливаются, теряя всякую независимость.
Время, необходимое для достижения черной дыры, зависит от ее массы, но в общем случае она составляет не более нескольких секунд. Приближаясь к сингулярности, свет из окружающего его пространства все еще виден и продолжает следовать за входом. Из-за замедления времени вселенная за пределами черной дыры кажется, что она движется с более высокой скоростью.
Никто не знает, что будет дальше
Поскольку масса черной дыры сгущается в очень маленькую точку, сила тяжести может сильно варьироваться. Это означает, что любой объект, который входит, начинает быстро менять свою форму. Даже черная дыра растягивается до такой степени, что она занимает большую часть вашего зрения.
После того как поверхность черной дыры достигнута, все остальное остается загадкой. Ничто не ускользает от сингулярности, поэтому нет способа извлечь точные данные, чтобы выяснить, что именно происходит внутри. С дальнейшими достижениями в наших теориях физики мы должны стать ближе к разгадке этой тайны.
Почему черная дыра также называется сингулярностью?
Потому что это точка, где все законы физики становятся идентичными друг другу. Пространство и время перестают существовать как взаимосвязанные реальности и сливаются, теряя всякую независимость.
Источник
Что находится внутри чёрной дыры?
Чёрная дыра — один из наименее изученных и наиболее необычных объектов во Вселенной. Чёрная дыра представляет собой объект со столь большой силой притяжения (такой кривизной пространства), что даже свет не может вырваться оттуда. Но что внутри этого монстра? Для ответа на этот вопрос нам сначала нужно понять, откуда вообще берутся чёрные дыры.
Как образуется чёрная дыра?
В одной из наших статей об эволюции звёзд, мы рассматривали один из конечных этапов их жизни, когда термоядерное топливо в ядре полностью выгорает и прекращаются термоядерные реакции из-за чего стремительно уменьшается давление в недрах звезды и она сжимается под действием гравитации. В зависимости от массы звезды сжатие может остановиться на определённом этапе, а может перейти в стремительный гравитационный коллапс, таким образом, звезда может превратиться в белого карлика, нейтронную звезду или чёрную дыру.
В чёрную дыру звезда может превратиться тогда, когда после сжатия её радиус стал меньше критического радиуса Шварцшильда, который также называют гравитационным радиусом. В таком случае коллапс уже ничто не может остановить и под влиянием гравитации вся материя сжимается в одну точку, которую называют сингулярностью. В ней значение плотности и кривизны пространства стремятся к бесконечности.
Вообще, методом сжатия можно всё что угодно превратить в чёрную дыру, даже человека. Достаточно просто сжать его до критического радиуса. Также возникли и другие типы чёрных дыр (за исключением квантовых), разница лишь в том, как и почему происходил коллапс.
Из чего состоит чёрная дыра?
Чёрные дыры бывают статическими, их ещё называют чёрные дыры Шварцшильда и вращающимися вокруг своей оси — чёрные дыры Керра.
Чёрная дыра вращается благодаря предварительному вращению звезды, из которой она образовалась, вследствие закона сохранения углового момента. При этом вращения как такового нет, просто чёрная дыра имеет свойства вращающегося тела, так же как микрочастицы имеют спин в действительности не вращаясь. Сингулярность вращающейся чёрной дыры имеет форму кольца, она окружена сферой, которую называют горизонтом событий. Попав за горизонт событий, любое тело обречено упасть в чёрную дыру.
Вокруг горизонта событий такой чёрной дыры существует небольшой участок, называемый эргосферой. В этой эллипсоидальной оболочке объекты вращаются вместе с чёрной дырой, но в отличие от горизонта событий отсюда можно выбраться, благодаря этому возможен обмен энергией между эргосферой и внешним миром. Кванты и другие частицы, пролетая сквозь эргосферу, могут забирать часть её кинетической энергии вращения. Это явление называется процессом Пенроуза.
Рядом со многими чёрными дырами наблюдается горячий ионизированный газ, который выталкивается со стороны центра чёрной дыры её магнитным полем — это релятивистские потоки или джеты. Причиной появления джетов считается взаимодействие магнитных полей чёрной дыры и аккреционного диска с веществом диска, который образуется в результате падения вещества в чёрную дыру. Чёрная дыра Шварцшильда или статическая чёрная дыра не имеет эргосферы, она состоит только из сингулярности и горизонта событий.
В настоящее время нам не известно, что именно происходит внутри чёрной дыры. Пока все учёные склоняются к мысли, что там находится загадочная сингулярность, в которой материя существует не в виде отдельных частиц, а в виде сжатой в точку энергии. При этом сингулярность отделяет от горизонта событий бесконечное пространство.
Автор: Алексей Нимчук. Редакция: Фёдор Карасенко.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мои каналы в телеграме и на youtube . Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос. Поддержать наш канал материально можно через patreon .
Источник
Внутри черной дыры. Что увидит попавший туда человек?
Вот уже почти два века ученые спорят о существовании черных дыр – гипотетических областей с таким высоким гравитационным притяжением, что от них не может ускользнуть даже луч света. Однако есть любопытный вопрос, волнующий не только светил науки, но и простых смертных: что может произойти с человеком, если он окажется в черной дыре? Гипотез накопилось немало. Журналисты BBC собрали их воедино, а редакция Anews приводит самые интересные выдержки из этого материала.
Спираль и копии звезд
Если бы можно было посмотреть на черную дыру со стороны, стало бы понятно, что она имеет сферическую форму, а не плоскую, как, например, «портативная черная дыра» из мультфильма про Вилли Койота.
Черная дыра, согласно классической теории, постоянно вращается (скорость вращения достигает скорости света), а из-за сильной гравитации она притягивает огромное количество газа и пыли, формирующих своеобразный диск, крутящийся по спирали. Именно он и должен попасться на глаза человеку, приблизившемуся к черной дыре.
А вот физики, принимавшие участие в создании фильма «Интерстеллар», пришли к выводу, что человек мог бы увидеть копии звезд или даже целой галактики, так как своим вращением черная дыра провоцирует искажение света и отражает свое окружение.
Исходя из этих рассуждений, исследователи смоделировали свой вариант черной дыры для фильма.
Оказавшийся в черной дыре человек смог бы также увидеть ее тень, окруженную кольцом света. К слову, тень черной дыры – именно то, за чем охотятся ученые вот уже много лет. Если бы им действительно удалось увидеть ее, это стало бы прямым доказательством существования этого явления.
Превращение в «спагетти»
В соответствии с теорией Эйнштейна, человек, «прыгнувший» в черную дыру и пролетевший «горизонт событий» (условная граница, за которой гравитация настолько сильна, что выбраться из-за нее невозможно), ничего не почувствует. Однако в ходе приближения к центру черной дыры его тело начнет вытягиваться, пока не станет напоминать спагетти.
Для этого процесса даже придумали специальный термин – «спагеттификация». Первым его потребил английский физик-теоретик Стивен Хокинг в своей книге «Краткая история времени».
И еще один интересный момент. Если человек прыгнет в черную дыру ногами вперед, то по ощущениям ему будет казаться, что его ноги стали намного тяжелее головы, так как воздействие гравитации на голову будет сильнее, нежели на ноги. Иными словами, тело будет растягиваться до тех пор, пока на распадется окончательно.
«Тело человека попросту распадется на атомы», — говорит руководитель планетария Хайдена в Американском музее естественной истории Нэйл Тайсон.
Как выразился исследователь, путешествие в черную дыру – наиболее зрелищный способ погибнуть в космосе.
Моментальная гибель
В 2012 году физик-теоретик Джон Полчински выступил с предположением, что горизонт событий может представлять собой «огненную стену». А это значит, что приблизившийся к нему человек даже не успеет его пересечь и оказаться в черной дыре, потому что тело сгорит моментально.
Черная дыра – это коридор?
Существует и альтернативное мнение, которое особенно понравится любителям фантастики. Физик из США Никодем Поплавский выдвинул теорию, согласно которой черная дыра представляет собой своеобразный коридор, ведущий в другую вселенную.
По мнению ученого, человек, оказавшийся в черной дыре в центре Млечного пути, просто пройдет ее насквозь. Либо, как вариант, с другой стороны выйдет не человек, а лишь его тело, распавшееся на множество частиц.
От теории к практике
Очевидно, что ничего хорошего из путешествия в черную дыру (даже если бы оно было возможно), выудить не удастся. Шутки со вселенной не то чтобы плохи, но как минимум опасны. Кстати, живым примером может послужить российский ученый, который с черными дырами не связывался, но однажды попал в ускоритель частиц.
Что до черных дыр. Чтобы понять, реальны они или нет, ученые решили объединить в единую систему несколько телескопов, установленных в разных частях планеты. По словам астронома из Массачусестского технологического университета Шепа Доэлмана, это позволит получить более высокий уровень увеличения и продвинуться в поиске доказательства существования черных дыр. По прогнозам ученых, первые данные могут быть получены к 2017 году. Остается ждать
Источник
Черные дыры: почему они черные, как их находят и при чем здесь квазары
Что такое черная дыра
Черная дыра — это область внутри космоса с настолько сильной гравитацией, что она засасывает все вокруг, включая свет. Профессор РАН Сергей Попов объясняет, что у черных дыр нет одного четкого определения, и даже такое — это один из вариантов. Если спросить разных ученых — астрофизиков и физиков — они подойдут к ответу с разных сторон. Есть энциклопедические словари, которые закрепляют определения и дают конкретные ответы, но единственно верной формулировки не существует.
Сам Сергей определяет черные дыры как максимально компактный объект, который не демонстрирует свойств поверхности. И размер этого объекта соответствует радиусу Шварцшильда — расстоянию от центра тела до горизонта событий. Где горизонт событий — это «точка невозврата» или граница черной дыры. Для каждого объекта существует свой радиус Шварцшильда, который можно рассчитать. Если сжать любой предмет до этого радиуса, он превратится в черную дыру. Условно говоря, если бы мы хотели сжать Солнце и трансформировать его в черную дыру, его радиус составил бы всего 3 км, при изначальных около 700 тыс. км.
Само словосочетание «черная дыра» — это просто удачно придуманное обозначение. Примерно как «Большой взрыв». Сама идея черных дыр возникла в конце XVIII века. Тогда их называли по-другому: были варианты «застывшие звезды» или «коллапсары». Но в итоге научная журналистка Энн Юинг предложила такой термин.
Сергей рассказывает, что в науке часто приживается какое-то словосочетание именно благодаря тому, что оно удобное. Дыра — потому что, если что-то туда попало, то не может выбраться назад. А черная — потому, что сам по себе этот объект ничего или практически ничего не излучает. Если представить пустую Вселенную, черный космос, и поместить там черную дыру, то ее невозможно будет увидеть. Она ничем не выделяется на фоне этой черноты.
Черные дыры как область пространства-времени
Черные дыры еще определяют как область пространства-времени. Сергей Попов объясняет, что все современные теории гравитации — теории геометрические. В них гравитация описывается как свойство пространства и времени. Имеется в виду, что между пространством и временем можно составить уравнение, это взаимосвязанные величины.
С начала ХХ века, с первых работ Эйнштейна по теории относительности, пространство и время объединены в некоторую сущность. Любые тела, не только массивные, но и самые маленькие, искривляют пространство вокруг себя и одновременно влияют на ход времени. Современные измерения позволяют определить, что в одном месте время идет не так, как в другом. Можно провести эксперимент и обнаружить эту разницу.
Черная дыра — это экстремальный способ воздействия на пространство — когда в одном месте собрали так много вещества или энергии, что пространство-время свернулись и образовали специфическую область. Можно говорить, что черная дыра — это объект, но с бытовой точки зрения объект — это что-то имеющее поверхность. Если идти по абсолютно темной комнате, можно наткнуться на стол, это будет объект с началом в конкретной точке. Если в абсолютно темной комнате или с завязанными глазами попасть в черную дыру, невозможно заметить ее границу. Потому что нет никакой твердой поверхности, человек сразу окажется внутри этой области.
Сергей сравнивает такой переход с государственными или областными границами. Если идти по лесу из одной страны в другую, то без указателей и карт невозможно заметить, в какой точке кончается одно государство и начинается другое. Лес в Финляндии ничем не отличается от леса в России, и нет никакой четкой границы, на которую можно наткнуться. И черная дыра — это такая область, где масса свернула пространство-время, и в итоге никакие предметы не могут ее покинуть, как только пересекут границу. Все, что туда попало, навсегда останется за горизонтом.
Черные дыры интересны в первую очередь как экстремальные объекты. Это максимально скрученное пространство-время, и многие эффекты становятся более заметны вблизи черных дыр. Начинают появляться принципиально новые физические феномены.
В теории гравитации стремятся подобраться как можно ближе к этим экстремальным объектам. Поэтому, говорит Сергей, изучение поведения вещества в окрестности черных дыр — очень интересная штука.
Как обнаружить черную дыру
В конце своей жизни массивные звезды могут превращаться в черные дыры. И на этапе, когда только пытались найти первые черные дыры, возник вопрос: как их можно обнаружить. Первая идея была такой: звезды, особенно массивные, нередко рождаются парами. Одна из таких звезд превращается в черную дыру, и мы перестаем ее видеть. При этом она продолжает существовать. Предполагалось, что мы сможем увидеть вращение соседней звезды вокруг этого невидимого объекта, при помощи вычислений измерить его массу и обнаружить, что в этом месте находится черная дыра.
Сергей Попов рассказывает, что исторически это был первый предложенный способ поиска. С 60-х годов ученые пытались искать их по такому методу, но ничего не обнаружили. Последние пару лет стали появляться возможные кандидаты на звание черных дыр, но ученые пока не уверены, что в паре с обычными звездами находятся именно они.
Если опять обратиться к черной дыре, которая соседствует со звездой, то вещество с обычной звезды может перетекать в дыру. Черная дыра своей гравитацией будет засасывать это вещество. Если представить, что в нее одновременно кинули два камня, они могут столкнуться над горизонтом на скорости почти равной скорости света. При таком столкновении выделится много энергии, которую можно заметить.
Но в звездах не камни, а газ. Когда разные слои газа трутся друг о друга, они нагреваются до миллионов градусов, и это тепло можно увидеть. С помощью такого способа в конце 60-х — начале 70-х годов, когда стали запускать первые рентгеновские детекторы в космос, открыли и первые черные дыры.
В начале 60-х годов стало ясно, что есть яркие астрономические объекты — квазары. Дословно— «похожий на звезду радиоисточник». Это активные ядра галактик на начальном этапе развития, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Обнаружить их можно даже на очень отдаленных расстояниях. В ходе изучения квазаров стало ясно, что это небольшой источник, который находится в центре далекой галактики и при этом испускает много энергии. Попов рассказывает, что когда ученые открывают квазар, они уверены, что там «сидит» сверхмассивная черная дыра. Сейчас это самый массовый способ открытия черных дыр.
Почти все массивные звезды превращаются в черные дыры, но не все они находятся в двойных системах, или у них нет перетекания. В таком случае дыры ищут другим способом. Сергей рассказывает, что черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя, но тут важна не столько масса, сколько компактность. Понять это легко, достаточно представить острый предмет. Это предмет с очень маленькой площадью. Если просто ткнуть куда-то пальцем, нельзя проткнуть поверхность, а если с такой же силой надавить на иголку, то проткнется палец, которым на нее давят. Так вот маленькие объекты при той же массе сильнее искривляют пространство-время вокруг себя. Такой эффект называется гравитационным линзированием.
Ученые наблюдают за звездой и вдруг замечают, что ее блеск растет, а потом совершенно симметрично спадает обратно. Со звездой ничего не произошло, но между нами и звездой пролетел массивный объект. И этот массивный объект, искажая пространство-время, собрал световые лучи.
Поэтому кажется, будто возрастает светимость звезды, а на самом деле просто больше ее света было собрано и попало к нам. Звезда с массой десять масс Солнца светила бы очень заметно, ученые бы ее не пропустили. А в таких наблюдениях появляется абсолютно темный объект с массой примерно десять солнечных. Что это может быть? Только черная дыра.
Если есть пара черных дыр, то, сливаясь, они будут порождать гравитационно-волновой всплеск. И в 2015 году впервые были обнаружены такие всплески гравитационного излучения. Это последний на сегодняшний день хороший способ поиска черных дыр.
Как сфотографировать черную дыру
Сергей Попов предлагает вспомнить фильмы или книги о человеке-невидимке. Его не видно, но если он надевает на себя одежду, мы видим одежду. Если пытается скрыться, то можно обсыпать его мукой или заметить следы. Черные дыры изучают примерно тем же способом. Ученые не видят горизонт событий и не видят недра черной дыры, поскольку ничто не может пересечь горизонт обратно в нашу сторону. Но они изучают поведение вещества вокруг.
То, что принято называть фотографией черной дыры, на самом деле — изображение вещества, движущегося вокруг черной дыры. Но в центре действительно возникает темная область, поскольку там находится черная дыра, из которой не может исходить свет.
По большей части черные дыры — маленькие объекты, находящиеся очень далеко от нас. Разглядеть черноту внутри яркой области удалось всего в одном случае. Для качественного снимка нужна была самая большая черная дыра в центре относительно близкой галактики. Дальше встала техническая задача — получить изображение с достаточной детализацией. Ни один телескоп сам по себе не может сделать такое изображение. Но если совместить несколько телескопов и разнести их на большие расстояния, то с точки зрения деталей они будут работать как один большой телескоп. Именно таким способом, при помощи нескольких телескопов, разбросанных почти по всему земному шару, удалось сделать снимок того, что все называют фотографией черной дыры в галактике М87. Такая фотография пока остается единственной.
Чтобы получить нечто похожее на снимок от других объектов, ученым нужны новые инструменты. Тем не менее есть прямые данные наблюдения поведения вещества вокруг разных черных дыр, практически вплоть до самого горизонта. До расстояния всего в несколько раз превышающих размер горизонта черной дыры.
Источник