Черная дыра

Что такое черная дыра:

Черная дыра - это космическое явление с очень большими пропорциями (обычно больше, чем у Солнца) и чрезвычайно компактной массой, в результате чего гравитационное поле настолько сильное, что никакая частица или излучение не могут выйти.

Учитывая, что даже свет всасывается, черные дыры невидимы, и о их существовании свидетельствуют только гравитационные последствия, наблюдаемые в его окружении, особенно изменения орбит близких небесных тел, которые теперь притягиваются к черной дыре.

Теоретически, только то, что движется со скоростью, большей скорости света, сможет противостоять гравитационному полю черной дыры. По этой причине невозможно точно знать, что происходит с сосущим веществом.

Насколько большая черная дыра?

Черные дыры существуют в разных размерах. Несовершеннолетние, известные науке, называются первичными черными дырами и считаются размером с атом, но с общей массой горы.

Средние черные дыры (масса которых в 20 раз превышает общую массу Солнца) называются звездными . В этой категории самая маленькая обнаруженная черная дыра имеет в 3, 8 раза больше солнечной массы.

Самые большие каталогизированные черные дыры называются сверхмассивными, часто встречающимися в центре галактик. Например, в центре Млечного Пути находится Стрелец А, черная дыра, масса которой в 4 миллиона раз превышает массу Солнца.

До сих пор самая большая из известных черных дыр называется S50014 + 81, масса которой в сорок миллиардов раз превышает массу Солнца.

Как образуются черные дыры?

Черные дыры образуются из гравитационных коллапсов небесных тел. Эти явления происходят, когда внутреннее давление тела (обычно звезд) недостаточно для поддержания его собственной массы. Поэтому, когда ядро звезды разрушается под действием силы тяжести, небесное тело взрывается, высвобождая огромное количество энергии в событие, известное как сверхновая .

Визуальное представление сверхновой.

Во время сверхновой за долю секунды вся масса звезды сжимается в ее ядро, двигаясь со скоростью около 1/4 скорости света (включая, в этот самый момент, самые тяжелые элементы вселенной).

Тогда в результате взрыва возникнет нейтронная звезда или, если звезда окажется достаточно большой, результатом будет образование черной дыры, астрономическое количество которой сконцентрированной массы создает вышеупомянутое гравитационное поле. В нем скорость выхода (скорость, необходимая некоторой частице или излучению для сопротивления притяжению) должна быть, по крайней мере, больше скорости света.

Типы черных дыр

Немецкий физик-теоретик Альберт Эйнштейн сформулировал ряд гипотез, связанных с гравитацией, которые послужили основой для возникновения современной физики. Этот набор идей получил название « Теория общей теории относительности», в которой ученый сделал несколько новаторских наблюдений о гравитационном воздействии черных дыр.

Для Эйнштейна черные дыры - это «деформации в пространстве-времени, вызванные огромным количеством концентрированного вещества». Его теории способствовали быстрому развитию области и позволили классифицировать различные типы черных дыр:

Черная дыра шварцшильда

Черные дыры Шварцшильда - это те, которые не имеют электрического заряда, а также не имеют углового импульса, то есть не вращаются вокруг своей оси.

Керр Черная дыра

Черные дыры Керра не имеют электрического заряда, но вращаются вокруг своей оси.

Рейсснер-Нордстрем Черная дыра

Черные дыры Рейсснера-Нордстрома имеют электрический заряд, но не вращаются вокруг своей оси.

Керр-Ньюман Черная дыра

Черные дыры Керра-Ньюмана электрически заряжены и вращаются вокруг своей оси.

Теоретически, все типы черных дыр в конечном итоге превращаются в черные дыры Шварцшильда (статические и без электрического заряда), когда они теряют достаточно энергии и перестают вращаться. Это явление известно как процесс Пенроуза . В этих случаях единственный способ отличить одну черную дыру от Шварцшильда - это измерить ее массу.

Структура черной дыры

Черные дыры невидимы, поскольку их гравитационное поле неизбежно даже для света. Таким образом, черная дыра имеет вид темной поверхности, от которой ничего не отражается, и нет никаких доказательств того, что происходит с элементами, которые всасываются в нее. Однако благодаря наблюдению за эффектами, которые они вызывают в своей среде, наука структурирует черные дыры в горизонте событий, сингулярности и эргосфере .

Горизонт событий

Граница гравитационного поля черной дыры, с которой ничего не наблюдается, называется горизонтом событий или точкой невозврата .

Графическое представление горизонта событий, предоставленного НАСА, в котором наблюдается идеальная сфера, из которой не излучается свет.

Хотя это на самом деле только гравитационные последствия, горизонт событий считается частью структуры черной дыры, потому что это начало наблюдаемой области явления.

Известно, что его форма идеально сферическая в статических черных дырах и наклонная во вращающихся черных дырах.

Из-за гравитационного расширения времени влияние массы черной дыры на пространство-время приводит к тому, что горизонт событий, даже за его пределами, оказывает следующие эффекты:

Для дальнего наблюдателя часы около горизонта событий будут двигаться медленнее, чем другие, находящиеся дальше. Таким образом, любой объект, засасываемый в черную дыру, может замедляться, пока не окажется парализованным во времени.
Для дальнего наблюдателя объект, приближающийся к горизонту событий, принял бы красноватый оттенок, следствие физического явления, известного как красное смещение, поскольку частота света уменьшается гравитационным полем черной дыры.
С точки зрения объекта, время будет проходить с ускоренной скоростью для всей вселенной, в то время как для себя время будет проходить нормально.

особенность

Центральная точка черной дыры, где масса звезды стала бесконечно концентрированной, называется сингулярностью, о которой мало что известно. Теоретически, сингулярность содержит общую массу звезды, которая коллапсирует, добавляется к массе всех тел, всасываемых гравитационным полем, но не имеет объема или поверхности.

эргосфера

Эргосфера - это область, которая окружает горизонт событий во вращающихся черных дырах, в которых небесное тело не может стоять на месте.

Тем не менее, согласно теории относительности Эйнштейна, любой вращающийся объект имеет тенденцию притягивать пространство-время близко к нему. Во вращающейся черной дыре этот эффект настолько силен, что небесному телу необходимо было бы двигаться в противоположном направлении со скоростью, большей, чем скорость света, чтобы оставаться неподвижным.

Важно не путать эффекты эргосферы с эффектами горизонта событий. Эргосфера не притягивает объекты с гравитационным полем. Таким образом, все, что соприкасается с ним, будет смещено только в пространстве-времени и будет притягиваться, только если оно пересекает горизонт событий.

Теории Стивена Хокинга о черных дырах

Стивен Хокинг был одним из самых влиятельных физиков и космологов 20-го и 21-го веков. Среди его многочисленных вкладов Хокинг решил несколько теорем, предложенных Эйнштейном, которые внесли свой вклад в теорию о том, что Вселенная возникла в единственном числе, еще более укрепив так называемую Теорию Большой взрыв .

Хокинг также полагал, что черные дыры не являются полностью черными, но испускают небольшое количество теплового излучения. Этот эффект был известен в физике как излучение Хокинга . Эта теория предсказывает, что черные дыры будут терять массу с испускаемым излучением и, в чрезвычайно медленном процессе, будут уменьшаться до исчезновения.