Как работают черные дыры

[Carder]

Художественная концепция ближайшего окружения черной дыры в ядре галактики NGC 4261.

Возможно, вы слышали, как кто-то сказал: «Мой стол превратился в черную дыру!» Возможно, вы видели программу по астрономии по телевизору или читали статью в журнале о черных дырах. Эти экзотические объекты захватили наше воображение с тех пор, как они были предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна в 1915 году.
Что такое черные дыры? Они действительно существуют? Как их найти? В этой статье мы исследуем черные дыры и ответим на все эти вопросы!

Содержание

1. Что такое черная дыра?
2. Типы черных дыр
3. Как мы обнаруживаем черные дыры

Что такое черная дыра?​

Художественная концепция черной дыры: стрелки показывают пути объектов внутри и вокруг отверстия черной дыры.

Черная дыра является то, что остается, когда массивная звезда умирает.
Если вы читали «Как работают звезды», то знаете, что звезда - это огромный удивительный термоядерный реактор. Поскольку звезды настолько массивны и состоят из газа, существует интенсивное гравитационное поле, которое всегда пытается разрушить звезду. Реакции синтеза, происходящие в ядре, подобны гигантской термоядерной бомбе, которая пытается взорвать звезду. Баланс между гравитационными силами и взрывными силами, что определяет размер звезды.

Когда звезда умирает, реакции ядерного синтеза прекращаются, потому что топливо для этих реакций сгорает. В то же время гравитация звезды притягивает материал внутрь и сжимает ядро. Когда ядро сжимается, оно нагревается и в конечном итоге вызывает взрыв сверхновой, при котором материал и радиация вылетают в космос. Остается только сильно сжатое и чрезвычайно массивное ядро. Гравитация ядра настолько сильна, что даже свет не может уйти.

Этот объект теперь является черной дырой и буквально исчезает из поля зрения. Поскольку гравитация ядра настолько сильна, ядро тонет через ткань пространства-времени, создавая дыру в пространстве-времени - вот почему объект называют черной дырой.

Ядро становится центральной частью черной дыры, называемой сингулярностью. Открытие ямы называется горизонтом событий.
Вы можете представить горизонт событий как устье черной дыры. Как только что-то выходит за горизонт событий, оно исчезает навсегда. Оказавшись внутри горизонта событий, все «события» (точки в пространстве-времени) останавливаются, и ничто (даже свет) не может ускользнуть. Радиус горизонта событий называется радиусом Шварцшильда в честь астронома Карла Шварцшильда, работы которого привели к теории черных дыр.

История
Концепция объекта, из которого не может выйти свет (например, черная дыра), была первоначально предложена Пьером Симоном Лапласом в 1795 году. Используя теорию гравитации Ньютона , Лаплас рассчитал, что если объект был сжат до достаточно малого радиуса, то выход скорость этого объекта была бы выше скорости света.

Типы черных дыр​

Художественная концепция черной дыры и ее окружения: черный круг - горизонт событий, а яйцевидная область - эргосфера.

Есть два типа черных дыр:

• Шварцшильд - Невращающаяся черная дыра
• Керр - Вращающаяся черная дыра

Шварцшильда черная дыра является простейшим черная дыра, в которой ядро не вращается. У этого типа черной дыры есть только сингулярность и горизонт событий.
Керр черная дыра, которая, вероятно, является наиболее распространенной формой в природе, вращается, так как звезда, из которой она была сформирована вращалась. Когда вращающаяся звезда коллапсирует, ядро продолжает вращаться, и это передается черной дыре (сохранение углового момента).

Черная дыра Керра состоит из следующих частей:

• Сингулярность - свернувшееся ядро
• Горизонт событий - Открытие дыры
• Эргосфера - яйцевидная область искаженного пространства вокруг горизонта событий (искажение вызвано вращением черной дыры, которая "тащит" пространство вокруг себя).
• Статический предел - граница между эргосферой и нормальным пространством

Если объект попадает в эргосферу, его все еще можно выбросить из черной дыры, получая энергию от вращения дыры.
Однако, если объект пересекает горизонт событий, он втягивается в черную дыру и никогда не убегает. Что происходит внутри черной дыры, неизвестно; даже наши текущие теории физики неприменимы вблизи сингулярности.

Хотя мы не можем увидеть черную дыру, у нее есть три свойства, которые можно или можно измерить:

• Масса
• Электрический заряд
• Скорость вращения (угловой момент)

На данный момент мы можем надежно измерить массу черной дыры только по движению других объектов вокруг нее. Если у черной дыры есть спутник (другая звезда или диск материала), можно измерить радиус вращения или скорость орбиты материала вокруг невидимой черной дыры. Массу черной дыры можно рассчитать, используя модифицированный третий закон планетарного движения Кеплера или вращательное движение.

Как мы обнаруживаем черные дыры​

Изображение ядра галактики NGC 4261, полученное космическим телескопом Хаббл.

Хотя мы не можем видеть черные дыры, мы можем обнаружить или угадать их присутствие, измерив их влияние на окружающие объекты. Могут использоваться следующие эффекты:

• Оценка массы объектов, вращающихся вокруг черной дыры или спиралевидно проникающих в ядро
• Эффекты гравитационной линзы
• Испускаемое излучение

Масса
Многие черные дыры окружены объектами, и, глядя на поведение этих объектов, вы можете обнаружить присутствие черной дыры. Затем вы используете измерения движения объектов вокруг предполагаемой черной дыры для вычисления массы черной дыры.
Вы ищете звезду или газовый диск, который ведет себя так, как если бы поблизости была большая масса. Например, если видимая звезда или газовый диск "колеблется" или вращается, И для этого движения нет видимой причины, И невидимая причина имеет эффект, который, по-видимому, вызван объектом с массой больше трех. Солнечные массы (слишком большие, чтобы быть нейтронной звездой), тогда возможно, что черная дыра вызывает движение. Затем вы оцениваете массу черной дыры, глядя на эффект, который она оказывает на видимый объект.
Например, в ядре галактики NGC 4261 находится вращающийся спиралевидный диск коричневого цвета. Диск размером с нашу Солнечную систему, но весит в 1,2 миллиарда раз больше Солнца. Такая огромная масса для диска может указывать на то, что внутри диска присутствует черная дыра.

Гравитационная линза
Общая теория относительности Эйнштейна предсказывала, что гравитация может искривлять пространство . Позже это было подтверждено во время солнечного затмения, когда положение звезды было измерено до, во время и после затмения. Положение звезды изменилось, потому что свет от звезды был отклонен гравитацией Солнца. Следовательно, объект с огромной гравитацией (например, галактика или черная дыра) между Землей и удаленным объектом может отклонять свет от удаленного объекта в фокус, как это может сделать линза. Этот эффект можно увидеть на изображении ниже.

Эти изображения показывают яркость MACHO-96-BL5, полученную с наземных телескопов (слева) и космического телескопа Хаббла (справа).

На изображении осветление MACHO-96-BL5 произошло, когда между ним и Землей прошла гравитационная линза. Когда космический телескоп Хаббла посмотрел на объект, он увидел два изображения объекта близко друг к другу, что указывало на эффект гравитационной линзы. Промежуточный объект был невидим. Поэтому был сделан вывод, что между Землей и объектом прошла черная дыра.

Испускаемое излучение
Когда материал падает в черную дыру от звезды-компаньона, он нагревается до миллионов градусов Кельвина и ускоряется. Перегретые материалы испускают рентгеновские лучи, которые могут быть обнаружены рентгеновскими телескопами, такими как орбитальная рентгеновская обсерватория Чандра.
Звезда Cygnus X-1 является сильным источником рентгеновского излучения и считается хорошим кандидатом на роль черной дыры. Как показано выше, звездные ветры от звезды-компаньона, HDE 226868, сдувают материал на аккреционный диск, окружающий черную дыру. Когда этот материал падает в черную дыру, он излучает рентгеновские лучи, как видно на этом изображении:

Рентгеновское изображение Cygnus X-1, полученное с орбитальной рентгеновской обсерватории Chandra.

Помимо рентгеновских лучей, черные дыры также могут выбрасывать материалы с высокой скоростью, образуя струи. С такими джетами наблюдались многие галактики. В настоящее время считается, что эти галактики имеют сверхмассивные черные дыры (миллиарды солнечных масс) в их центрах, которые производят самолеты, а также сильные радиосигналы выбросы. Одним из таких примеров является галактика M87.

Важно помнить, что черные дыры - это не космические пылесосы - они не поглотят все. Итак, хотя мы не можем видеть черные дыры, есть косвенные доказательства их существования. Они были связаны с путешествиями во времени и червоточинами и остаются интересными объектами во Вселенной.

Черная дыра FAQ​

Из чего сделаны черные дыры?
Черная дыра - это то, что остается, когда массивная звезда умирает, и ее материя сжимается в невероятно крошечном пространстве.

Сколько там черных дыр?
По оценкам ученых, только в Млечном Пути существует от 10 миллионов до миллиарда черных дыр.

Какой тип черной дыры самый распространенный?
Черная дыра Керра, вероятно, самая распространенная форма в природе.

Куда ведут черные дыры?
Если объект пересекает горизонт событий, он затягивается в черную дыру и никогда не ускользнет. Что происходит внутри черной дыры, неизвестно; даже наши текущие теории физики неприменимы вблизи сингулярности.

Какие два типа черных дыр?
Два типа черных дыр - это Шварцшильд (невращающаяся черная дыра) и Керр (вращающаяся черная дыра).