Изследване на черни дупки. Кой открива черните дупки? Гледайки в дълбините на Вселената

Черни дупки, тъмна материя, тъмна материя... Това несъмнено са най-странните и мистериозни обекти в космоса. Техните странни свойства могат да оспорят законите на физиката на Вселената и дори природата на съществуващата реалност. За да разберат какво представляват черните дупки, учените предлагат да „променят ориентири“, да се научат да мислят извън кутията и да приложат малко въображение. Черните дупки се образуват от ядрата на супер масивни звезди, които могат да се характеризират като област от пространството, където огромна маса е концентрирана в празнота и нищо, дори светлината, не може да избяга от гравитационното привличане там. Това е областта, където втората космическа скорост надвишава скоростта на светлината: И колкото по-масивен е обектът на движение, толкова по-бързо трябва да се движи, за да се отърве от гравитацията си. Това е известно като втора космическа скорост.

Енциклопедията на Collier нарича черните дупки област в космоса, възникнала в резултат на пълния гравитационен колапс на материята, в която гравитационното привличане е толкова голямо, че нито материята, нито светлината, нито други носители на информация могат да я напуснат. Следователно вътрешността на черната дупка не е причинно свързана с останалата част от Вселената; физическите процеси, протичащи вътре в черната дупка, не могат да повлияят на процесите извън нея. Черната дупка е заобиколена от повърхност със свойството на еднопосочна мембрана: материята и радиацията свободно падат през нея в черната дупка, но нищо не може да избяга оттам. Тази повърхност се нарича „хоризонт на събитията“.

История на откритията

Черните дупки, предсказани от общата теория на относителността (теорията на гравитацията, предложена от Айнщайн през 1915 г.) и други по-модерни теории на гравитацията са математически обосновани от Р. Опенхаймер и Х. Снайдер през 1939 г. Но свойствата на пространството и времето в близост до тях обектите се оказват толкова необичайни, че астрономите и физиците не са ги приемали сериозно от 25 години. Въпреки това, астрономически открития в средата на 60-те години на миналия век направиха черните дупки да изглеждат като възможна физическа реалност. Новите открития и изследвания могат фундаментално да променят разбирането ни за пространството и времето, хвърляйки светлина върху милиарди космически тайни.

Образуване на черни дупки

Докато термоядрените реакции протичат във вътрешността на звездата, те поддържат висока температура и налягане, предотвратявайки свиването на звездата под въздействието на собствената си гравитация. С течение на времето обаче ядреното гориво се изчерпва и звездата започва да се свива. Изчисленията показват, че ако масата на звездата не надвишава три слънчеви маси, тогава тя ще спечели „битката с гравитацията“: гравитационният й колапс ще бъде спрян от натиска на „дегенерирана“ материя и звездата завинаги ще се превърне в бяло джудже или неутронна звезда. Но ако масата на една звезда е повече от три слънчеви маси, тогава нищо не може да спре нейния катастрофален колапс и тя бързо ще отиде под хоризонта на събитията, превръщайки се в черна дупка.

Черната дупка дупка от поничка ли е?

Не е лесно да забележите това, което не излъчва светлина. Един от начините да намерите черна дупка е да търсите области в космоса, които са масивни и в тъмно пространство. Докато търсят тези видове обекти, астрономите са ги открили в два основни региона: в центровете на галактиките и в двойните звездни системи в нашата Галактика. Общо, както предполагат учените, има десетки милиони такива обекти.

Поради сравнително скорошния нарастващ интерес към правенето на научно-популярни филми по темата за изследване на космоса, съвременният зрител е чувал много за такива явления като сингулярността или черната дупка. Филмите обаче, очевидно, не разкриват цялата природа на тези явления, а понякога дори изкривяват конструираните научни теории за по-голяма ефективност. Поради тази причина представата на много съвременни хора за тези явления е или напълно повърхностна, или напълно погрешна. Едно от решенията на проблема е тази статия, в която ще се опитаме да разберем съществуващите резултати от изследванията и да отговорим на въпроса – какво е черна дупка?

През 1784 г. английският свещеник и натуралист Джон Мишел за първи път споменава в писмо до Кралското общество за хипотетично масивно тяло, което има толкова силно гравитационно привличане, че втората космическа скорост за него ще надвишава скоростта на светлината. Втората космическа скорост е скоростта, която ще трябва на един сравнително малък обект, за да преодолее гравитационното привличане на небесно тяло и да излезе извън затворената орбита около това тяло. Според неговите изчисления едно тяло с плътност на Слънцето и радиус от 500 слънчеви радиуса ще има на повърхността си втора космическа скорост, равна на скоростта на светлината. В този случай дори светлината няма да напусне повърхността на такова тяло и следователно това тяло само ще поглъща входящата светлина и ще остане невидимо за наблюдателя - вид черно петно на фона на тъмното пространство.

Концепцията на Мишел за свръхмасивно тяло обаче не привлече голям интерес до работата на Айнщайн. Нека припомним, че последният определи скоростта на светлината като пределна скорост на предаване на информация. Освен това Айнщайн разшири теорията на гравитацията за скорости, близки до скоростта на светлината (). В резултат на това вече не беше уместно да се прилага Нютонова теория към черните дупки.

уравнението на Айнщайн

В резултат на прилагането на общата теория на относителността към черните дупки и решението на уравненията на Айнщайн бяха идентифицирани основните параметри на черната дупка, от които има само три: маса, електрически заряд и ъглов импулс. Трябва да се отбележи значителният принос на индийския астрофизик Субраманиан Чандрасехар, който създава фундаменталната монография: „Математическата теория на черните дупки“.

По този начин решението на уравненията на Айнщайн се представя от четири варианта за четири възможни типа черни дупки:

BH без въртене и без зареждане - решение на Шварцшилд. Едно от първите описания на черна дупка (1916 г.), използващо уравненията на Айнщайн, но без да се вземат предвид два от трите телесни параметъра. Решението на немския физик Карл Шварцшилд дава възможност да се изчисли външното гравитационно поле на сферично масивно тяло. Особеността на концепцията за BH от немския учен е наличието на хоризонт на събития и този, скрит зад него. Също така Шварцшилд е първият, който изчислява гравитационния радиус, който получава неговото име, който определя радиуса на сферата, върху която ще бъде разположен хоризонтът на събитията за тяло с дадена маса.
BH без въртене със заряд - решение на Reisner-Nordström. Решение, предложено през 1916-1918 г., като се вземе предвид възможният електрически заряд на черната дупка. Този заряд не може да бъде произволно голям и е ограничен поради полученото електрическо отблъскване. Последното трябва да бъде компенсирано от гравитационно привличане.
BH с въртене и без зареждане - разтвор на Кер (1963). Въртящата се черна дупка на Кер се различава от статичната по наличието на така наречената ергосфера (прочетете за това и други компоненти на черната дупка по-долу).
BH с въртене и заряд - решение на Кер - Нюман. Това решение е изчислено през 1965 г. и в момента е най-пълното, тъй като отчита и трите параметъра на BH. Все още обаче се предполага, че в природата черните дупки имат незначителен заряд.

Образуване на черна дупка

Има няколко теории за това как се образува и появява черна дупка, най-известната от които е образуването на звезда с достатъчна маса в резултат на гравитационен колапс. Това компресиране може да сложи край на еволюцията на звезди с маса повече от три слънчеви маси. След завършване на термоядрените реакции вътре в такива звезди, те започват бързо да колабират в свръхплътни. Ако налягането на газа на неутронната звезда не може да компенсира гравитационните сили, тоест масата на звездата преодолява т.нар. границата на Опенхаймер-Волков, тогава колапсът продължава, в резултат на което материята се компресира в черна дупка.

Вторият сценарий, описващ раждането на черна дупка, е компресирането на протогалактически газ, тоест междузвезден газ, който е на етап трансформация в галактика или някакъв вид клъстер. Ако няма достатъчно вътрешно налягане, за да компенсира същите гравитационни сили, може да възникне черна дупка.

Други два сценария остават хипотетични:

Възникването на БХ в резултат - т.нар. първични черни дупки.
Възникване в резултат на ядрени реакции при високи енергии. Пример за такива реакции са експериментите с колайдер.

Структура и физика на черните дупки

Структурата на Шварцшилд на черна дупка включва само два елемента, които бяха споменати по-рано: сингулярността и хоризонта на събитията на черната дупка. Говорейки накратко за сингулярността, може да се отбележи, че е невъзможно да се направи права линия през нея, както и че в нея повечето от съществуващите физически теории не работят. Така физиката на сингулярността остава загадка за учените днес. черната дупка е вид граница, преминавайки през която, физическият обект губи способността да се върне обратно отвъд границите си и определено ще "попадне" в сингулярността на черната дупка.

Структурата на черна дупка става малко по-сложна в случая с решението на Кер, а именно при наличие на въртене на BH. Решението на Кер предполага, че дупката има ергосфера. Ергосферата е определен регион извън хоризонта на събитията, вътре в който всички тела се движат в посоката на въртене на черната дупка. Тази зона все още не е вълнуваща и е възможно да я напуснете, за разлика от хоризонта на събитията. Ергосферата вероятно е вид аналог на акреционния диск, който върти материя около масивни тела. Ако статичната черна дупка на Шварцшилд е представена като черна сфера, то Кери BH, поради наличието на ергосферата, има формата на сплесен елипсоид, под формата на който често виждахме BH в рисунки, в стари филми или видео игри.

Колко тежи черна дупка? - Най-големият теоретичен материал за произхода на черна дупка е наличен за сценария на нейната поява в резултат на колапса на звезда. В този случай максималната маса на неутронна звезда и минималната маса на черна дупка се определят от границата на Опенхаймер-Волков, според която долната граница на масата на BH е 2,5 - 3 слънчеви маси. Най-тежката черна дупка, открита някога (в галактиката NGC 4889) има маса от 21 милиарда слънчеви маси. Не бива обаче да се забравят BHs, хипотетично възникващи в резултат на ядрени реакции при високи енергии, като тези при колайдери. Масата на такива квантови черни дупки, с други думи, "черни дупки на Планк", има порядък, а именно 2 · 10 -5 g.
Размерът на черната дупка. Минималният радиус на BH може да се изчисли от минималната маса (2,5 - 3 слънчеви маси). Ако гравитационният радиус на Слънцето, тоест областта, където ще се намира хоризонтът на събитията, е около 2,95 km, тогава минималният радиус на BH от 3 слънчеви маси ще бъде около девет километра. Такъв сравнително малък размер не се вписва в главата, когато става въпрос за масивни предмети, които привличат всичко наоколо. Въпреки това, за квантовите черни дупки, радиусът е - 10 −35 m.
Средната плътност на черна дупка зависи от два параметъра: маса и радиус. Плътността на черна дупка с маса от порядъка на три слънчеви маси е около 6 · 10 26 kg / m³, докато плътността на водата е 1000 kg / m³. Такива малки черни дупки обаче не са открити от учени. Повечето от откритите BHs имат маса над 10 5 слънчеви маси. Има интересен модел, според който колкото по-масивна е черната дупка, толкова по-ниска е нейната плътност. В този случай промяна в масата с 11 порядъка води до промяна в плътността с 22 порядъка. Така черна дупка с маса 1 · 10 9 слънчеви маси има плътност от 18,5 kg / m³, което е с една единица по-малко от плътността на златото. А BHs с маса над 10 10 слънчеви маси могат да имат средна плътност, по-малка от плътността на въздуха. Въз основа на тези изчисления е логично да се предположи, че образуването на черна дупка се случва не поради компресията на материята, а в резултат на натрупването на голямо количество материя в определен обем. В случай на квантови BHs, тяхната плътност може да бъде около 1094 kg / m³.
Температурата на черната дупка също е обратно пропорционална на нейната маса. Тази температура е пряко свързана с. Спектърът на това излъчване съвпада със спектъра на абсолютно черно тяло, тоест тяло, което поглъща цялата падаща радиация. Спектърът на излъчване на абсолютно черно тяло зависи само от неговата температура, тогава температурата на BH може да се определи от радиационния спектър на Хокинг. Както бе споменато по-горе, колкото по-малка е черната дупка, толкова по-мощна е тази радиация. В този случай радиацията на Хокинг остава хипотетична, тъй като все още не е наблюдавана от астрономите. От това следва, че ако съществува радиация на Хокинг, то температурата на наблюдаваните BHs е толкова ниска, че не позволява регистриране на посоченото излъчване. Според изчисленията дори температурата на дупка с маса от порядъка на масата на Слънцето е незначителна (1 · 10 -7 K или -272 ° C). Температурата на квантовите черни дупки може да достигне около 10 12 К и с бързото си изпаряване (около 1,5 минути) такива BH могат да излъчват енергия от порядъка на десет милиона атомни бомби. Но, за щастие, създаването на такива хипотетични обекти ще изисква енергия 10 14 пъти по-голяма от тази, постигната днес в Големия адронен колайдер. Освен това подобни явления никога не са били наблюдавани от астрономите.

От какво се състои черната дупка?

Друг въпрос тревожи както учените, така и тези, които просто обичат астрофизика - от какво се състои черната дупка? Няма еднозначен отговор на този въпрос, тъй като не е възможно да се погледне отвъд хоризонта на събитията около всяка черна дупка. Освен това, както беше споменато по-рано, теоретичните модели на черна дупка предвиждат само 3 от нейните компонента: ергосферата, хоризонта на събитията и сингулярността. Логично е да се предположи, че в ергосферата има само онези обекти, които са били привлечени от черната дупка и които сега се въртят около нея - различни видове космически тела и космически газ. Хоризонтът на събитията е само тънка имплицитна граница, след падане отвъд която същите космически тела се привличат безвъзвратно към последния основен компонент на ЧХ – сингулярността. Природата на сингулярността днес не е проучена и е твърде рано да се говори за нейния състав.

Според някои предположения черната дупка може да се състои от неутрони. Ако следваме сценария на черна дупка в резултат на свиването на звезда към неутронна звезда с последващото й свиване, тогава вероятно основната част на черната дупка се състои от неутрони, от които се състои самата неутронна звезда. С прости думи: когато една звезда колапсира, нейните атоми се свиват по такъв начин, че електроните се комбинират с протони, като по този начин образуват неутрони. Подобна реакция всъщност протича в природата, докато емисиите на неутрино се случват с образуването на неутрон. Това обаче са само предположения.

Какво ще стане, ако попаднете в черна дупка?

Попадането в астрофизична черна дупка разтяга тялото. Представете си хипотетичен астронавт самоубиец, който влиза в черна дупка в нищо друго освен в скафандър, краката напред. Преминавайки хоризонта на събитията, астронавтът няма да забележи никакви промени, въпреки факта, че вече няма възможност да излезе. В един момент астронавтът ще достигне точка (малко зад хоризонта на събитията), в която ще започне да настъпва деформация на тялото му. Тъй като гравитационното поле на черна дупка е нехомогенно и е представено от градиент на сила, нарастващ към центъра, краката на астронавта ще бъдат подложени на забележимо по-голям гравитационен ефект, отколкото, например, главата. Тогава, поради гравитацията, или по-скоро, приливните сили, краката ще "паднат" по-бързо. Така тялото започва постепенно да се разтяга по дължина. За да опишат това явление, астрофизиците са измислили доста творчески термин - спагетификация. По-нататъшното разтягане на тялото вероятно ще го разложи на атоми, които рано или късно ще достигнат сингулярност. Какво ще почувства човек в тази ситуация, всеки може да гадае. Струва си да се отбележи, че ефектът на разтягане на тялото е обратно пропорционален на масата на черната дупка. Тоест, ако BH с маса от три слънца моментално разтегне / счупи тялото, тогава свръхмасивната черна дупка ще има по-ниски приливни сили и има предположения, че някои физически материали биха могли да „издържат“ на такава деформация, без да загубят структурата си.

Както знаете, времето тече по-бавно в близост до масивни обекти, което означава, че времето за астронавт-самоубиец ще тече много по-бавно, отколкото за земляните. В този случай може би той ще надживее не само приятелите си, но и самата Земя. Ще са необходими изчисления, за да се определи колко време ще се забави за астронавта; но от горното може да се предположи, че астронавтът ще падне в черната дупка много бавно и може би просто няма да доживее момента, в който тялото му започва да се деформира.

Прави впечатление, че за наблюдател отвън всички тела, които са долетяли до хоризонта на събитията, ще останат на ръба на този хоризонт, докато изображението им изчезне. Причината за това е гравитационното червено изместване. Опростявайки донякъде, можем да кажем, че светлината, падаща върху тялото на космонавт самоубиец, „замръзнал“ на хоризонта на събитията, ще промени честотата си поради забавянето на времето. Тъй като времето минава по-бавно, честотата на светлината ще намалее и дължината на вълната ще се увеличи. В резултат на това явление на изхода, тоест за външен наблюдател, светлината постепенно ще се измести към нискочестотната - червена. Ще се осъществи изместване на светлината по спектъра, тъй като астронавтът самоубиец се придвижва все по-далеч от наблюдателя, макар и почти незабележимо, и времето му минава все по-бавно. Така светлината, отразена от тялото му, скоро ще излезе извън видимия спектър (изображението ще изчезне) и в бъдеще тялото на астронавта може да бъде уловено само в инфрачервената област, а по-късно и в радиочестотата и в резултат , радиацията ще бъде напълно неуловима.

Въпреки горното се предполага, че в много големи свръхмасивни черни дупки приливните сили не се променят толкова много с разстоянието и действат почти равномерно върху падащото тяло. В този случай падащият космически кораб ще запази своята структура. Възниква резонен въпрос - къде води черната дупка? На този въпрос може да се отговори от работата на някои учени, свързващи два такива феномена като червеи и черни дупки.

Още през 1935 г. Алберт Айнщайн и Нейтън Розен, като вземат предвид, излагат хипотеза за съществуването на така наречените червеи, свързващи две точки от пространство-времето чрез път в места със значителна кривина на последния - Айнщайн-Розен мост или дупка на червей. За такава мощна кривина на пространството ще са необходими тела с гигантска маса, с ролята на които черните дупки биха се справили перфектно.

Мостът на Айнщайн-Розен се смята за непроходима червейна дупка, защото е малък и нестабилен.

В рамките на теорията за черните и белите дупки е възможна проходима червейна дупка. Където бялата дупка е изходът на информация, хваната в черна дупка. Бялата дупка е описана в рамките на общата теория на относителността, но днес тя остава хипотетична и не е открита. Друг модел на дупка на червей, предложен от американските учени Кип Торн и неговия аспирант Майк Морис, може да бъде проходим. Въпреки това, както в случая с червейната дупка Морис-Торн, така и в случая на черни и бели дупки, възможността за пътуване изисква съществуването на така наречената екзотична материя, която има отрицателна енергия и също остава хипотетична.

Черни дупки във Вселената

Съществуването на черни дупки беше потвърдено сравнително наскоро (септември 2015 г.), но по това време вече имаше значителен теоретичен материал за природата на BHs, както и много кандидат-обекти за ролята на черна дупка. На първо място трябва да се вземе предвид размерът на BH, тъй като самата природа на явлението зависи от тях:

Черна дупка със звездна маса... Такива обекти се образуват в резултат на колапса на звезда. Както бе споменато по-рано, минималната маса на тяло, способно да образува такава черна дупка, е 2,5 - 3 слънчеви маси.
Черни дупки със средна маса... Условен междинен тип черни дупки, които са се увеличили поради поглъщането на близки обекти, като натрупване на газ, близка звезда (в системи с две звезди) и други космически тела.
Свръхмасивна черна дупка... Компактни обекти с 10 5 -10 10 слънчеви маси. Отличителните свойства на такива BHs са парадоксално ниската плътност, както и слабите приливни сили, които бяха споменати по-рано. Това е такава свръхмасивна черна дупка в центъра на нашата галактика Млечен път (Стрелец A*, Sgr A*), както и повечето други галактики.

Кандидатите за Черната къща

Най-близката черна дупка, или по-скоро кандидат за ролята на BH, е обект (V616 Unicorn), който се намира на разстояние 3000 светлинни години от Слънцето (в нашата галактика). Състои се от два компонента: звезда с маса половината от слънчевата маса, както и невидимо малко тяло, чиято маса е 3 - 5 слънчеви маси. Ако този обект се окаже малка черна дупка със звездна маса, то отдясно ще бъде най-близката BH.

След този обект, втората най-близка черна дупка е обектът Cyg X-1, който беше първият кандидат за ролята на BH. Разстоянието до него е приблизително 6070 светлинни години. Той е добре проучен: има маса от 14,8 слънчеви маси и радиус на хоризонта на събитията от около 26 km.

Според някои източници друг най-близък кандидат за ролята на BH може да бъде тяло от звездната система V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), което според оценките от 1999 г. се е намирало на разстояние от 1600 светлинни години. Следващите проучвания обаче увеличават това разстояние най-малко 15 пъти.

Колко черни дупки има в нашата галактика?

Няма точен отговор на този въпрос, тъй като е доста трудно да се наблюдават, а за цялото време на изследване на небето учените са успели да открият около дузина черни дупки в Млечния път. Без да се впускаме в изчисления, отбелязваме, че в нашата галактика има около 100 - 400 милиарда звезди и приблизително всяка хилядна звезда има достатъчно маса, за да образува черна дупка. Вероятно са се образували милиони черни дупки по време на съществуването на Млечния път. Тъй като е по-лесно да се регистрират огромни черни дупки, логично е да се предположи, че повечето BHs в нашата галактика най-вероятно не са свръхмасивни. Прави впечатление, че изследванията на НАСА от 2005 г. предполагат наличието на рояк черни дупки (10-20 хиляди), обикалящи около центъра на галактиката. Освен това през 2016 г. японски астрофизици откриха масивен спътник близо до обекта * - черна дупка, ядрото на Млечния път. Поради малкия радиус (0,15 светлинни години) на това тяло, както и огромната му маса (100 000 слънчеви маси), учените предполагат, че този обект също е свръхмасивна черна дупка.

Ядрото на нашата галактика, черната дупка на Млечния път (Стрелец A *, Sgr A * или Стрелец A *) е свръхмасивно и има маса от 4,31 10 6 слънчеви маси и радиус от 0,00071 светлинни години (6,25 светлинни години или 6,75 милиарда км). Температурата на Стрелец A* заедно с клъстера около него е около 1 · 10 7 K.

Най-голямата черна дупка

Най-голямата черна дупка във Вселената, която учените откриха, е свръхмасивна черна дупка, FSRQ blazar, в центъра на галактика S5 0014 + 81, на разстояние 1,2 · 10 10 светлинни години от Земята. Според предварителните резултати от наблюдение с помощта на космическата обсерватория Swift, масата на BH е 40 милиарда (40 · 10 9) слънчеви маси, а радиусът на Шварцшилд на такава дупка е 118,35 милиарда километра (0,013 светлинни години). Освен това се смята, че е възникнал преди 12,1 милиарда години (1,6 милиарда години след Големия взрив). Ако тази гигантска черна дупка не абсорбира заобикалящата материя, тогава тя ще оцелее до ерата на черните дупки - една от епохите на развитието на Вселената, през която черните дупки ще доминират в нея. Ако ядрото на галактиката S5 0014 + 81 продължи да расте, то ще се превърне в една от последните черни дупки, които ще съществуват във Вселената.

Другите две известни черни дупки, въпреки че нямат собствени имена, са от най-голямо значение за изследването на черните дупки, тъй като те потвърдиха съществуването им експериментално, а също така дадоха важни резултати за изследването на гравитацията. Говорим за събитието GW150914, което се нарича сблъсък на две черни дупки в една. Това събитие направи възможно регистрацията.

Откриване на черни дупки

Преди да се обмислят методи за откриване на черни дупки, трябва да се отговори на въпроса - защо черната дупка е черна? - отговорът на него не изисква дълбоки познания по астрофизика и космология. Факт е, че черната дупка поглъща цялата падаща върху нея радиация и изобщо не излъчва, ако не вземем предвид хипотетичното. Ако разгледаме това явление по-подробно, можем да предположим, че процеси, които водят до освобождаване на енергия под формата на електромагнитно излъчване, не протичат вътре в черните дупки. Тогава, ако BH наистина излъчва, тогава тя е в спектъра на Хокинг (който съвпада със спектъра на нагрято, абсолютно черно тяло). Въпреки това, както беше споменато по-рано, това излъчване не беше открито, което предполага напълно ниска температура на черните дупки.

Друга общоприета теория казва, че електромагнитното излъчване изобщо не е в състояние да напусне хоризонта на събитията. Най-вероятно е фотоните (светлинните частици) да не се привличат от масивни обекти, тъй като според теорията самите те нямат маса. Въпреки това, черната дупка все още "привлича" фотоните на светлината чрез изкривяване на пространство-времето. Ако си представим черна дупка в пространството като вид вдлъбнатина върху гладката повърхност на пространство-времето, тогава има известно разстояние от центъра на черната дупка, приближавайки се до което светлината вече няма да може да се отдалечи. Тоест, грубо казано, светлината започва да „пада“ в „ямата“, която дори няма „дъно“.

В допълнение към това, ако вземем предвид ефекта на гравитационното червено изместване, тогава е възможно светлината в черна дупка да загуби своята честота, измествайки се по спектъра към областта на нискочестотно дълговълново лъчение, докато загуби енергия изобщо.

Така че черната дупка е черна и следователно е трудна за откриване в космоса.

Методи за откриване

Помислете за методите, които астрономите използват за откриване на черна дупка:

В допълнение към методите, споменати по-горе, учените често свързват обекти като черни дупки и. Квазарите са някакъв вид струпвания от космически тела и газ, които са едни от най-ярките астрономически обекти във Вселената. Тъй като те имат висок интензитет на луминесценция при относително малки размери, има основание да се смята, че центърът на тези обекти е свръхмасивна черна дупка, която привлича заобикалящата материя. Поради толкова мощно гравитационно привличане, привлечената материя е толкова гореща, че излъчва интензивно. Намирането на такива обекти обикновено се сравнява с намирането на черна дупка. Понякога квазарите могат да излъчват в две посоки струи от нагрята плазма - релативистични струи. Причините за появата на такива струи (джетове) не са напълно ясни, но вероятно те са причинени от взаимодействието на магнитните полета на BH и акреционния диск, а не се излъчват от директната черна дупка.

Джет в галактиката M87, удрящ от центъра на BH

Обобщавайки горното, може да си представим отблизо: това е сферичен черен обект, около който се върти силно нагрята материя, образувайки светещ акреционен диск.

Сливане и сблъскване на черни дупки

Едно от най-интересните явления в астрофизиката е сблъсъкът на черни дупки, който също прави възможно откриването на такива масивни астрономически тела. Такива процеси представляват интерес не само за астрофизиците, тъй като слабо проучени от физиците явления се превръщат в тяхна последица. Най-яркият пример е споменатото по-рано събитие, наречено GW150914, когато две черни дупки се приближиха толкова много, че се сляха в една в резултат на взаимното гравитационно привличане. Важна последица от този сблъсък беше появата на гравитационни вълни.

Според определението за гравитационни вълни, това са промени в гравитационното поле, които се разпространяват по вълнообразен начин от масивни движещи се обекти. Когато два такива обекта се приближат един до друг, те започват да се въртят около общ център на тежестта. Когато се приближават един към друг, въртенето им около собствената им ос се увеличава. Такива променливи флуктуации на гравитационното поле в даден момент могат да образуват една мощна гравитационна вълна, която може да се разпространява в космоса в продължение на милиони светлинни години. Така на разстояние от 1,3 милиарда светлинни години две черни дупки се сблъскаха, образувайки мощна гравитационна вълна, която достигна Земята на 14 септември 2015 г. и беше регистрирана от детекторите LIGO и VIRGO.

Как умират черните дупки?

Очевидно, за да престане да съществува черна дупка, тя ще трябва да загуби цялата си маса. Въпреки това, според нейната дефиниция, нищо не може да напусне границите на черна дупка, ако е прекосила хоризонта на събитията. Известно е, че съветският физик-теоретик Владимир Грибов е първият, който споменава възможността черна дупка да излъчва частици в дискусията си с друг съветски учен Яков Зелдович. Той твърди, че от гледна точка на квантовата механика, черната дупка е способна да излъчва частици чрез тунелния ефект. По-късно с помощта на квантовата механика английският физик-теоретик Стивън Хокинг изгражда своя собствена, малко по-различна теория. Можете да прочетете повече за този феномен. Накратко, във вакуум има така наречените виртуални частици, които постоянно се раждат по двойки и се унищожават една с друга, като същевременно не взаимодействат с външния свят. Но ако такива двойки се появят на хоризонта на събитията на черна дупка, тогава силната гравитация е хипотетично способна да ги раздели, като едната частица пада вътре в BH, а другата се отдалечава от черната дупка. И тъй като частицата, излизаща от дупката, може да бъде наблюдавана и следователно има положителна енергия, частицата, попадаща в дупката, трябва да има отрицателна енергия. Така черната дупка ще загуби своята енергия и ще има ефект, наречен изпаряване на черната дупка.

Според наличните модели на черна дупка, както беше споменато по-рано, с намаляването на масата й, нейното излъчване става по-интензивно. Тогава, на последния етап от съществуването на BH, когато може да намалее до размера на квантова черна дупка, тя ще освободи огромно количество енергия под формата на радиация, която може да бъде еквивалентна на хиляди или дори милиони атомни бомби. Това събитие донякъде напомня експлозията на черна дупка, като същата бомба. Според изчисленията в резултат на Големия взрив биха могли да възникнат първични черни дупки, а тези от тях, чиято маса е около 10 12 кг, е трябвало да се изпарят и експлодират около наше време. Както и да е, такива експлозии никога не са били забелязани от астрономите.

Въпреки предложения от Хокинг механизъм за унищожаване на черни дупки, свойствата на лъчението на Хокинг предизвикват парадокс в рамките на квантовата механика. Ако черна дупка погълне тяло и след това загуби масата, получена от поглъщането на това тяло, тогава независимо от естеството на тялото, черната дупка няма да се различава от това, което е била преди поглъщането на тялото. В този случай информацията за тялото се губи завинаги. От гледна точка на теоретичните изчисления, преобразуването на първоначалното чисто състояние в полученото смесено („топлинно“) състояние не отговаря на настоящата теория на квантовата механика. Този парадокс понякога се нарича изчезване на информация в черна дупка. Окончателното решение на този парадокс не е намерено. Известни варианти за решаване на парадокса:

Непоследователност на теорията на Хокинг. Това води до невъзможност за унищожаване на черната дупка и нейния постоянен растеж.
Наличието на бели дупки. В този случай усвоената информация не изчезва, а просто се изхвърля в друга Вселена.
Несъответствие на общоприетата теория на квантовата механика.

Нерешени проблеми на физиката на черните дупки

Очевидно това, което беше описано по-рано, въпреки че черните дупки са изследвани от сравнително дълго време, те все още имат много характеристики, чиито механизми все още не са известни на учените.

През 1970 г. английски учен формулира т.нар. „Принципът на космическата цензура“ – „Природата се отвращава от гола сингулярност“. Това означава, че сингулярността се формира само на места, скрити от погледа, като центъра на черна дупка. Този принцип обаче все още не е доказан. Има и теоретични изчисления, според които може да възникне "гола" сингулярност.
Не е доказана и „теоремата без коса“, според която черните дупки имат само три параметъра.
Пълна теория за магнитосферата на черната дупка не е разработена.
Природата и физиката на гравитационната сингулярност не са изследвани.
Не е известно със сигурност какво се случва в последния етап от съществуването на черна дупка и какво остава след нейния квантов разпад.

Интересни факти за черните дупки

Обобщавайки горното, има няколко интересни и необичайни характеристики на природата на черните дупки:

BH имат само три параметъра: маса, електрически заряд и ъглов импулс. В резултат на толкова малък брой характеристики на това тяло, теоремата, която твърди това, се нарича "теорема без коса". Това също породи фразата "черната дупка няма коса", което означава, че две черни дупки са абсолютно идентични, трите им споменати параметъра са еднакви.
Плътността на BH може да бъде по-малка от плътността на въздуха, а температурата е близка до абсолютната нула. От това може да се предположи, че образуването на черна дупка се случва не поради компресията на материята, а в резултат на натрупването на голямо количество материя в определен обем.
Времето за телата, погълнати от BH, тече много по-бавно, отколкото за външен наблюдател. Освен това погълнатите тела са значително опънати вътре в черната дупка, която учените наричат - спагетификация.
В нашата галактика може да има около милион черни дупки.
Вероятно има свръхмасивна черна дупка в центъра на всяка галактика.
В бъдеще, според теоретичния модел, Вселената ще достигне така наречената ера на черните дупки, когато черните дупки ще станат доминиращи тела във Вселената.

Хипотезата за съществуването на черни дупки е изложена за първи път от английския астроном Дж. Мишел през 1783 г. въз основа на корпускулярната теория на светлината и теорията на Нютон за гравитацията. По това време вълновата теория на Хюйгенс и известният му вълнов принцип бяха просто забравени. Теорията на вълните не беше подпомогната от подкрепата на някои видни учени, по-специално на известните петербургски академици M.V. Ломоносов и Л. Ойлер. Логиката на разсъжденията, която доведе Микела до концепцията за черна дупка, е много проста: ако светлината се състои от частици-тела на светлинния етер, тогава тези частици трябва да изпитват, подобно на други тела, привличане от страната на гравитационното поле. Следователно, колкото по-масивна е звездата (или планетата), толкова по-голямо привличане от нейната страна трябва да изпитат частиците и толкова по-трудно е светлината да напусне повърхността на такова тяло.

Допълнителна логика предполага, че такива масивни звезди могат да съществуват в природата, чието привличане корпускулите вече не могат да преодолеят и те винаги ще изглеждат черни за външен наблюдател, въпреки че самите те могат да блестят с ослепителен блясък, като Слънцето. Физически това означава, че втората космическа скорост на повърхността на такава звезда трябва да бъде не по-малка от скоростта на светлината. Изчисленията на Мишел показват, че светлината никога няма да напусне звезда, ако нейният радиус при средна слънчева плътност е 500 слънчеви. Такава звезда вече може да се нарече черна дупка.

13 години по-късно френският математик и астроном П.С. Лаплас изрази, най-вероятно, независимо от Мишел, подобна хипотеза за съществуването на такива екзотични обекти. Използвайки тромав метод за изчисление, Лаплас намира радиуса на сферата за дадена плътност, на чиято повърхност параболичната скорост е равна на скоростта на светлината. Според Лаплас светлинните частици, тъй като са гравитиращи частици, трябва да бъдат забавени от масивни звезди, излъчващи светлина, които имат плътност равна на тази на Земята, а радиусът е 250 пъти по-голям от слънчевия.

Тази теория на Лаплас е включена само в първите две доживотни издания на известната му книга "Представяне на системата на света", публикувана през 1796 и 1799 г. Да, може би австрийският астроном Ф. К. фон Зах се интересува от теорията на Лаплас, публикувайки я през 1798 г. под заглавието „Доказателство на теоремата, че силата на гравитацията на тежко тяло може да бъде толкова голяма, че светлината не може да изтича от него“.

В този момент историята на изследването на черни дупки е спряла за повече от 100 години. Изглежда, че самият Лаплас тихомълком се е отказал от такава екстравагантна хипотеза, тъй като я е изключил от всички други доживотни издания на книгата си, публикувана през 1808, 1813 и 1824 г. Може би Лаплас не е искал да повтори почти фантастичната хипотеза за колосални звезди, които вече не излъчват светлина. Може би той е бил спрян от нови астрономически данни за неизменността на величината на аберацията на светлината в различни звезди, което противоречи на някои от изводите на неговата теория, на базата на която той основава своите изчисления. Но най-вероятната причина, поради която всички са забравили за мистериозните хипотетични обекти на Мишел-Лаплас, е триумфът на вълновата теория на светлината, чието триумфално шествие започва в първите години на 19-ти век.

Началото на този триумф е положено от лекцията на Букър на английския физик Т. Юнг "Теория на светлината и цвета", публикувана през 1801 г., където Юнг смело, въпреки Нютон и други известни привърженици на корпускулярната теория (включително Лаплас) , очертава същността на вълновата теория на светлината, като казва, че излъчваната светлина се състои от вълнообразни движения на светещият етер. Лаплас, вдъхновен от откритието на поляризацията на светлината, започва да "спасява" корпускулите, като изгражда теория за двойното пречупване на светлината в кристалите на базата на двойното действие на кристалните молекули върху светлинните частици. Но последващите работи на физиците O. Zh. Френел, Ф.Д. Арагон, Й. Фраунхофер и други не оставиха камък на камък от корпускулярната теория, която беше сериозно припомнена само век по-късно, след откриването на квантите. Всички разсъждения за черните дупки в рамките на вълновата теория на светлината по това време изглеждаха нелепо.

Те не се сетиха веднага за черните дупки дори след „рехабилитацията” на корпускулярната теория на светлината, когато започнаха да говорят за нея на ново качествено ниво благодарение на хипотезата за квантите (1900) и фотоните (1905). Черните дупки са преоткрити за втори път едва след създаването на общата теория на относителността през 1916 г., когато немският теоретичен физик и астроном К. Шварцшилд, няколко месеца след публикуването на уравненията на Айнщайн, ги използва за изследване на структурата на извито пространство-време в околността на Слънцето. В резултат на това той преоткрива феномена на черните дупки, но на по-дълбоко ниво.

Окончателното теоретично откритие на черните дупки се случва през 1939 г., когато Опенхаймер и Снайдер извършват първото явно решение на уравненията на Айнщайн, когато описват образуването на черна дупка от срутващ се облак прах. Самият термин "черна дупка" е въведен за първи път в науката от американския физик Дж. Уилър през 1968 г., през годините на бързото възраждане на интереса към общата теория на относителността, космологията и астрофизика, причинено от постиженията на извънатмосферните (в частност , рентгенова) астрономия, откриването на реликтно излъчване, пулсари и квазари.

Черните дупки са може би най-мистериозните и мистериозни астрономически обекти в нашата Вселена, тъй като тяхното откритие привлече вниманието на експертите и развълнува въображението на писателите на научна фантастика. Какво представляват черните дупки и какви са те? Черните дупки са угаснали звезди, поради своите физически характеристики, притежаващи толкова висока плътност и толкова мощна гравитация, че дори светлината не може да избяга от тях.

История на откриването на черни дупки

За първи път теоретичното съществуване на черни дупки, много преди действителното им откриване, е предложено от някакъв Д. Мишел (английски свещеник от Йоркшир, който обича астрономията в свободното си време) през далечната 1783 година. Според неговите изчисления, ако нашата се вземе и компресира (на съвременен компютърен език – архивирана) до радиус от 3 км, се образува толкова голяма (просто огромна) сила на гравитацията, че дори светлината не може да я напусне. Така се появи понятието "черна дупка", въпреки че всъщност тя изобщо не е черна, според нас терминът "тъмна дупка" би бил по-подходящ, защото се случва именно отсъствието на светлина.

По-късно, през 1918 г., великият учен Алберт Айнщайн пише за проблема с черните дупки в контекст. Но едва през 1967 г., благодарение на усилията на американския астрофизик Джон Уилър, концепцията за черните дупки най-накрая спечели място в академичните среди.

Както и да е, Д. Мишел, Алберт Айнщайн и Джон Уилър в своите творби предполагат само теоретичното съществуване на тези мистериозни небесни обекти в космическото пространство, но истинското откриване на черните дупки става през 1971 г., точно тогава те са забелязани за първи път в телескоп.

Ето как изглежда черна дупка.

Как се образуват черни дупки в космоса

Както знаем от астрофизика, всички звезди (включително нашето Слънце) имат ограничен запас от гориво. И въпреки че животът на една звезда може да продължи милиарди години, рано или късно този условен запас от гориво свършва и звездата „изгасва“. Процесът на "изгасване" на звезда е придружен от интензивни реакции, по време на които звездата претърпява значителна трансформация и в зависимост от размера си може да се превърне в бяло джудже, неутронна звезда или черна дупка. Освен това най-големите звезди с невероятно внушителни размери обикновено се превръщат в черна дупка - поради свиването на тези много невероятни размери има многократно увеличаване на масата и гравитационната сила на новообразуваната черна дупка, която се превръща в един вид галактическа прахосмукачка - попива всичко и всички около себе си.

Черна дупка поглъща звезда.

Малка забележка - нашето Слънце, според галактическите стандарти, изобщо не е голяма звезда и след изчезване, което ще настъпи след около няколко милиарда години, най-вероятно няма да се превърне в черна дупка.

Но нека бъдем откровени - днес учените все още не познават всички тънкости на образуването на черна дупка, несъмнено това е изключително сложен астрофизичен процес, който сам по себе си може да продължи милиони години. Въпреки че е възможно да се движи в тази посока, откриването и последващото изследване на т. нар. междинни черни дупки, тоест звезди в състояние на изчезване, при което протича активен процес на образуване на черна дупка. Между другото, подобна звезда беше открита от астрономите през 2014 г. в ръката на спирална галактика.

Колко черни дупки има във Вселената

Според теориите на съвременните учени нашата галактика Млечен път може да съдържа до стотици милиони черни дупки. Не по-малко може да има и в съседната галактика, до която няма какво да отлети от нашия Млечен път – 2,5 милиона светлинни години.

Теория на черната дупка

Въпреки огромната маса (която е стотици хиляди пъти по-голяма от масата на нашето Слънце) и невероятната сила на гравитацията, не беше лесно да се видят черни дупки през телескоп, защото те изобщо не излъчват светлина. Учените успяха да забележат черна дупка едва в момента на нейното „нахранване“ – поглъщането на друга звезда, в този момент се появява характерно излъчване, което вече може да се наблюдава. Така теорията за черната дупка намери фактическо потвърждение.

Свойства на черните дупки

Основното свойство на черната дупка е нейните невероятни гравитационни полета, които не позволяват на околното пространство и време да останат в обичайното си състояние. Да, правилно чухте, времето вътре в черна дупка тече много пъти по-бавно от обикновено и ако сте били там, след това, връщайки се назад (ако сте имали такъв късмет, разбира се), ще бъдете изненадани да забележите, че на Земята са минали векове, и вие дори не остареете имахте време. Въпреки че ще бъдем честни, ако бяхте вътре в черна дупка, едва ли бихте оцелели, тъй като силата на гравитацията там е такава, че всеки материален обект просто ще бъде разкъсан дори на части, на атоми.

Но ако бяхте дори близо до черна дупка, в обхвата на нейното гравитационно поле, тогава също ще имате трудности, защото колкото повече се съпротивлявате на гравитацията й, опитвайки се да отлетите, толкова по-бързо ще паднете в нея. Причината за този привидно парадокс е гравитационното вихрово поле, което всички черни дупки притежават.

Ами ако човек попадне в черна дупка

Изпаряване на черни дупки

Английският астроном С. Хокинг открива интересен факт: оказва се, че черните дупки също излъчват. Вярно е, че това се отнася само за дупки с относително малка маса. Мощната гравитация около тях поражда двойки частици и античастици, едната от двойката се привлича от отвора, а втората се изхвърля навън. Така черната дупка излъчва твърди античастици и гама лъчи. Това изпарение или излъчване от черна дупка е кръстено на учения, който го е открил – „радиация на Хокинг“.

Най-голямата черна дупка

Според теорията за черните дупки, в центъра на почти всички галактики са огромни черни дупки с маси, вариращи от няколко милиона до няколко милиарда слънчеви маси. И сравнително наскоро учените откриха две от най-големите черни дупки, известни досега, те се намират в две близки галактики: NGC 3842 и NGC 4849.

NGC 3842 е най-ярката галактика в съзвездието Лъв, на около 320 милиона светлинни години. В центъра му е огромна черна дупка с тегло 9,7 милиарда слънчеви маси.

NGC 4849 е галактика в купа Кома, на разстояние от 335 милиона светлинни години от нас, и може да се похвали със също толкова впечатляваща черна дупка.

Зоните на действие на гравитационното поле на тези гигантски черни дупки, или в академични термини, техният хоризонт на събитията е около 5 пъти разстоянието от Слънцето до! Такава черна дупка би изяла нашата слънчева система и дори няма да се задави.

Най-малката черна дупка

Но в огромното семейство черни дупки има много малки представители. Така че черната дупка джудже, открита от учените в момента по отношение на нейната маса, е само 3 пъти по-голяма от масата на нашето Слънце. Всъщност това е теоретичният минимум, необходим за образуването на черна дупка, ако тази звезда беше малко по-малка, дупката нямаше да се образува.

Черните дупки са канибали

Да, има такъв феномен, както писахме по-горе, черните дупки са вид "галактически прахосмукачки", които поглъщат всичко около себе си, включително... други черни дупки. Наскоро астрономите откриха, че черна дупка от една галактика се изяжда от голям черен лакомник от друга галактика.

Според хипотезите на някои учени черните дупки са не само галактически прахосмукачки, които изсмукват всичко в себе си, но при определени обстоятелства сами могат да генерират нови вселени.
Черните дупки могат да се изпарят с течение на времето. По-горе писахме, че английският учен Стивън Хокинг открива, че черните дупки имат свойството на радиация и след много дълъг период от време, когато няма какво да поглъща наоколо, черната дупка ще започне да се изпарява повече, докато накрая се откаже от всичко. масата му в околното пространство. Въпреки че това е само предположение, хипотеза.
Черните дупки забавят времето и деформират пространството. Вече писахме за забавянето на времето, но пространството в условията на черна дупка ще бъде напълно извито.
Черните дупки ограничават броя на звездите във Вселената. А именно техните гравитационни полета предотвратяват охлаждането на газовите облаци в космоса, от които, както знаете, се раждат нови звезди.

Видео за черните дупки на Discovery Channel

И в заключение ви предлагаме интересен научен документален филм за черните дупки от Discovery Channel.

При написването на статията се опитах да я направя възможно най-интересна, полезна и качествена. Ще бъда благодарен за всяка обратна връзка и градивна критика под формата на коментари към статията. Също така, можете да напишете вашето желание / въпрос / предложение на моята поща [защитен с имейл]или Facebook, искрено авторът.