Для современных ученых черная дыра – это одно из самых загадочных явлений в нашей вселенной. Изучение таких объектов затруднено, не представляется возможным испробовать их «опытным путем». Масса, плотность вещества черной дыры, процессы формирования этого объекта, габариты – все это вызывает у специалистов интерес, а временами – недоумение. Рассмотрим тему детальнее. Сперва разберем, что такой объект собой представляет.
Общая информация
Удивительная особенность космического объекта – это сочетание небольшого радиуса, высокой плотности вещества черной дыры и невероятно большой массы. Все известные в настоящий момент физические качества такого объекта кажутся ученым странными, зачастую необъяснимыми. Даже самые опытные астрофизики все еще не перестают удивляться особенностям таких явлений. Основная особенность, позволяющая ученым идентифицировать черную дыру, – горизонт событий, то есть граница, из-за которой обратно уже ничего не возвращается, включая свет. Если некоторая зона навсегда отделена, границу отделения обозначают как горизонт событий. При временном отделении фиксируют наличие видимого горизонта. Иногда временное – очень растяжимое понятие, то есть область, возможно, отделяется на срок, превышающий текущий возраст Вселенной. Если наблюдается видимый горизонт, существующий продолжительное время, сложно отличить его от горизонта событий.
Вам будет интересно:Просветительство - это не только получение знаний
Вам будет интересно:Чем отличалась критская цивилизация от микенской?
Во многом свойства черной дыры, плотность вещества, формирующего ее, обусловлены иными физическими качествами, действующими в нашем мире законами. Горизонт событий сферически-симметричной черной дыры – это сфера, чей диаметр обусловлен массой. Чем больше массы затянуто внутрь, тем крупнее дыра. И все же она остается удивительно маленькой на фоне звезд, поскольку гравитационное давление сжимает все, что находится внутри. Если представить дыру, чья масса соответствует нашей планете, то радиус такого объекта не превысит нескольких миллиметров, то есть будет в десять миллиардов меньше земного. Радиус назвали именем Шварцшильда - ученого, который впервые вывел черные дыры как решение для общей теории относительности Эйнштейна.
А внутри?
Попав в такой объект, человек вряд ли заметит на себе огромную плотность. Свойства черной дыры изучены недостаточно хорошо, чтобы можно было с уверенностью говорить, что произойдет, но ученые считают, что при пересечении горизонта ничего особенного выявить не получится. Это объясняется эквивалентным эйнштейновским принципом, объясняющим, почему формирующее кривизну горизонта поле и свойственное плоскости ускорение не имеют различий для наблюдателя. Отслеживая процесс пересечения издали, можно заметить, что объект начинает замедляться вблизи горизонта, словно время в этом месте течет медленно. Спустя некоторое время объект пересечет горизонт, попадет в радиус Шварцшильда.
Вам будет интересно:Чем отличалась критская цивилизация от микенской?
Тесно связаны между собой плотность материи черной дыры, масса объекта, его габариты и приливные силы, поле гравитации. Чем радиус больше, тем плотность меньше. Радиус увеличивается с весом. Приливные силы находятся в обратно пропорциональной зависимости от веса, возведенного в квадрат, то есть с увеличением габаритов и уменьшением плотности приливные силы объекта снижаются. Удастся преодолеть горизонт раньше, чем заметить этот факт, если масса объекта очень большая. В первые дни общей теории относительности считалось, что на горизонте существует сингулярность, но оказалось, что это не так.
О плотности
Как показали исследования, плотность черной дыры, в зависимости от массы, может быть больше или меньше. Для разных объектов этот показатель варьируется, но всегда уменьшается с увеличением радиуса. Могут появиться сверхмассивные дыры, которые формируются экстенсивным путем за счет накопления материала. В среднем плотность таких объектов, масса которых соответствует суммарной массе нескольких миллиардов светил нашей системы, меньше плотности воды. Иногда она сравнима с уровнем плотности газа. Приливная сила этого объекта активизируется уже после того, как наблюдатель пересекает горизонт событий. Гипотетический исследователь не пострадает, подходя к горизонту, и будет падать многие тысячи километров, если найдет защиту от дисковой плазмы. Если наблюдатель не будет оглядываться, он не заметит, что горизонт пересечен, а если повернет голову, вероятно, увидит застывшие у горизонта световые лучи. Время для наблюдателя будет течь очень медленно, он сможет отследить события вблизи дыры вплоть до момента гибели - или ее, или Вселенной.
Чтобы определить плотность сверхмассивной черной дыры, нужно знать ее массу. Находят значение этой величины и объема Шварцшильда, свойственного космическому объекту. В среднем такой показатель, как считают астрофизики, исключительно маленький. Во внушительном проценте случаев он меньше уровня плотности воздуха. Объясняют явление следующим образом. Радиус Шварцшильда прямо соотносится с весом, плотность же находится в обратной зависимости от объема, а значит, радиуса Шварцшильда. Объем находится в прямой зависимости от возведенного в куб радиуса. Масса увеличивается линейно. Соответственно, объем нарастает быстрее веса, и средняя плотность становится тем меньше, чем больше радиус изучаемого объекта.
Любопытно знать
Приливная сила, присущая дыре, является градиентом силы притяжения, которая на горизонте довольно велика, поэтому даже фотоны не могут отсюда вылететь. При этом увеличение параметра происходит довольно плавно, что и делает возможным преодоление наблюдателем горизонта без риска для себя.
Вам будет интересно:Почему газы и жидкости нагревают снизу, а не сверху?
Исследования плотности черной дыры в центре объекта пока сравнительно ограничены. Как установлено астрофизиками, чем центральная сингулярность ближе, тем уровень плотности выше. Указанный ранее механизм расчета позволяет получить очень усредненное представление о происходящем.
Ученые располагают исключительно ограниченными представлениями о происходящем в дыре, ее устройстве. Как считают астрофизики, распределение плотности в дыре не слишком значимо для стороннего наблюдателя, по крайней мере на текущем уровне. Гораздо информативнее уточнение гравитации, веса. Чем масса больше, там сильнее разведены друг от друга центр, горизонт. Звучат и такие предположения: сразу за горизонтом материя отсутствует в принципе, ее можно обнаружить лишь в глубине объекта.
Известны ли какие-то цифры?
О том, какова плотность черной дыры, ученые задумывались давно. Проводились определенные исследования, были сделаны попытки расчета. Приведем одну из них.
Солнечная масса составляет 2*10^30 кг. Дыра может сформироваться на месте объекта, который больше Солнца в несколько раз. Плотность самой легкой дыры оценивается в среднем в 10^18 кг/м3. Это на порядок превышает плотность ядра атома. Приблизительно таково же отличие от среднего плотностного уровня, свойственного нейтронной звезде.
Возможно существование сверхлегких дыр, чьи габариты соответствуют субъядерным частицам. Для таких объектов плотностный показатель будет запредельно большим.
Если наша планета станет дырой, ее плотность составит приблизительно 2*10^30 кг/м3. Впрочем, ученым пока не удалось выявить процессы, в результате которых наш космический дом может трансформироваться в черную дыру.
О цифрах детальнее
Плотность черной дыры в центре Млечного пути оценивается в 1,1 млн кг/м3. Масса этого объекта соответствует 4 млн солнечной массы. Радиус дыры оценен в 12 млн км. Указанная плотность черной дыры в центре Млечного пути дает представление о физических параметрах сверхмассивных дыр.
Если вес некоторого объекта составляет 10^38 кг, то есть оценивается приблизительно в 100 млн Солнц, тогда плотность астрономического объекта будет соответствовать плотностному уровню гранита, встречающегося на нашей планете.
Среди всех известных современным астрофизикам дыр одна из самых тяжелых обнаружена в квазаре OJ 287. Ее вес соответствует 18 млрд светил нашей системы. Какова плотность черной дыры, ученые высчитали без особенного труда. Значение получилось исчезающе малым. Оно составляет лишь 60 г/м3. Для сравнения: для атмосферного воздуха нашей планеты характерна плотность в 1,29 мг/м3.
Откуда берутся дыры?
Ученые не только проводили исследования, призванные определить плотность черной дыры в сравнении со светилом нашей системы или другими космическими телами, но также пытались определить, откуда дыры берутся, каковы механизмы формирования подобных загадочных объектов. Сейчас есть представление о четырех путях появления дыр. Наиболее понятный вариант – коллапс звезды. Когда она становится крупной, синтез в ядре завершается, давление исчезает, вещество проваливается к центру гравитации, поэтому появляется дыра. По мере приближения к центру плотность увеличивается. Рано или поздно показатель становится настолько существенным, что внешние объекты не в силах преодолеть воздействие гравитации. С этого момента появляется новая дыра. Подобный тип встречается чаще прочих и назван дырами солнечной массы.
Еще один достаточно часто встречающийся вариант дыры – сверхмассивная. Такие чаще наблюдаются в галактических центрах. Масса объекта в сравнении с описанной выше дырой солнечной массы больше в миллиарды раз. Процессы проявления подобных объектов ученые пока не установили. Предполагают, что сперва формируется дыра по описанному выше механизму, затем поглощаются соседние звезды, что приводит к росту. Это возможно, если зона галактики населена густо. Поглощение вещества происходит быстрее, чем это может объяснить приведенная схема, и ученые пока не могут предположить, как именно протекает поглощение.
Предположения и идеи
Очень сложная для астрофизиков тема – первичные дыры. Такие, вероятно, появляются из любой массы. Они могут сформироваться в крупных флуктуациях. Вероятно, появление таких дыр имело место в ранней Вселенной. Пока исследования, посвященные качествам, особенностям (включая плотность) черных дыр, процессам их появления, не позволяют определить модель, точно воспроизводящую процесс появления первичной дыры. Известные в настоящее время модели преимущественно таковы, что если бы они были воплощены в реальности, появилось бы чрезмерно много дыр.
Предполагают, что Большой адронный коллайдер может стать источником формирования дыры, масса которой соответствует бозону Хиггса. Соответственно, плотность черной дыры будет очень большой. Если такая теория подтвердится, ее можно считать косвенным доказательством наличия дополнительных измерений. В настоящее время это умозрительное заключение еще не получило подтверждений.
Излучение дыры
Излучение дыры объясняется квантовыми эффектами вещества. Пространство динамично, поэтому частицы тут совершенно не те, к каким мы привыкли. Рядом с дырой искажается не только время; понимание частицы во многом зависит от того, кто наблюдает ее. Если некто падает в дыру, ему кажется, будто он погружается в вакуум, а для удаленного наблюдателя она выглядит наполненной частицами зоной. Эффект объясняется растяжением времени, пространства. Излучение дыры впервые выявил Хокинг, чье имя и дали явлению. Излучению свойственна температура, обратно зависящая от массы. Чем вес астрономического объекта меньше, тем температура (как и плотность черной дыры) выше. Если дыра сверхмассивная или имеет массу, сравнимую со звездой, присущая ее излучению температура будет ниже, нежели микроволновой фон. Из-за этого не представляется возможным ее наблюдать.
Указанное излучение объясняет потерю данных. Так называют термическое явление, которому присуще одно четкое качество – температура. Сведений о процессах формирования дыры через изучение не найти, но объект, испускающий такое излучение, одновременно теряет массу (а значит, растет плотность черной дыры), сокращается. Процесс не определяется веществом, из которого дыра сформирована, не зависит от того, что было затянуто в нее позднее. Ученые не могут сказать, что стало базой дыры. Более того, как показали исследования, излучение является необратимым процессом, то есть таким, которого в квантовой механике просто не может существовать. Значит, излучение невозможно совместить с квантовой теорией, и несогласованность требует дальнейшей работы в этом направлении. Пока ученые считают, что Хокинговское излучение должно содержать информацию, просто мы еще не располагает средствами, возможностями для ее обнаружения.
Любопытно: про нейтронные звезды
Если существует сверхгигант, это не означает, что такое астрономическое тело вечно. Со временем оно меняется, отбрасывает внешние слои. Из остатков могут появиться белые карлики. Второй вариант – нейтронные звезды. Конкретные процессы определяются тем, какова ядерная масса первичного тела. Ежели она оценивается в пределах 1,4-3 солнечных, тогда разрушение сверхгиганта сопровождается очень большим давлением, из-за которого электроны как бы вдавливаются в протоны. Это приводит к формированию нейтронов, излучению нейтрино. В физике это назвали нейтронным вырожденным газом. Его давление таково, что звезда не может сжиматься дальше.
Впрочем, как показали исследования, вероятно, не все нейтронные звезды появились именно так. Некоторые из них – остатки крупных, взорвавшихся по принципу второй сверхновой.
Радиус тела тем меньше, чем больше масса. У большинства он варьируется в пределах 10-100 км. Проводились исследования для определения плотностей черных дыр, нейтронных звезд. Для вторых, как показали испытания, параметр сравнительно близок к атомной. Конкретные цифры, установленные астрофизиками: 10^10 г/см3.
Любопытно знать: теория и практика
Нейтронные звезды были предсказаны в теории в 60-70-е годы прошлого века. Первыми обнаружили пульсары. Это маленькие звезды, скорость вращения которых очень велика, а магнитное поле поистине грандиозно. Предполагают, что эти параметры пульсар наследует от исходной звезды. Период вращения варьируется от миллисекунд до нескольких секунд. Первые известные пульсары испускали периодическое радиоизлучение. Сегодня известны пульсары с излучением рентгеновского спектра, гамма.
Описанный процесс формирования нейтронной звезды может продолжаться – нет ничего такого, что в силах ему воспрепятствовать. Если ядерная масса более трех солнечных, точечно тело очень компактно, его относят к дырам. Не удастся определить свойства черной дыры при массе больше критической. Если в силу хокинговского излучения потеряется часть массы, одновременно сократится радиус, поэтому значение веса снова будет меньше критического для этого объекта.
Может ли дыра умереть?
Ученые выдвигают предположения о существовании процессов, обусловленных участием частицы и античастицы. Флуктуация элементов может стать причиной того, что пустое пространство будет характеризоваться нулевым энергетическим уровнем, который (вот парадокс!) не будет равен нулю. Одновременно горизонт событий, свойственный телу, получит низкоэнергетический спектр, присущий абсолютному черному телу. Такое излучение станет причиной утери массы. Горизонт слегка сожмется. Предположим, что есть две пары из частицы и ее антагониста. Происходит аннигиляция частицы из одной пары и ее антагониста из другой. Как следствие, появляются фотоны, которые вылетают из дыры. Вторая пара предположенных частиц падает в дыру, одновременно поглощая некоторый объем массы, энергии. Постепенно это приводит к смерти черной дыры.
В качестве заключения
Как считают некоторые, черная дыра – это своеобразный космический пылесос. Дыра может поглотить звезду, может даже «съесть» галактику. Во многом объяснение качеств дыры, а также особенностей ее формирования можно найти в теории относительности. Из нее известно, что время непрерывно, равно как и пространство. Это объясняет, почему процессы сжатия невозможно остановить, они беспредельны и ничем не ограничены.
Таковы эти загадочные черные дыры, над которыми уже не первое десятилетие ломают голову астрофизики.
