Черные дыры

Одними из самых таинственных и наиболее интересных объектов в космическом пространстве являются черные дыры (ЧД). Они имеют высокую плотность, а мощная гравитационная сила не позволяет даже свету вырваться за их границы.

Альберт Эйнштейн впервые заговорил о черных дырах в 1916 году, когда создавал общую теорию относительности. Благодаря Джону Уиллеру в 1967 году возник сам термин. И только в 1971 году «заметили» первую черную дыру.

Черные дыры подразделяются на три типа:

• сверхмассивные,
• черные дыры звездной массы,
• дыры средней массы.

Эти объекты чрезвычайно мощные, но занимают довольно малый объем пространства. Кроме этого, обладание огромнейшей гравитацией не позволяет даже свету выйти из зоны. Но напрямую обнаружить их нет возможности. Ученым приходится наблюдать за излучением, которое появляется во время поглощения черной дырой объектов.

Черная дыра имеет определенную плоскость, называемую «горизонтом событий» – это точка невозврата, где сжатая масса материи деформирует время и пространство.

Возникновение черной дыры

Звезда может запустить механизм саморазрушения, когда у нее заканчивается топливо. Оставшееся ядро станет белым карликом или нейтронной звездой, если ее масса была втрое больше солнечной. Но когда звезда более крупная, она превращается в черную дыру.

Ее ядерный синтез прекратился, так как все синтезировано. Когда создаваемое синтезом давление останавливается, материя начинает падать к своему гравитационному центру и становится более плотной. Оно настолько уплотняется, что не способно преодолеть гравитационное влияние на поверхность звезды: так рождается черная дыра (далее – ЧД). Такие дыры называют «черными дырами солнечной массы» и они самые распространенные.

Ничто не может во Вселенной сравниться со сверхмассивными устрашающими ЧД. По своей массе они превосходят солнечную в миллиарды раз. Допускают, что такие объекты присутствуют в каждой галактике. Процессы формирования таких дыр пока ученым не совсем понятны. Скорее всего, они разрастаются за счет того, что накапливают массу из окружающего газа и пыли. А возможно, своим масштабам они обязаны слиянию многих небольших черных дыр. Или разрушилось звездное скопление – все это еще предстоит изучить.

Недавно ученые обнаружили новый вид - дыры средней массы (промежуточные). Они могут формироваться, когда звезды сталкиваются в скоплении, подчинившись цепной реакции.

Величина черной дыры, а конкретнее - радиус сферы Шварцшильда соразмерен массе звезды. А так как астрофизика никак не ограничивает размер звезды, то и черная дыра может быть как угодно огромна.

Характеристики черных дыр

Время и пространство искривляются гравитационным полем мощных тел, при этом максимальное искривление совершается поблизости черных дыр. Физическое понятие об интервалах пространства и времени – это числа, считанные с тех или иных физических линеек и часов.

Главное, что гравитация на все физические системы действует одинаково: все линейки показывают, что пространство растягивается около черной дыры, а все часы, что время замедляется. Это значит, что ЧД искривляет возле себя геометрию времени и пространства. Вблизи оно так огромно, что лучи света могут передвигаться вокруг нее по кругу. В отдалении от черной дыры ее область тяготения подчиняется теории Ньютона для тела подобной массы, но вблизи суждения ученого не работают, гравитация становится значительно мощнее.

Если бы была возможность понаблюдать в телескоп за превращением звезды в черную дыру, то вначале было бы заметно, что звезда очень быстро сжимается. Но чем ближе приближается поверхность к гравитационному радиусу, сжатие начинает тормозить, а потом и вовсе останавливается. Свет, приходящий от звезды, слабеет и краснеет, пока окончательно не тухнет. Это происходит потому, что фотоны теряют энергию, преодолевая силу тяжести, и им необходимо все больше времени, чтобы долететь до нас. Свету необходимо бесконечное время, чтобы дойти до любого наблюдающего, даже располагающегося сравнительно недалеко от звезды. Таким образом, мы не сможем дождаться возникновения ЧД, и уж тем более увидеть, что же свершается под горизонтом событий. Но исследовать этот процесс теоретически возможно.

Расчеты сферического коллапса показывают, что за очень малое время вещество под горизонтом событий сокращается до точки, где тяготение и плотность достигают бесконечно большого значения. Эту точку называют "сингулярностью". Больше того, как показывает математический анализ, если появился горизонт событий, то даже не сферический коллапс является причиной сингулярности. Однако, все возможно только тогда, если теорию можно применять для самых малых пространственных масштабов, а в этом уверенности пока нет. В микромирах работают квантовые законы, а квантовой концепции гравитации еще не создали.

Увлекательные факты

Черные дыры различны, некоторые являются активными, другие более спокойные. Активные ЧД всасывают окружающее вещество, и если пролетающая мимо звезда попадает в поле тяготения, то будет разорвана в клочья, «съедена».

Сверхмассивная черная дыра находится в центре Млечного Пути, но ее изучение труднее, чем дыры в далеких или в соседних галактиках. На пути к центру нашей Галактики встает плотная стена пыли и газа, а Солнечная система расположена почти у края галактического диска. Поэтому наблюдать за активностью черных дыр гораздо эффективнее в тех галактиках, чье ядро четко можно рассмотреть.

Так первые наблюдения за одной из далеких галактик, которая находится на расстоянии четырех миллиардов световых лет от нас и располагается в созвездии Волопаса, помогли астрономам проследить процедуру поглощения звезды супермассивной черной дырой. На протяжении тысячелетий тихо и мирно покоился гигантский коллапсар в центре безымянной галактики, пока звезда не оказалась слишком близко.

Сильная гравитация ЧД разорвала ее на части. При достижении горизонта событий, сгустки вещества ярко вспыхивали в ультрафиолетовом диапазоне. Вот эти вспышки и были зафиксированы новым космическим телескопом NASA Galaxy Evolution Explorer, который изучал небо в ультрафиолете. На сегодняшний день телескоп продолжает наблюдение за поведением объекта, т.к. остатки звезды все падают в бездну пространства и времени. Такие наблюдения помогут лучше понять развитие черных дыр совместно с их родительскими галактиками. Исследователи заметили, что звезда поглощается сверхмассивной черной дырой в среднем один раз в десять тысяч лет.

Черные дыры – абсолютно непохожие ни на что, исключительные объекты. Это дыры во времени и пространстве, появляющиеся в резко нарастающем гравитационном поле из-за сильнейшего искривления пространства и изменение характерного течения времени.

В некотором смысле ЧД считаются и очень простыми объектами. Их свойства не зависят от его атомной структуры, строения вещества. При формировании черной дыры все свойства тела как бы исчезают, они не имеют влияния на границы черной дыры, ни на что-либо во внешнем пространстве. Остается лишь гравитационное поле, которое имеет две характеристики – массу и вращение. Этим определяют размер и форму, и все свойства черной дыры. Так что с абсолютной определенностью можно говорить о простоте черных дыр.

Однако, и нет ничего более сложного, чем черные дыры, ведь человеческое воображение не может даже представить, до какой степени происходит изменение течения времени и искривление пространства, что в них возникает дыра.