Чорна діра - точка неповернення у Всесвіті

1. З історії чорних дір
2. Чим насправді є чорні діри
3. радіус Шварцшильда
4. Як відбувається падіння в чорну діру
5. Відео: чорна діра поглинає газова хмара
6. Що там всередині чорної діри

Поняття чорної діри відомо всім - від школяра до людей похилого віку, воно використовується в науковій і фантастичній літературі, в жовтих ЗМІ і на наукових конференціях. Але що конкретно є такі діри, відомо далеко не всім.

З історії чорних дір

1783 р Перша гіпотеза існування такого явища, як чорна діра, була висунута в 1783 році англійським вченим Джоном Мічелл. У своїй теорії він об'єднав два творінню Ньютона - оптику і механіку. Ідея Мічелла була така: якщо світло - це потік дрібних частинок, то, як і всі інші тіла, частинки повинні відчувати тяжіння гравітаційного поля. Виходить, чим масивніше зірка, тим складніше світла противитися її тяжінню. Через 13 років після Мічелла, французький астроном і математик Лаплас висунув (швидше за все, незалежно від британського колеги) схожу теорію.

1915 г. Однак, все їх праці залишалися незатребуваними аж до початку XX століття. У 1915 році Альберт Ейнштейн опублікував Загальну теорію відносності і показав, що гравітація є викривлення простору-часу, викликане матерією, а через кілька місяців німецький астроном і фізик-теоретик Карл Шварцшильда використовував її для вирішення конкретного астрономічної завдання. Він досліджував структуру викривленого простору-часу навколо Сонця і заново відкрив феномен чорних дір.

(Джон Уілер ввів в науковий обіг термін "Чорні діри")

1967 р Американський фізик Джон Уілер змалював простір, яке можна зім'яти, подібно листку паперу, в нескінченно малу точку і позначив терміном "Чорна діра".

1974 Британський фізик Стівен Хокінг довів, що чорні діри, хоч і поглинають Метер без повернення, можуть випускати випромінювання і в кінці кінців випаровуватися. Таке явище отримало назву "випромінювання Хокінга".

2013 р Новітні дослідження пульсарів і квазарів, а також відкриття реліктового випромінювання, нарешті зробили можливим описати саме поняття чорних дір. У 2013 році газова хмара G2 наблизилося на дуже близьку відстань до чорної діри і швидше за все буде поглинена їй, спостереження за унікальним процесом дає величезні можливості для нових відкриттів особливостей чорних дір.

(Масивний об'єкт Стрілець А *, його маса більше Сонця в 4 млн разів, де мається на увазі скупчення зірок і утворення чорної діри)

2017 г. Група вчених з коллобораціі декількох країн Event Horizon Telescope, зв'язавши вісім телескопів з різних точок континентів Землі, проводили спостереження за чорною дірою, яка є надмасивні об'єктом і знаходиться в галактиці М87, сузір'я Діва. Маса об'єкта 6,5 млрд (!) Сонячних мас, в гігантські рази більше масивного об'єкта Стрілець А *, для порівняння діаметром трохи менше відстані від Сонця до Плутона.

Спостереження проводилися в кілька етапів, починаючи з весни 2017 року і протягом періодів 2018 року. Обсяг інформації обчислювався петабайт, які потім слід було розшифрувати і отримати справжній знімок наддалеких об'єкта. Тому треба було ще цілих два роки для досканально обробки всіх даних і з'єднання їх в одне ціле.

2019 р Дані були успішно розшифровані і приведені в вид, отримавши перше в історії зображення чорної діри.

(Перший в історії знімок чорної діри в галактики М87 в сузір'ї Діва)

Дозвіл зображення дозволяє побачити тінь точки неповернення в центрі об'єкта. Зображення отримане в результаті інтерферометричний спостережень з наддовгих базою. Це, так звані, синхронні спостереження одного об'єкта з кількох радіотелескопів, з'єднаних між собою мережею і знаходяться в різних частинах земної кулі, спрямованих в одну сторону.

Чим насправді є чорні діри

Лаконічне пояснення феномена звучить так.

Чорна діра - це просторово-часова область, чиє гравітаційне тяжіння настільки велике, що її не може покинути жоден об'єкт, в тому числі світлові кванти.

Колись чорна діра була масивною зіркою. Поки термоядерні реакції підтримують в її надрах високий тиск, все залишається в нормі. Але з часом запас енергії виснажується і небесне тіло, під дією власної гравітації, починає стискатися. Завершальний етап цього процесу - схлопування зоряного ядра і утворення чорної діри.

• 1. Викидання чорною дірою струменя на високій швидкості


• 2. Диск матерії переростає в чорну діру


• 3. Чорна діра


• 4. Детальна схема регіону чорної діри


• 5. Розмір знайдених нових спостережень

Найпоширеніша теорія говорить, що подібні феномени є в кожній галактиці, в тому числі і в центрі нашого Чумацького шляху. Величезна сила тяжіння діри здатна утримувати навколо себе кілька галактик, не даючи їм віддалятися один від одного. «Площа покриття» може бути різною, все залежить від маси зірки, яка перетворилася в чорну діру, і може становити тисячі світлових років.

радіус Шварцшильда

Головне властивість чорної діри - будь-яка речовина, яка в неї потрапило, ніколи не зможе повернутися. Це ж стосується і світла. За своєю суттю діри - це тіла, які повністю поглинають весь потрапляє на них світло і не випускають власного. Такі об'єкти візуально можуть здаватися згустками абсолютної темряви.

• 1. Рухома матерія в половину швидкості світла


• 2. Фотонне кільце


• 3. Внутрішнє фотонное кільце


• 4. Горизонт подій в чорній дірі

Відштовхуючись від Загальної теорії відносності Ейнштейна, якщо тіло наблизилося на критичну відстань до центру діри, воно вже не зможе повернутися. Це відстань називають радіусом Шварцшильда. Що саме відбувається всередині цього радіусу достеменно невідомо, але є найбільш поширена теорія. Вважається, що вся речовина чорної діри концентрується в нескінченно малої точці, а в її центрі знаходиться об'єкт з нескінченної щільністю, який вчені називають сингулярним обуренням.

Як відбувається падіння в чорну діру

(На зображенні чорна діра Стрільця А * виглядає вкрай яскравим скупченням світла)

Не так давно, в 2011 році, вчені виявили газова хмара, давши йому нескладне назва G2, яке випускає незвичайні світло. Таке світіння може давати тертя в газі і пилу, що викликається дією чорної діри Стрільця А * і які обертаються навколо неї у вигляді аккреционного диска. Таким чином, ми стаємо спостерігачами дивного явища поглинання надмасивної чорною дірою газової хмари.

За останніми дослідженнями максимальне зближення з чорною дірою відбудеться в березні 2014 року. Ми можемо відтворити картину того, як буде відбувається це захоплююче видовище.

• 1. При першій появі в даних газова хмара нагадує величезна куля з газу і пилу.


• 2. Зараз за станом на червень 2013 року хмара знаходиться в десятках мільярдів кілометрів від чорної діри. Воно падає в неї зі швидкістю 2500 км / с.


• 3. Очікується, що хмара пройде повз чорної діри, але приливні сили, викликані відмінністю в тяжінні, чинному на передній і задній край хмари, змусять його приймати все більш витягнуту форму.


• 4. Після того, як хмара буде розірвано, більша його частина, швидше за все, увіллється в аккреційний диск навколо Стрільця А *, породжуючи в ньому ударні хвилі. Температура при цьому підскочить до декількох мільйонів градусів.


• 5. Частина хмари впаде прямо в чорну діру. Ніхто не знає в точності, що трапиться потім з цією речовиною, але очікується, що в процесі падіння воно буде випускати потужні потоки рентгенівських променів, і більше його ніхто не побачить.

Відео: чорна діра поглинає газова хмара

(Комп'ютерне моделювання того, як більша частина газового хмари G2 буде зруйновано і поглинена чорною дірою Стрільцем А *)

Що там всередині чорної діри

Є теорія, яка стверджує, що чорна діра всередині практично порожня, а вся її маса зосереджена в неймовірно маленькій точці, що знаходиться в самому її центрі - сингулярності.

Відповідно до іншої теорії, яка існує протягом півстоліття, все, що потрапляє в чорну діру, переходить в іншу всесвіт, що знаходиться в самій чорній дірі. Зараз це теорія не є основною.

І є третя, найсучасніша і живуча теорія, за якою все, що потрапляє в чорну діру, розчиняється в коливаннях струн на її поверхні, яку позначають, як горизонт подій.

Так що ж таке - горизонт подій? Всередину чорної діри заглянути не можна навіть надпотужним телескопом, так як навіть світло, потрапляючи всередину гігантської космічної воронки, не має шансів виринути назад. Все, що можна хоч якось розглянути, знаходиться в її найближчих околицях.

Горизонт подій - це умовна лінія поверхні, з під якої ніщо (ні газ, ні пил, ні зірки, ні світло) вийти вже не зможе. І ось це і є та сама таємнича точка неповернення в чорних дірах Всесвіту.