Факты о черных дырах, которые должен знать каждый

Интересно

Черные дыры, пожалуй, самые загадочные объекты во Вселенной. Если, конечно, где-то в глубине что-то спрятано, о существовании чего мы не знаем и не можем знать, что маловероятно.

Черные дыры колоссальной массы и плотности, сжатые в одну точку с небольшим радиусом. Физические свойства этих объектов настолько странны, что сбивают с толку самых искушенных физиков и астрофизиков. Сабина Хоссфендер, физик-теоретик, составила подборку из десяти фактов о черных дырах, которые должен знать каждый.

Что такое черная дыра?

Факты о черных дырах, которые должен знать каждый

Определяющим свойством черной дыры является ее горизонт. Это граница, за которой ничего, даже свет, не может вернуться. Если обособленная область становится обособленной навсегда, это называется «горизонтом событий». Если он отделен лишь временно, он называется «видимым горизонтом». Но это «временное» может также означать, что регион будет отделен намного дольше, чем нынешний возраст Вселенной. Если горизонт черной дыры временный, но продолжительный, разница между первым и вторым будет нечеткой.

Насколько большие черные дыры?

Факты о черных дырах, которые должен знать каждый

Вы можете представить горизонт черной дыры как сферу, и ее диаметр будет прямо пропорционален массе черной дыры. Следовательно, чем больше массы попадает в черную дыру, тем больше становится черная дыра. Однако по сравнению со звездными объектами черные дыры крошечные, потому что масса сжимается до очень малых объемов под действием непреодолимого гравитационного давления. Радиус черной дыры с массой, равной, например, планете Земля, составляет несколько миллиметров. Это в 10 000 000 000 раз меньше, чем текущий радиус Земли.

Радиус черной дыры называется радиусом Шварцшильда в честь Карла Шварцшильда, который первым вывел черные дыры как решение общей теории относительности Эйнштейна.

Что происходит на горизонте?

Факты о черных дырах, которые должен знать каждый

Когда вы пересекаете горизонт, вокруг вас ничего особенного не происходит. Все из-за принципа эквивалентности Эйнштейна, из которого следует, что нельзя найти разницу между ускорением в плоском пространстве и гравитационным полем, которое создает искривление пространства. Однако наблюдатель вдали от черной дыры, наблюдающий за тем, как кто-то падает в нее, заметит, что человек будет двигаться все медленнее и медленнее, приближаясь к горизонту. Как будто время у горизонта событий движется медленнее, чем у горизонта. Однако пройдет время, и наблюдатель, который упадет в дыру, пересечет горизонт событий и окажется в пределах радиуса Шварцшильда.

Читайте также:  Можно ли «сбежать» из черной дыры в момент её поглощения другой черной дырой?

То, что вы испытываете на горизонте, зависит от приливных сил гравитационного поля. Приливные силы на горизонте обратно пропорциональны квадрату массы черной дыры. Это означает, что чем больше и массивнее черная дыра, тем меньше сила. И если только черная дыра достаточно массивна, вы можете пересечь горизонт еще до того, как узнаете, что что-то происходит. Эффект этих приливных сил удлинит вас: физики используют для этого технический термин «приготовление спагетти».

На заре развития общей теории относительности считалось, что на горизонте есть сингулярность, но это было не так.

Что внутри черной дыры?

Точно никто не знает, но полку точно не знает. Общая теория относительности предсказывает, что в черной дыре есть сингулярность, место, где приливные силы становятся бесконечно большими, и как только вы пересекаете горизонт событий, вы не можете никуда идти, кроме сингулярности. В результате в этих случаях лучше не использовать общую теорию относительности – она ​​просто не работает. Чтобы узнать, что происходит внутри черной дыры, нам нужна теория квантовой гравитации. Принято считать, что эта теория заменит сингулярность чем-то другим.

Как образуются черные дыры?

Факты о черных дырах, которые должен знать каждый

В настоящее время известно четыре различных способа образования черных дыр. Наиболее понятное явление связано с коллапсом звезды. Достаточно большая звезда образует черную дыру после того, как ее ядерный синтез прекращается, потому что все, что уже могло быть синтезировано, было синтезировано. Когда давление, создаваемое синтезом, прекращается, материя начинает падать к центру тяжести, становясь все плотнее и плотнее. В конце концов она становится настолько плотной, что ничто не может преодолеть гравитационное воздействие на поверхность звезды: рождается черная дыра. Эти черные дыры называются «черными дырами солнечной массы» и являются наиболее распространенными.

Читайте также:  Процесс старения и гибели звезды

Следующим распространенным типом черных дыр являются «сверхмассивные черные дыры», которые находятся в центре многих галактик и имеют массу примерно в миллиард раз больше, чем солнечные черные дыры. Пока точно не известно, как они образуются. Считается, что когда-то они начинались как черные дыры солнечной массы, которые поглотили намного больше звезд в густонаселенных галактических центрах и выросли. Однако кажется, что они поглощают материю быстрее, чем предполагает эта простая идея, и точный способ, которым они это делают, все еще остается вопросом исследований.

Более спорной идеей стали первичные черные дыры, которые могли образоваться практически из любой массы при больших флуктуациях плотности в ранней Вселенной. Хотя это возможно, трудно найти модель, которая производит их, не перегружая их.

Факты о черных дырах, которые должен знать каждый

Наконец, существует весьма спекулятивная идея о том, что крошечные черные дыры с массой, близкой к массе бозона Хиггса, могут образовываться на Большом адронном коллайдере. Это работает только в том случае, если наша Вселенная имеет дополнительные измерения. Пока нет подтверждения в пользу этой теории.

Откуда мы знаем, что черные дыры существуют?

Факты о черных дырах, которые должен знать каждый

У нас есть множество наблюдательных свидетельств компактных объектов с большими массами, которые не излучают свет. Эти объекты передаются посредством гравитационного притяжения, например, из-за движения других звезд или газовых облаков вокруг них. Они также создают гравитационные линзы. Мы знаем, что у этих объектов нет твердой поверхности. Это происходит из наблюдений, потому что материя, падающая на объект с поверхностью, должна вызывать выброс большего количества частиц, чем материя, падающая за горизонт.

Почему в прошлом году Хокинг сказал, что черные дыры не существуют?

Факты о черных дырах, которые должен знать каждый

Он имел в виду, что у черных дыр нет вечного горизонта событий, а есть только временный видимый горизонт (см. Параграф 1). Строго говоря, черной дырой считается только горизонт событий.

Как черные дыры испускают излучение?

Факты о черных дырах, которые должен знать каждый

Черные дыры испускают излучение из-за квантовых эффектов. Важно отметить, что это квантовые эффекты материи, а не квантовые эффекты гравитации. Динамическое пространство-время схлопывающейся черной дыры меняет само определение частицы. Подобно течению времени, которое искажается около черной дыры, понятие частиц слишком зависит от наблюдателя. В частности, когда наблюдатель, который падает в черную дыру, думает, что он падает в вакуум, наблюдатель вдали от черной дыры думает, что это не вакуум, а пространство, полное частиц. Этот эффект вызывает удлинение пространства-времени.

Читайте также:  Крупнейшие метеориты, когда-либо упавшие на Землю

Впервые обнаруженное Стивеном Хокингом излучение, испускаемое черной дырой, называется излучением Хокинга. Это излучение имеет температуру, обратно пропорциональную массе черной дыры: чем меньше черная дыра, тем выше температура. Известные нам звездные и сверхмассивные черные дыры имеют температуру намного ниже температуры микроволнового фона и поэтому не наблюдаются.

Что такое информационный парадокс?

Факты о черных дырах, которые должен знать каждый

Парадокс потери информации вызван излучением Хокинга. Это излучение чисто тепловое, то есть имеет лишь случайную температуру и определенные свойства. Само излучение не содержит никакой информации о том, как образовалась черная дыра. Но когда черная дыра испускает излучение, она теряет массу и сжимается. Все это совершенно не зависит от вещества, попавшего в черную дыру или из которого она образовалась. Оказывается, зная только конечное состояние испарения, нельзя сказать, из чего образовалась черная дыра. Этот процесс «необратим», и проблема в том, что в квантовой механике такого процесса нет.

Испарение черной дыры оказывается несовместимым с известной нам квантовой теорией, и с этим нужно что-то делать. Устраните каким-либо образом несоответствие. Большинство физиков полагают, что решение состоит в том, что излучение Хокинга каким-то образом должно содержать информацию.

Что предлагает Хокинг для решения информационного парадокса черной дыры?

Идея состоит в том, что черные дыры должны иметь способ хранить информацию, которую еще не приняли. Информация хранится на горизонте черной дыры и может вызывать небольшие смещения частиц в излучении Хокинга. В этих небольших сдвигах может быть информация о захваченном веществе. Точные детали этого процесса в настоящее время не определены. Ученые ждут более подробных официальных документов от Стивена Хокинга, Малькольма Перри и Эндрю Строминджера. Говорят, появится в конце сентября.

На данный момент мы уверены, что черные дыры существуют, мы знаем, где они находятся, как они образуются и кем они станут в конечном итоге. Но детали того, куда идет информация, по-прежнему остаются одной из величайших загадок во Вселенной.

Один источник

Оцените статью
Добавить комментарий