18 интересных фактов о черных дырах
Черные дыры являются одним из самых интересных объектов во Вселенной. Это небесные тела чрезвычайно сильной гравитации, из которых ничто не может вырваться - ни планета, ни луна, ни даже свет.
Все, что пересекает горизонт событий - границу, в пределах которой скорость убегания черной дыры больше скорости света - резко движется к неизвестной судьбе.
В последние годы физики обнаружили много неизвестных фактов о черных дырах. Некоторые открытия заложили основу для будущего, в то время как некоторые все еще поражают воображение исследователей. Вот 18 самых интригующих фактов и теорий черных дыр, которые вы должны знать.
1. Черная дыра была открыта Карлом Шварцшильдом в 1916 году
Хотя объекты с интенсивными гравитационными полями (из которых свет не может уйти) рассматривались в 18 веке, именно Карл Шварцшильд дал первое современное решение общей теории относительности в 1916 году, характеризующее черную дыру.
В 1958 году Дэвид Финкельштейн опубликовал свою интерпретацию как область пространства, из которой ничто не может вырваться. Американский физик-теоретик Джон Уилер затем связал термин «черная дыра» с объектами с гравитационным коллапсом, предсказанным в начале 20-го века.
Он использовал термин «черная дыра» во время презентации, которую он дал в Институте космических исследований имени Годдарда НАСА в 1967 году.
2. Их нельзя наблюдать непосредственно
Первое в мире изображение черной дыры в ядре эллиптической галактики Мессье 87
Поскольку свет не может избежать массивного гравитационного притяжения черной дыры, вы не можете непосредственно наблюдать его. Тем не менее вы можете увидеть, как его гравитация влияет на близлежащие небесные тела и газ.
Астрономы изучают звезды, чтобы увидеть, вращаются ли они вокруг черной дыры. Когда звезда и черная дыра находятся близко друг к другу, испускается излучение, которое обычно фиксируется космическими телескопами и спутниками.
В 2019 году ученые сняли первое в мире изображение черной дыры, расположенной на расстоянии 500 миллионов триллионов километров. Он был сфотографирован сетью 8 телескопов по всему миру. Эта сверхмассивная черная дыра имеет ширину в 40 миллиардов километров и в 6,5 миллиардов раз больше массы Солнца.
3. Типы черных дыр
Существует четыре типа черных дыр (три реальных и одна гипотетическая) -
Звездные черные дыры: это маленькие черные дыры с массами от 5 до нескольких десятков масс Солнца. Они образованы гравитационным коллапсом большой звезды.
Сверхмассивные черные дыры: самые большие черные дыры с массами от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс. Их происхождение остается открытой областью исследования.
Промежуточные черные дыры значительно более массивны, чем звездные черные дыры, но меньше, чем сверхмассивные черные дыры. Наиболее убедительные доказательства таких небесных тел получены от некоторых активных галактических ядер с низкой светимостью.
Изначальные черные дыры - это гипотетические черные дыры, которые могли образоваться вскоре после Большого взрыва. Их массы могут быть намного меньше, чем звездные массы. Стивен Хокинг подробно изучил эти черные дыры и обнаружил, что они могут весить всего 100 микрограммов.
4. Черная дыра имеет три слоя
Черная дыра имеет три слоя: сингулярность, внешний и внутренний горизонт событий.
Центр черной дыры называется сингулярностью. Это область, где вся масса сжимается до почти нулевого объема. Таким образом, особенность имеет почти бесконечную плотность и порождает огромную гравитационную силу.
Внешний горизонт событий - это самый внешний слой, из которого материалы все еще могут вырваться из гравитации черной дыры. Гравитационное притяжение этого слоя не такое сильное, как в центральном или среднем слое.
Внутренний горизонт событий - это центральный слой. Это регион, откуда вещество не может убежать. Он толкает вещество к центру черной дыры, где гравитационное воздействие является наиболее сильным.
5. Черная дыра может быть размером до 0,1 миллиметра
Черная дыра может иметь массу, столь же малую, как луна Земли, и огромную, в десять миллиардов раз превышающую массу Солнца.
Его масса пропорциональна размеру горизонта событий, который измеряется как радиус Шварцшильда. Это радиус, при котором скорость выхода равна скорости света.
Более того, ни одна черная дыра не является бесконечно маленькой. Минимальная масса выше или равна массе Планка, которая составляет около 22 микрограммов.
6. Черные дыры вращаются вокруг оси
Когда звезда падает в очень маленькое пространство, она все еще сохраняет всю эту массу. Чтобы сохранить момент импульса, скорость вращения черной дыры увеличивается.
Поскольку черная дыра вращается, ее масса заставляет вращаться и близлежащее пространство-время. Этот регион называется эргосферой. Это регион (за пределами горизонта событий), где происходят различные интересные эффекты.
Чем меньше горизонт событий, тем быстрее он вращается. Однако существует ограничение скорости, с которой черная дыра может вращаться [не раскрывая свою сингулярность остальной Вселенной].
Самая тяжелая звездная черная дыра (GRS 1915+105) в Млечном Пути вращается 1150 раз в секунду. А в галактике NGC 1365 есть черная дыра, которая вращается со скоростью 84% скорости света. Он достиг предела космической скорости и не может вращаться быстрее.
7. Они производят звук
В 2003 году астрономы, использующие рентгеновскую обсерваторию Чандра НАСА, обнаружили звуковые волны от сверхмассивной черной дыры, расположенной в 250 миллионах световых лет от Земли.
Когда черная дыра втягивает что-то, ее горизонт событий заряжает частицу близко к скорости света, производя звук. Космические телескопы улавливают звуковые волны, которые уже прошли миллионы световых лет от их источника (черной дыры).
Но звук не может распространяться в вакууме, тогда как мы слышим черные дыры? На самом деле, космическое пространство не полный вакуум. Он состоит из нескольких атомов водорода (плюс другие газы) на кубический метр, которые служат средой для очень низкочастотных звуковых волн.
8. Черные дыры искажают пространство и время
Из-за сильного гравитационного воздействия черная дыра может исказить пространство-время в ближнем соседстве. Согласно общей теории относительности, чем ближе вы к черной дыре, тем медленнее проходит время.
Горизонт событий - это граница вокруг черной дыры, где каждая материя, включая свет, теряет способность убегать. Гравитационная сила постоянна на горизонте событий.
Вращающаяся черная дыра порождает странный эффект, называемый перетаскиванием кадра. В этом случае пространство и время, близкие к черной дыре, фактически тянутся вокруг нее. Космос тянется так сильно, что невозможно двигаться в противоположном направлении. Это бесконечный регресс искажений, когда нет возможности двигаться вперед.
В целом, классические законы физики в том виде, в каком мы их знаем, перестают действовать внутри горизонта событий, на самом деле невозможно представить что-либо с бесконечной плотностью и нулевым объемом.
9. Черные дыры могут убить тебя ужасным способом
Предполагая, что это маленькая черная дыра, вы будете искажены огромной приливной силой тяжести. Приливная сила - это разница между силой тяжести на голове и ногах. Сила, действующая на вашу голову (если вы падаете головой вперед), будет намного сильнее, чем сила, действующая на ваши ноги.
Эта разница заставит вас почувствовать, что что-то разрывает вас на части, растягивает с головы до ног. Чем ближе ваша голова к черной дыре, тем быстрее она движется. Но нижняя половина вашего тела находится дальше и поэтому не движется к центру так быстро.
Когда приливная сила превышает молекулярные силы, которые связывают вашу плоть, ваше тело разорвется на две части, и эти две части разорвутся на две другие части, и так далее. Вы были бы вытеснены через ткань пространства-времени, как зубная паста через трубку.
10. Черные дыры не засасывают
Люди обычно думают о черной дыре как о космическом вакууме, который высасывает вещество со всего вокруг. Это распространенное заблуждение. Черные дыры похожи на любое другое небесное тело, но имеют огромное гравитационное влияние на пространство в их окрестностях. Это гравитационное притяжение просто заставляет вещество вокруг них быстро ускоряться.
Даже если вы замените наше Солнце черной дырой равной массы, Земля не упадет. У черной дыры будет то же гравитационное поле, что и у Солнца. Земля и другие планеты будут продолжать вращаться вокруг черной дыры, когда она вращается вокруг Солнца сегодня.
А поскольку Солнце недостаточно велико, оно никогда не превратится в черную дыру.
11. Сверхмассивные черные дыры существуют в центрах большинства галактик
Исследователи полагают, что в ядре большинства галактик, включая Млечный Путь, есть сверхмассивная черная дыра. Эти большие черные дыры фактически удерживают галактики вместе в космосе.
Стрелец А, черная дыра, расположенная в центре Млечного Пути, в 4 миллиона раз массивнее Солнца. На расстоянии всего 26 000 световых лет от Земли Стрелец А является одной из очень немногих черных дыр во Вселенной, где астрономы могут фактически наблюдать поток материи поблизости.
12. Во Вселенной есть бесчисленные черные дыры
Одна наша галактика состоит из более чем 100 миллионов звездных черных дыр, плюс сверхмассивный Стрелец А в ее ядре. Почти 100 миллиардов галактик, каждая из которых имеет ядро сверхмассивного монстра и 100 миллионов черных дыр звездной массы (в то время как другие типы еще изучаются), это все равно что пытаться подсчитать количество песчинок на Земле.
13. Любой объект может быть превращен в черную дыру
Звезды не единственные вещи, которые в конечном итоге превращаются в черные дыры. Теоретически вы можете превратить все в черную дыру.
Например, если вы уменьшите размер Солнца до 6 километров в поперечнике, сохраняя при этом всю его массу, он станет черной дырой. Его плотность достигнет астрономических уровней, которые сделают гравитационную силу невероятно сильной.
Та же теория может быть применена к Земле и любому другому объекту, такому как мобильный телефон, автомобиль или даже ваше собственное тело. Однако мы не знаем такой техники, которая может уменьшить объем до бесконечно малой точки, сохраняя при этом 100 процентов массы объекта.
14. Со временем они испаряются
В 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры излучают небольшое количество фотонных частиц, что заставляет их постепенно терять массу и исчезать со временем. Этот процесс испарения называется «излучение Хокинга».
Излучение черного тела происходит за счет квантовых эффектов вблизи горизонта событий. Поскольку процесс невероятно медленный, только самые маленькие черные дыры успели бы полностью испариться в течение 13,8 миллиардов лет (эпоха Вселенной).
15. Сверхмассивные черные дыры определяют количество звезд в галактике
Существует сбалансированная связь между деятельностью черных дыр и количеством звезд. Слишком много звезд сделало бы галактику слишком горячей, чтобы жизнь могла эволюционировать, тогда как недостаточное количество звезд может помешать формированию жизни.
Новое исследование показывает, как сверхмассивные черные дыры регулируют звездообразование в массивных галактиках. История звездообразования в близлежащих массивных галактиках зависит от массы центральной сверхмассивной черной дыры.
16. Они являются гигантским источником энергии
Черные дыры создают энергию более эффективно, чем маленькие звезды, такие как Солнце.
Поскольку гравитационное влияние очень сильно вблизи горизонта событий, вещество, ближайшее к краю горизонта событий, вращается намного быстрее, чем вещество на внешнем горизонте событий (внешний слой черной дыры).
Вещество движется так быстро, что нагревается до миллионов градусов по Цельсию, превращая массу в энергию в форме излучения (известного как излучение черного тела).
Черная дыра может преобразовать 10% массы в энергию. Чтобы поместить это в перспективу, ядерный синтез превращает только 0,7% массы в энергию.
Исследователи даже исследовали, возможно ли физически использовать этот вид энергии для строительства электростанций или космических кораблей.
17. Черные дыры могут создать новые вселенные
Это может показаться странным, но некоторые физики считают, что черные дыры могут открыть новые миры. Наша вселенная, возможно, родилась внутри черной дыры, и черные дыры в нашей вселенной могут порождать новые собственные вселенные.
Чтобы понять, как это работает, представьте себе нашу нынешнюю Вселенную: все, на что вы смотрите, стало возможным благодаря ряду событий, произошедших в прошлом, и определенным условиям, которые объединились для создания жизни.
Если вы внесете изменения в эти условия / события хотя бы на небольшое количество, все будет по-другому. Теоретически, сингулярность может изменить эти условия, создав новую, слегка измененную вселенную.
18. Информация может спастись от черной дыры
Что происходит с информацией о частицах, проходящих через черные дыры? Физики пытались ответить на этот вопрос десятилетиями.
Законы квантовой физики утверждают, что информация не может быть уничтожена окончательно. Однако, если информация не может вырваться из черной дыры, то, по сути, она была уничтожена. Это, кажется, нарушает правила квантовой механики.
По словам Стивена Хокинга, информация никогда не попадает в черную дыру.
«Информация хранится не во внутренней части черной дыры, как можно было ожидать, а на ее границе, горизонте событий» - Стивен Хокинг
Когда объект входит в черную дыру, его информация захватывается и сохраняется на горизонте событий. Хотя объект может быть разрушен внутри черной дыры, информация останется размытой на горизонте событий.
Информация может сбежать вместе с излучением Хокинга, но в бесполезной и хаотичной форме. На самом деле, это может произойти в другой вселенной. Хокинг предположил, что черные дыры не являются вечными тюрьмами, которые они когда-то считали.