Сущность и природа черных дыр
Черная дыра — это один из самых загадочных объектов во Вселенной, представляющий собой область пространства-времени с настолько мощной гравитацией, что ничто, даже свет, не может ее покинуть. Это своеобразная космическая «точка невозврата».
Граница этой области, известная как горизонт событий, определяет размер черной дыры, называемый гравитационным радиусом. Падающая на черную дыру материя формирует вокруг нее раскаленный аккреционный диск, который, стремительно вращаясь, излучает свет и другие виды излучения. Именно это свечение и позволило астрономам косвенно обнаружить черные дыры. Интересно, что лишь малая часть вещества из диска падает внутрь, а основная его часть выбрасывается обратно в космос в виде узких, сверхбыстрых струй плазмы — релятивистских джетов, разогнанных почти до скорости света.
Четыре пути рождения черных дыр
Ученые выделяют несколько ключевых механизмов, которые могут привести к формированию этих гравитационных монстров.
Коллапс массивной звезды. Это наиболее изученный сценарий. Когда у звезды, масса которой превышает три солнечных, заканчивается термоядерное топливо, она больше не может противостоять собственной гравитации. Происходит катастрофический гравитационный коллапс. В зависимости от массы, звезда может превратиться в сверхплотную нейтронную звезду или, если масса достаточно велика, продолжить сжиматься, пока не образует черную дыру, безвозвратно искривляя пространство-время вокруг себя.
Коллапс в центрах галактик. Этот процесс похож на звездный коллапс, но в гигантских масштабах. Под действием собственной гравитации может коллапсировать не отдельная звезда, а огромное скопление вещества в ядре галактики или протогалактическое газовое облако. Эта гипотеза хорошо объясняет, почему сверхмассивные черные дыры находятся в центре практически каждой крупной галактики.
Первичные черные дыры. Согласно этой теории, некоторые черные дыры могли родиться в первые мгновения после Большого взрыва из-за экстремальных флуктуаций плотности в сверхгорячей и плотной молодой Вселенной. Более того, ученые рассматривают возможность, что такие первичные черные дыры определенной массы могут быть одной из составляющих неуловимой темной материи.
Экспериментальное создание. Теоретически, микроскопические черные дыры могут возникать в ходе ядерных реакций при сверхвысоких энергиях, например, в мощных ускорителях частиц, хотя на практике это пока не наблюдалось.
В научном сообществе термин «черная дыра» также иногда применяют к объектам, которые приближаются по свойствам к истинным черным дырам, например, к звездам на финальных стадиях коллапса.
Любопытным теоретическим антиподом черной дыры является белая дыра — гипотетический объект, который только извергает из себя материю и энергию, но ничего не поглощает. Некоторые ученые предполагают, что сам Большой взрыв мог быть проявлением белой дыры, или что они возникают при гипотетическом распаде черных дыр. Однако на сегодняшний день их существование не подтверждено наблюдениями.
Судьба черных дыр в далеком будущем также остается предметом дискуссий. Согласно знаменитой теории Стивена Хокинга, черные дыры не вечны — они медленно «испаряются», теряя массу за счет квантовых эффектов у горизонта событий, но для заметного испарения даже небольших черных дыр потребуется время, многократно превышающее нынешний возраст Вселенной.
Обратите внимание: Главное в космосе на 2021 год..
История изучения: от гипотезы до снимка
Идея о существовании невидимых массивных тел была впервые высказана английским ученым Джоном Мичеллом еще в 1784 году. Он рассуждал о телах с такой сильной гравитацией, что свет не может их покинуть. Однако эта концепция не получила развития в рамках классической физики.
Перелом наступил с появлением специальной теории относительности Альберта Эйнштейна в 1905 году, которая установила скорость света как абсолютный предел. Это придало гипотезе Мичелла фундаментальный физический смысл.
Значительный вклад в теорию черных дыр внес индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар, изучавший эволюцию звезд. Он также сформулировал принцип «отсутствия волос», утверждающий, что черная дыра характеризуется всего несколькими параметрами (массой, зарядом и моментом вращения), стирая всю остальную информацию о поглощенной материи.
Прямые доказательства существования черных дыр были получены лишь в XXI веке: гравитационные волны от их слияния зафиксировали в 2015 году, а в 2019 году мир увидел первое в истории изображение «тени» сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87.
Классификация черных дыр
Черные дыры различаются по массе и происхождению:
- Черные дыры звездной массы (от ~3 до десятков масс Солнца) — образуются в результате коллапса массивных звезд.
- Черные дыры средней массы (от сотен до тысяч солнечных масс) — промежуточный класс, возможно, возникающий при слиянии меньших дыр или поглощении вещества.
- Сверхмассивные черные дыры (от миллионов до миллиардов масс Солнца) — находятся в центрах галактик, включая нашу собственную (Стрелец А*).
- Ультрамассивные черные дыры (десятки миллиардов солнечных масс) — редкие гиганты. Рекордсменом считается объект в галактике Holm 15A массой около 40 миллиардов масс Солнца.
Загадка количества и внутреннее устройство
Точное число черных дыр во Вселенной неизвестно из-за сложностей их обнаружения. Только в нашей галактике Млечный Путь, по оценкам, могут существовать сотни миллионов черных дыр звездной массы, но подтверждено пока лишь около десятка.
Вопрос о том, что находится внутри черной дыры, остается одной из величайших загадок науки. Согласно общей теории относительности, в самом центре находится сингулярность — точка с бесконечной плотностью, где законы физики, какими мы их знаем, перестают работать. Однако многие ученые полагают, что для описания сингулярности необходима еще не созданная теория квантовой гравитации, которая объединила бы ОТО и квантовую механику. Возможно, за горизонтом событий скрываются невообразимые структуры или даже порталы в другие области пространства-времени, но пока это область теоретических изысканий и смелых гипотез.
Статья была написана на основе информации с сайта: https://hightech.fm/2020/02/06/holes-are-black
Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: Как появляются чёрные дыры в космосе? Что находится внутри неё?.