Если Вселенная фрактальна, то мы живем внутри черной дыры


Черные дыры — это, пожалуй, самые загадочные объекты Вселенной. Если, конечно, где-то в глубинах не скрываются вещи, о существовании которых мы не знаем и знать не можем, что вряд ли. Черные дыры — это колоссальная масса и плотность, сжатая в одну точку небольшого радиуса. Физические свойства этих объектов настолько странные, что заставляют ломать голову самых искушенных физиков и астрофизиков. Сабина Хоссфендер, физик-теоретик, сделала подборку десяти фактов о черных дырах, которые должен знать каждый.

Возможно так и выглядит черная дыра

Что такое черная дыра?

Схматичное изображение устройства черной дыры

Определяющим свойством черной дыры является ее горизонт. Это граница, преодолев которую ничто, даже свет, не сможет вернуться обратно. Если отделенная область становится отделенной навсегда, мы говорим о «горизонте событий». Если же она только временно отделена, мы говорим о «видимом горизонте». Но это «временно» также может означать, что область будет отделенной гораздо дольше нынешнего возраста Вселенной. Если горизонт черной дыры является временным, но долгоживущим, разница между первым и вторым расплывается.

Формирование черных дыр.

Самый очевидный путь образования черной дыры – коллапс ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, ее равновесие поддерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод, и т.д., вплоть до железа у наиболее массивных звезд). Выделяющееся при этом тепло компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с ее излучением и звездным ветром. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в недрах звезды, препятствуя ее сжатию под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается и звезда начинает сжиматься.

Наиболее быстро сжимается ядро звезды, при этом оно сильно разогревается (его гравитационная энергия переходит в тепло) и нагревает окружающую его оболочку. В итоге звезда теряет свои наружные слои в виде медленно расширяющейся планетарной туманности или катастрофически сброшенной оболочки сверхновой. А судьба сжимающегося ядра зависит от его массы. Расчеты показывают, что если масса ядра звезды не превосходит трех масс Солнца, то она «выигрывает битву с гравитацией»: его сжатие будет остановлено давлением вырожденного вещества, и звезда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса ядра звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить его катастрофический коллапс, и оно быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой. Как следует из формулы для r

g, черная дыра с массой 3 солнечных имеет гравитационный радиус 8,8 км.

Астрономические наблюдения хорошо согласуются с этими расчетами: все компоненты двойных звездных систем, проявляющие свойства черных дыр (в 2005 их известно около 20), имеют массы от 4 до 16 масс Солнца. Теория звездной эволюции указывает, что за 12 млрд. лет существования нашей Галактики, содержащей порядка 100 млрд. звезд, в результате коллапса наиболее массивных из них должно было образоваться несколько десятков миллионов черных дыр. К тому же, черные дыры очень большой массы (от миллионов до миллиардов масс Солнца)могут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе, и нашей. Об этом свидетельствуют астрономические наблюдения, хотя пути формирования этих гигантских черных дыр не вполне ясны.

Если в нашу эпоху высокая плотность вещества, необходимая для рождения черной дыры, может возникнуть лишь в сжимающихся ядрах массивных звезд, то в далеком прошлом, сразу после Большого взрыва, с которого около 14 млрд. лет назад началось расширение Вселенной, высокая плотность материи была повсюду. Поэтому небольшие флуктуации плотности в ту эпоху могли приводить к рождению черных дыр любой массы, в том числе и малой. Но самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться, потеряв свою массу в виде излучения и потоков частиц. «Первичные черные дыры» с массой более 1012 кг могли сохраниться до наших дней. Самые мелкие из них, массой 1012 кг (как у небольшого астероида), должны иметь размер порядка 10–15 м (как у протона или нейтрона).

Наконец, существует гипотетическая возможность рождения микроскопических черных дыр при взаимных соударениях быстрых элементарных частиц. Таков один из прогнозов теории струн – одной из конкурирующих сейчас физических теорий строения материи. Теория струн предсказывает, что пространство имеет более трех измерений. Гравитация, в отличие от прочих сил, должна распространяться по всем этим измерениям и поэтому существенно усиливаться на коротких расстояниях. При мощном столкновении двух частиц (например, протонов) они могут сжаться достаточно сильно, чтобы родилась микроскопическая черная дыра. После этого она почти мгновенно разрушится («испарится»), но наблюдение за этим процессом представляет для физики большой интерес, поскольку, испаряясь, дыра будет испускать все существующие в природе виды частиц. Если гипотеза теории струн верна, то рождение таких черных дыр может происходить при столкновениях энергичных частиц космических лучей с атомами земной атмосферы, а также в наиболее мощных ускорителях элементарных частиц.

Насколько большие черные дыры?

Выглядит впечатляюще, согласны?

Можно представить горизонт черной дыры как сферу, и ее диаметр будет прямо пропорциональным массе черной дыры. Поэтому чем больше массы падает в черную дыру, тем больше становится черная дыра. По сравнению со звездными объектами, впрочем, черные дыры крошечные, потому что масса сжимается в очень малые объемы под действием непреодолимого гравитационного давления. Радиус черной дыры массой с планету Земля, например, всего несколько миллиметров. Это в 10 000 000 000 раз меньше настоящего радиуса Земли.

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

Странные факты о черных дырах

  • Если вы упадете в черную дыру, теория уже давно предполагает, что гравитация растянет вас, как спагетти, хотя ваша смерть наступит до того, как вы достигнете сингулярности. Но в 2012 году исследование, опубликованное в журнале Nature, предположило, что квантовые эффекты заставят горизонт событий действовать во многом как стена огня, которая мгновенно сожжет вас до смерти.
  • Всасывание вызвано втягиванием чего-то в вакуум, которым массивная черная дыра определенно не является. Вместо этого, объекты падают в них точно так же, как они падают на все, что оказывает гравитационное воздействие, например на Землю.
  • Первым объектом, который считается черной дырой, является Лебедь X-1 . Cygnus X-1 был предметом дружеского Пари 1974 года между Стивеном Хокингом и коллегой-физиком Кипом Торном, причем Хокинг сделал ставку на то, что источник не был черной дырой. В 1990 году Хокинг признал свое поражение.
  • Миниатюрные черные дыры могли образоваться сразу же после Большого Взрыва. Быстро расширяющееся пространство, возможно, сжало некоторые области в крошечные, плотные черные дыры, менее массивные, чем Солнце.
  • Если звезда проходит слишком близко к черной дыре, она может быть разорвана на части.
  • Астрономы подсчитали, что в Млечном Пути находится от 10 миллионов до 1 миллиарда звездных черных дыр, масса которых примерно в три раза превышает массу Солнца.
  • Черные дыры остаются потрясающим кормом для научно-фантастических книг и фильмов.

Что происходит на горизонте?

Так называемый эффект «спагетти»

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, создающим кривизну пространства. Тем не менее наблюдатель вдали от черной дыры, который наблюдает за тем, как кто-то другой падает в нее, заметит, что человек будет двигаться все медленнее и медленнее, подходя к горизонту. Будто бы время вблизи горизонта событий движется медленнее, чем вдали от горизонта. Однако пройдет некоторое время, и падающий в дыру наблюдатель пересечет горизонт событий и окажется внутри радиуса Шварцшильда.

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 силы. И если только черная дыра будет достаточно массивна, вы сможете преодолеть горизонт еще до того, как заметите, что что-то происходит. Эффект этих приливных сил растянет вас: технический термин, который для этого используют физики, называется «спагеттификация».

В первые дни общей теории относительности считалось, что на горизонте существует сингулярность, но это оказалось не так.

Горизонт событий

Черные дыры имеют три «слоя» – внешний, горизонт событий и сингулярность.

Горизонт событий черной дыры – это то место, где свет теряет способность к «бегству». Когда частица пересекает горизонт событий, она уже не может покинуть черную дыру. На горизонте событий гравитация постоянна.

Внутренняя область черной дыры, где содержится ее масса, известна как сингулярность. Это единственная точка в пространстве – времени, где сосредоточена масса черной дыры.

По представлениям классической механики и физики ничто не может выйти из черной дыры. Однако, когда к уравнению добавляется квантовая механика, все немного меняется. В квантовой механике для каждой частицы имеется античастица. Это частица с одинаковой массой и противоположным электрическим зарядом. Когда они встречаются, пара частица-античастица может аннигилировать.

Если пара частица-античастица создается вне досягаемости горизонта событий черной дыры, одна из частиц может упасть в черную дыру, а другая быть вытолкнута. В результате масса черной дыры уменьшается. Этот процесс называется излучением Хокинга. И черная дыра может начать распадаться, что отвергается классической механикой.

Ученые все еще работают над тем, чтобы создать уравнения, с помощью которых можно было понять, как функционируют черные дыры.

Что внутри черной дыры?

Никто не знает наверняка, но точно не книжная полка. Общая теория относительности прогнозирует, что в черной дыре сингулярность, место, в котором приливные силы становятся бесконечно большими, и как только вы преодолеваете горизонт событий, вы уже не можете попасть куда-либо еще, кроме как в сингулярность. Соответственно, ОТО лучше не использовать в этих местах — она попросту не работает. Чтобы сказать, что происходит внутри черной дыры, нам нужна теория квантовой гравитации. Общепризнанно, что эта теория заменит сингулярность чем-то другим.

Если Вселенная фрактальна, то мы живем внутри черной дыры

космос, черная дыра, вселенная, космология

10 апреля 2020 года Национальным научным фондом США была впервые опубликована фотография черной дыры, полученная усилиями ученых многих стран. Под «объектив фотокамеры» попала сверхмассивная черная дыра в центре галактики Messier 87, расположенной на расстоянии 54 млн световых лет от Земли. Теперь мы знаем, как выглядят черные дыры снаружи. А вот как они выглядят изнутри, по-прежнему неизвестно.

Высказывания астрофизиков на этот счет противоречивы. С одной стороны, они утверждают, что постичь внутреннее устройство этих объектов трудно или вообще невозможно. С другой стороны, они высказывают о внутренней геометрии черных дыр вполне конкретные соображения: в центре черных дыр находится гравитационная сингулярность, в которой с пространством-временем происходят всякие чудеса, а вне ее внутри черной дыры – пустота; все попавшее внутрь черной дыры неудержимо падает в сингулярность, разрушаясь по дороге чудовищными градиентами гравитации.

Ниже приведены некоторые соображения в пользу той гипотезы, что черные дыры устроены совсем не так, как полагают астрофизики. Главная идея – окружающий нас космос (наша метагалактика) сам является гигантской черной дырой. Но только при условии, если справедлива гипотеза о фрактальности Вселенной. Я уже писал об этом в «НГ-науке» (см. номер от 13.10.04). Однако с тех пор в астрономии были сделаны открытия, резко поднявшие статус гипотезы о фрактальности Вселенной и тем изменившие космологическую картину мира.

Гипотеза об однородности Вселенной

На рубеже 1920–1930-х годов было установлено, что все наблюдаемые нами галактики удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними (закон Хаббла). Мысленно обратив космическое расширение назад во времени, можно прийти к выводу, что наблюдаемый мир около 13,8 млрд лет назад претерпел Большой взрыв и с тех пор расширяется. Так как никакой сигнал не может распространяться быстрее света, то события, происходящие вне сферы радиусом 13,8 млрд световых лет, в принципе не могут нами наблюдаться.

Сферу радиусом 13,8 млрд световых лет, внутри которой находится весь наблюдаемый мир, называют горизонтом видимости, а весь материальный мир внутри и снаружи горизонта видимости – Вселенной.

Наблюдаемый нами мир часто называют метагалактикой. Так иногда будем делать и мы, хотя это не совсем корректно. Ведь метагалактики – это относительно компактные космические макроструктуры, отделенные друг от друга расстояниями, многократно превышающими их собственные размеры.

Между тем радиус горизонта видимости определяется не законами формирования компактных космических макроструктур, а совсем другим – временем, прошедшим после начала Большого взрыва. Размеры нашей метагалактики могут существенно превышать размеры наблюдаемого мира, да и сферической ей быть совсем не обязательно.

Как видим, космология, изучающая Вселенную в целом, начисто лишена эмпирической базы. Это ее отличает от других естественных наук. Все наши утверждения о Вселенной – это домыслы или гипотезы. Что замечательно, это не мешает космологам то и дело уверенно говорить о расширении Вселенной, Большом взрыве, возрасте Вселенной и т.д. Эта их уверенность неявно базируется на гипотезе об однородности Вселенной: для такой Вселенной часть (наблюдаемый мир) и на самом деле подобна целому (Вселенной). Если, однако, Вселенная устроена фрактально, то ее часть может существенно отличаться от целого. В этом случае мы будем иметь кардинальное изменение космологической картины мира.

Похоже, это и происходит на наших глазах. Астрономические наблюдения последних лет заставляют нас перейти к гипотезе о фрактальности Вселенной как более правдоподобной. И все-таки она неоднородная!

Гипотеза об однородности Вселенной – простейшая из возможных гипотез об ее устройстве. Ее выдвижение было закономерным и корректным (принцип экономии сущностей). С самого начала, однако, она вступила в противоречие с наблюдательными данными, говорящими о крайне неоднородном устройстве космического мира вокруг нас. Питаемые здоровым консерватизмом, свойственным всем нормальным людям, космологи принялись спасать гипотезу об однородности Вселенной, заменив ее гипотезой о МАКРОоднородности Вселенной, говорящей, что она (Вселенная) неоднородна якобы только на небольших масштабах, тогда как на расстояниях около или более 300 млн световых лет она однородна.

Интерес к проблеме однородности/неоднородности Вселенной был разогрет независимым открытием на рубеже 1970–1980-х годов эстонской и американской группами исследователей в пространственном распределении галактик ячеистых структур с расстоянием между стенками ячеек около 390 млн световых лет и толщиной стенок около 12 млн световых лет. Однако и после этого открытия космологи не отказались от гипотезы о макрооднородности Вселенной, направив свои усилия на возможно более точное установление верхнего порога масштабов, за которым неоднородное распределение галактик становится однородным. Это потребовало составления трехмерных карт распределения галактик на возможно бoльшую глубину, желательно до самого горизонта видимости и с возможно более широким обзором неба.

Перелом произошел в последние 10–15 лет, когда были открыты гигантские космические структуры, которые представляют собой скопления галактик и квазаров (светящихся ядер галактик), размеры которых вполне сравнимы с радиусом горизонта видимости (около 13,8 млрд световых лет). Укажем четыре таких объекта с их размерами:

– Великая стена Слоуна (2003), около 1,38 млрд световых лет; расстояние от Земли около 1,2 млрд световых лет;

– Громадная группа квазаров (2012), около 4 млрд световых лет; расстояние от Земли около 9 млрд световых лет;

– Великая стена Геркулес – Северная Корона (2014), более 10 млрд световых лет; расстояние от Земли около 10 млрд световых лет;

– Гигантская кольцеобразная структура (2015), около 5 млрд световых лет; расстояние от Земли около 7 млрд световых лет.

После их открытия тезис о неоднородности всего наблюдаемого мира приобретает статус подтвержденного эмпирического факта.

Важно, что космические структуры распределены в наблюдаемом мире не только неоднородно, но и фрактально. Это означает, во-первых, что они имеют четко выраженный иерархический характер (звезды – скопления звезд – галактики – скопления галактик и т.д.). И во-вторых, что плотность космических структур быстро падает с их размерами (плотность Солнца равна 1,416 г/см3, нашей Галактики – 10–24 г/см3, всего наблюдаемого мира – 2 х 10–31 г/см3), подчиняясь эмпирическому закону Карпентера: плотность сферического участка космической структуры пропорциональна его радиусу в степени (D–3). Величину D, приблизительно равную здесь 1,23, называют фрактальной размерностью.

Закон Карпентера обеспечивается особым устройством космических структур: расстояния между звездами много больше размеров звезд, расстояния между скоплениями звезд много больше размеров этих скоплений, расстояния между галактиками много больше размеров галактик и т.д.

Таким образом, тезис о фрактальности всего наблюдаемого мира также приобретает на наших глазах статус подтвержденного эмпирического факта. Экстраполируя его на Вселенную, заключаем, что гипотеза о фрактальности Вселенной стала сегодня более правдоподобной, чем гипотеза о ее макрооднородности.

Фрактальная Вселенная – это просто

Полагая Вселенную фрактальной, мы считаем ее еще и бесконечной, делая это по двум соображениям. Во-первых, это предположение – простейшее из возможных для фрактальной Вселенной. Во-вторых, как известно, Альберт Эйнштейн ввел в оборот модель замкнутой Вселенной (от которой он после открытия космического расширения отказался), чтобы избавиться от гравитационной неустойчивости бесконечной Вселенной с отличной от нуля глобальной плотностью. Бесконечная фрактальная Вселенная тем и хороша, что имеет нулевую глобальную плотность: устремляя в законе Карпентера радиус к бесконечности, получаем для плотности нулевое значение. Это снимает проблему ее (Вселенной) гравитационной неустойчивости, так как фрактальная бесконечная Вселенная с ее нулевой глобальной плотностью не может вся ни расширяться, ни сжиматься.

Фрактальная Вселенная устроена чрезвычайно просто. В бесконечном трехмерном глобально плоском (не искривленном гравитацией) пространстве, описываемом специальной теорией относительности, рассеяно бесконечное фрактально организованное множество звезд, галактик, метагалактик и т.д. Составляющие фрактальную Вселенную макросистемы конечных размеров (метагалактики и др.) могут расширяться и сжиматься, как им вздумается, однако из-за глобальной стационарности такой Вселенной все составляющие ее космические системы не могут расширяться или сжиматься одновременно.

Вывод: если Вселенная фрактальна, то она не переживала Большого взрыва, а наблюдаемое нами космическое расширение является результатом Большого взрыва только нашей метагалактики.

Здесь можно опираться на идею «отскока», высказанную космологами в отношении Вселенной. Судя по всему, в прошлом произошло сжатие нашей метагалактики «до упора», заданного известными и неизвестными нам негравитационными механизмами возникновения внутреннего давления, остановившего гравитационный коллапс и обратившего его вспять.

Полагая Вселенную фрактальной, мы считаем ее еще и бесконечной. Серые Луны имеют такой же ландшафт, как и на верхнем рисунке. Фото из книги: Х.-О. Пайеген, П.Х. Рихтер. «Красота фракталов», 1993

Черная дыра – вид изнутри
Взрыв тела конечных размеров – будь то сверхновая звезда или газовый баллон – имеет центр и градиенты расширения (давления, плотности, температуры). У космического расширения ничего подобного не наблюдается: все галактики разбегаются не от какого-то центра, а друг от друга безо всяких перепадов давления, так что все точки наблюдаемого мира в этом отношении равноправны.

Пока мы считали, что Большой взрыв претерпела вся бесконечная Вселенная, отсутствие у нее центра и градиентов расширения могло быть объяснено космологическим принципом, который именно это и утверждает: у бесконечной Вселенной нет выделенных точек и направлений.

Если же мы считаем, полагаясь на гипотезу о фрактальности Вселенной, что наблюдаемый Большой взрыв претерпела только наша метагалактика, то следует признать, что в ее пределах космологический принцип не работает, как не работает он в пределах любой космической системы конечных размеров. Так что отсутствие у космического расширения нашей метагалактики центра и градиентов требует какого-то другого объяснения.

Единственно возможное объяснение этого феномена состоит в том, что наша метагалактика замкнута, будучи черной дырой.

Черные дыры обычно ассоциируют со сверхсжатыми массами. Между тем черной дырой может быть тело со сколь угодно малой плотностью, лишь бы она (плотность) была больше некоторой критической плотности, обратно пропорциональной квадрату радиуса тела.

Оценки показывают, что черная дыра с радиусом наблюдаемого мира может иметь плотность, меньшую плотности воды примерно на 30 порядков (1030). Самое странное, что реальная плотность наблюдаемого мира (2х10–31 г/см3) подозрительно близка к критической, но немного меньше ее. Этот факт хорошо известен, космологи говорят о нем как о проблеме плоскостности Вселенной. Применительно к нашей метагалактике этот факт говорит другое – оценки плотности материи в пределах наблюдаемого мира не противоречат тезису о том, что наша метагалактика замкнута в черную дыру.

На мой взгляд, нет оснований полагать, что внутренняя геометрия замкнутых космических систем конечного размера (черных дыр) сколько-нибудь существенно отличается от геометрии Вселенной в предположении ее замкнутости. Между тем о геометрии замкнутой Вселенной космологами выработаны достаточно определенные представления. Ее пространство, говорят нам, будучи конечным по объему, безгранично, так что луч света, движущийся в ней в определенном направлении, описав огромный круг, возвращается в исходную точку. Из-за безграничности предстающего перед наблюдателем пространства он не только не обнаружит в замкнутой Вселенной выделенного центра, но и все ее точки окажутся равноправными.

Обычному человеку трудно представить себе замкнутое трехмерное пространство. Трудно это дается и профессиональным космологам. Как свидетельствуют, например, наши выдающиеся физики Яков Зельдович и Игорь Новиков в книге «Строение и эволюция Вселенной», «наглядно представить себе замкнутую Вселенную невозможно». Чтобы облегчить себе жизнь, космологи часто используют аналогию трехмерного замкнутого безграничного пространства с двухмерной поверхностью трехмерной сферы – в обоих случаях пространство конечно (по объему или по площади), но не имеет границ.

Чтобы представить себе внутреннюю геометрию черной дыры, прибегнем к этой аналогии и мы, приложив ее к нашей метагалактике. Мысленно поместим на поверхность расширяющейся трехмерной сферы (надуваемого воздушного шарика или расширяющейся Земли) двухмерный газ взаимодействующих точек, имитирующий трехмерный газ звезд и галактик.

Если эти взаимодействия удачно имитируют реальные, то подобно тому, что мы видим в наблюдаемом мире, точки на нашей сфере будут образовывать фрактальные структуры. Из-за симметрии задачи газ на двухмерной сферической поверхности не будет иметь выделенных точек и направлений, оставаясь изотропным в каждой точке. По мере расширения сферы плотность газа на ее поверхности уменьшается, точки разбегаются, не имея центра и градиентов расширения. Все это, только в трехмерном пространстве, мы и наблюдаем в нашей метагалактике.

Сказанное доказывает, как мне представляется, в предположении справедливости гипотезы о фрактальности Вселенной, замкнутость нашей метагалактики, являющейся, таким образом, черной дырой. Другого объяснения отсутствия у нашей метагалактики центра и градиентов расширения я не вижу.

Таким образом, если справедлива гипотеза о фрактальности Вселенной и если, как следствие, наша метагалактика является черной дырой, то высказываемые космологами соображения о внутреннем устройстве черных дыр несостоятельны: в центре черных дыр НЕ находится сингулярность, а вне центра черных дыр – НЕ пустота; находящиеся внутри черной дыры тела НЕ падают неудержимо в ее сингулярность, разрушаясь градиентами гравитации.

Судя по нашей метагалактике, внутри черных дыр все устроено иначе. Они заполнены фрактально распределенной материей, которая расширяется, если расширяется черная дыра, или сжимается – в противном случае. У содержимого черной дыры отсутствуют при этом центр и градиенты расширения или сжатия.

Возможно, так, как здесь описано, устроены только очень большие, то есть очень разреженные, черные дыры. Небольшие, то есть с большой степенью сжатия, черные дыры, быть может, устроены иначе. Не в том плане, что в их центре находится сингулярность, за пределами которой пустота. Вопрос, на мой взгляд, состоит только в том, остается ли распределение вещества внутри черных дыр при большом сжатии фрактальным или же в них распределение вещества однородно, а фрактальность возникает с расширением черных дыр.

Как образуются черные дыры?

В настоящее время мы знаем о четырех разных способах образования черных дыр. Лучше всего понимаем связанный со звездным коллапсом. Достаточно большая звезда образует черную дыру после того, как ее ядерный синтез прекращается, потому что все, что уже можно было синтезировать, было синтезировано. Когда давление, создаваемое синтезом, прекращается, вещество начинает проваливаться к собственному гравитационному центру, становясь все более плотным. В конце концов, оно настолько уплотняется, что ничто не может преодолеть гравитационное воздействие на поверхность звезды: так рождается черная дыра. Эти черные дыры называются «черными дырами солнечной массы» и наиболее распространены.

А вы когда-нибудь задумывались, что произойдет, если рядом с Землей появится Черная Дыра?

Следующим распространенным типом черных дыр являются «сверхмассивные черные дыры», которые можно найти в центрах многих галактик и которые имеют массы примерно в миллиард раз больше, чем черные дыры солнечной массы. Пока доподлинно неизвестно, как именно они формируются. Считается, что когда-то они начинались как черные дыры солнечной массы, которые в густонаселенных галактических центрах поглощали множество других звезд и росли. Тем не менее они, похоже, поглощают вещество быстрее, чем предполагает эта простая идея, и как именно они это делают — все еще остается предметом исследований.

Более спорной идеей стали первичные черные дыры, которые могли быть сформированы практически любой массой в крупных флуктуациях плотности в ранней Вселенной. Хотя это возможно, достаточно трудно найти модель, которая производит их, при этом не создавая чрезмерное их количество.

На нашем канале Яндекс.Дзен выходят эксклюзивные материалы, которых нет на сайте

Наконец, есть очень умозрительная идея о том, что на Большом адронном коллайдере могут образовываться крошечные черные дыры с массами, близкими массе бозона Хиггса. Это работает только в том случае, если у нашей Вселенной имеются дополнительные измерения. Пока не было никаких подтверждений в пользу этой теории.

Структура черной дыры

Для лучшего понимания самого понятия черной дыры рассмотрим случай так называемой шварцшильдовской черной дыры. Это упрощенная модель — сферически симметричная черная дыра, которая характеризуется только массой.

Такая черная дыра может быть порождена гипотетической умирающей звездой, лишенной как электрического заряда, так и магнитного поля. К тому же, эта звезда не должна вращаться. Для наглядности представим структуру черной дыры на рисунке ниже:

Шварцшильдовская черная дыра

Как видим, черную дыру окружает фотонная сфера, состоящая из лучей света, захваченных дырой и движущихся по неустойчивым круговым орбитам вокруг нее. Внутри фотонной сферы находится горизонт событий. Горизонт событий – это точка невозврата из черной дыры.

Материя и информация, попавшие за горизонт событий, уже никогда не смогут вырваться за пределы этой односторонне пропускающей поверхности.

Наконец, в центре черной дыры находится сингулярность – область бесконечно сильно искривленного пространства-времени. Все то, что проваливается за горизонт событий, засасывается в сингулярность, где прекращает свое существование в привычном нам виде.

Откуда мы знаем, что черные дыры существуют?

Черные дыры до сих пор не изучены, и вряд ли будут изучены ближайшие десятки лет

У нас есть много наблюдательных доказательств существования компактных объектов с крупными массами, которые не излучают свет. Эти объекты выдают себя по гравитационному притяжению, например, за счет движения других звезд или газовых облаков вокруг них. Они также создают гравитационное линзирование. Мы знаем, что у этих объектов нет твердой поверхности. Это вытекает из наблюдений, потому что вещество, падая на объект с поверхностью, должно вызывать выброс большего числа частиц, чем вещество, падающее сквозь горизонт.

Виды черных дыр во Вселенной

Современная астрофизика рассматривает три типа черных дыр во Вселенной: звездные, сверхмассивные и реликтовые.

Звездные черные дыры

Это черные дыры со звездными массами. Они возникают как результат жизни массивных звезд. Отметим, что черные дыры образуются только из звезд, масса которых превышает массу Солнца в 20-40 раз.

Другой вариант образования звездной черной дыры — аккреция газа.

Аккреция — это падение вещества из окружающего пространства на космическое тело.

Газ «падает» на нейтронную звезду до тех пор, пока масса последней не превзойдет максимально возможной массы для нейтронных звезд. В таком случае нейтронная звезда коллапсирует в маломассивную черную дыру.

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.

Сверхмассивные черные дыры

Предпологают, что такие черные дыры находятся в центрах галактик. Их масса может составлять до 10 в девятой степени масс Солнца. Эти выводы сделаны на основании анализа движения звезд около центров галактик.

Существует также гипотеза, согласно которой сверхмассивные черные дыры находятся в центрах квазаров – малоизученных и самых далеких из тех космических объектов, которые можно наблюдать с Земли. Квазары представляют собой ядра галактик и в своем центре имеют черную дыру.

Квазары обладают невероятно сильной светимостью и небольшими размерами, их можно наблюдать на расстоянии в 10 млрд световых лет. Эти объекты выделяют огромную энергию во всех областях спектра электромагнитных волн, а особенно — в инфракрасной области.

Первичные или реликтовые черные дыры

Самые маленькие черные дыры, образование которых происходило на ранних стадиях развития Вселенной. Появившиеся вследствие неоднородности Большого Взрыва сгустки вещества могли сжиматься до состояния черных дыр, пока остальная часть вещества расширялась.

Черная дыра — это не всегда что-то очень большое и тяжелое. Ученые предполагают, что размер некоторых первичных черных дыр может быть значительно меньше размера протона.

В другой нашей статье вы можете узнать, как работает ядерный реактор. А если понадобится помощь с учебой — обращайтесь в студенческий сервис №1.

Как черные дыры испускают излучение?

Черные дыры испускают излучение, каким бы безумным это не казалось

Черные дыры испускают излучение за счет квантовых эффектов. Важно отметить, что это квантовые эффекты вещества, а не квантовые эффекты гравитации. Динамическое пространство-время коллапсирующей черной дыры меняет само определение частицы. Подобно течению времени, которое искажается рядом с черной дырой, понятие частиц слишком зависимо от наблюдателя. В частности, когда наблюдатель, падающий в черную дыру, думает, что падает в вакуум, наблюдатель далеко от черной дыры думает, что это не вакуум, а полное частиц пространство. Именно растяжение пространства-времени вызывает этот эффект.

Здесь можно почитать о самой большой Черной Дыре, которую удалось обнаружить на данный момент

Впервые обнаруженное Стивеном Хокингом, испускаемое черной дырой излучение называется «излучением Хокинга». Это излучение имеет температуру, обратно пропорциональную массе черной дыры: чем меньше черная дыра, тем выше температура. У звездных и сверхмассивных черных дыр, которые мы знаем, температура значительно ниже температуры микроволнового фона и поэтому не наблюдается.

Как выглядят черные дыры

Черные дыры имеют три «слоя»: внешний и внутренний горизонт событий, а также сингулярность.

Горизонт Событий черной дыры — это граница вокруг устья черной дыры, за которую не может проникнуть свет. Как только частица пересекает горизонт событий, она не может вырваться обратно. Гравитация постоянна по всему горизонту событий.

Внутренняя область черной дыры, где находится масса объекта, известна как его сингулярность, — это точка в пространстве и времени, где сосредоточена масса черной дыры.

Ученые не могут видеть черные дыры так, как они могут видеть звезды и другие объекты в космосе. Вместо этого астрономы должны полагаться на обнаружение излучения, которое испускают черные дыры, когда пыль и газ втягиваются внутрь. Но сверхмассивные черные дыры, лежащие в центре галактики, могут быть окутаны густой пылью и газом вокруг них, что может блокировать излучение.

Иногда, когда материя притягивается к черной дыре, она рикошетит от горизонта событий и выбрасывается наружу, вместо того чтобы быть втянутой внутрь. Создаются яркие струи, движущиеся с почти релятивистскими скоростями. Хотя черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно наблюдать с больших расстояний.

Изображение черной дыры на телескопе Event Horizon в M87 (выпущенном в 2020 году) было экстраординарным усилием, потребовавшим двух лет исследований даже после того, как снимки были сделаны. Это происходит потому, что совместная работа телескопов, которая охватывает многие обсерватории по всему миру, производит поразительное количество данных, которые слишком велики для передачи через интернет.

Со временем исследователи ожидают получить изображение других черных дыр и построить хранилище того, как выглядят эти объекты. Следующая цель, вероятно, Стрелец А*, который является черной дырой в центре нашей собственной галактики Млечный Путь. Стрелец A* интригует, потому что он тише, чем ожидалось, что может быть связано с магнитными полями, подавляющими его активность. Другое исследование показало, что Стрельца А* окружает холодное газовое гало, что дает беспрецедентное понимание того, как выглядит окружающая среда вокруг черной дыры.

Что такое информационный парадокс?

Парадокс потери информации обусловлен излучением Хокинга. Это излучение сугубо термическое, то есть случайно и из определенных свойств имеет только температуру. Излучение само по себе не содержит никакой информации о том, как сформировалась черная дыра. Но когда черная дыра испускает излучение, она теряет массу и сокращается. Все это совершенно не зависит от вещества, которое стало частью черной дыры или из которого она образовалась. Выходит, зная только конечное состояние испарения нельзя сказать, из чего сформировалась черная дыра. Этот процесс «необратим» — и загвоздка в том, что в квантовой механике нет такого процесса.

Выходит, испарение черной дыры несовместимо с квантовой теории, известной нам, и с этим нужно что-то делать. Каким-то образом устранить несогласованность. Большинство физиков считают, что решение состоит в том, что излучение Хокинга должно каким-то образом содержать информацию.

Общая теория относительности как отправная точка

Понятие черной дыры становится значимым только тогда, когда мы связываем его с теорией общей теории относительности. В последнем пространство-время искривлено массой. Чем массивнее объект, тем больше искривляется пространство-время. Например, масса Солнца искажает пространство-время. Таким образом, Земля вращается вокруг Солнца, казалось бы, подвергаясь его притяжению, но объяснение состоит в том, что она заимствует кривизну пространства-времени, которую индуцировала масса Солнца. Если бы не было такого искажения, то Земля отправилась бы прямо в космос.

Черная дыра имеет такую большую плотность, что она приводит к чрезвычайно глубокому гравитационному колодцу, который разрывает пространство-время. Порожденная кривизна настолько сильна, что из этого колодца уже ничто не может выбраться.

Что предлагает Хокинг для решения информационного парадокса черной дыры?

Идея состоит в том, что у черных дыр должен быть способ хранить информацию, который до сих пор не приняли. Информация хранится на горизонте черной дыры и может вызывать крошечные смещения частиц в излучении Хокинга. В этих крошечных смещения может быть информация о попавшей внутрь материи. Точные детали этого процесса в настоящее время не определены. Ученые ждут более подробного технического документа от Стивена Хокинга, Малькома Перри и Эндрю Строминджера. Говорят, он появится в конце сентября.

На данный момент мы уверены, что черные дыры существуют, знаем, где они находятся, как образуются и чем станут в итоге. Но детали того, куда девается поступающая в них информация, до сих пор представляют одну из самых больших загадок Вселенной.

Давайте обсудим Черные Дыры в нашем Telegram-канале?

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: