Как рождаются и умирают черные дыры

Черная дыра — это объект с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может покинуть ее пределов. Обычная черная дыра представляет собой последний этап жизни некогда массивной звезды.

Как рождаются и умирают черные дыры

Прошлая жизнь черной дыры

Звезда по большей части является скоплением огромного числа атомов водорода. В ядре звезды под действием собственной сильной гравитации происходят термоядерные реакции, в ходе которых атомы водорода объединяются в атомы гелия, выделяя в этом процессе огромное количество энергии. Эта энергия в виде излучения оказывает сопротивление гравитации, сохраняя баланс между этими двумя силами. До тех пор пока в звезде имеется достаточно водорода, звезда остается стабильной.

Более массивные звезды могут производить более тяжелые элементы, вплоть до железа. Таким образом в звезде начинает образовываться железное ядро, которое замедляет процессы термоядерного синтеза. В какой-то момент железа в звезде становится настолько много, что излучения от термоядерных реакций становится недостаточным, чтобы сдерживать гравитацию.

Рождение черной дыры

Когда баланс сил нарушается, то звезда начинает коллапсировать. За доли секунд звезда в буквальном смысле падает сама на себя. Весь этот процесс сопровождается выделением огромного количества энергии в виде взрыва сверхновой. Именно в таких процессах рождается большинство тяжелых химических элементов, которые окружают нас в повседневной жизни. Если звезда имела достаточно большую массу, то на месте взрыва остается либо нейтронная звезда, либо черная дыра.

Горизонт событий и сингулярность

Если мы посмотрим на черную дыру, то сможем увидеть только ее границу, которая называется горизонтом событий. Все что находится за горизонтом событий должно развить скорость большую, чем скорость света, чтобы покинуть пределы черной дыры. Но поскольку любой физический объект не может превысить скорость света, то покинуть границы черной дыры невозможно.

Но если внешней частью черной дыры является горизонт событий, то что находится внутри? У науки нет однозначного ответа на этот вопрос, однако математика говорит нам о том, что в центре черной дыры находится сингулярность. Мы не очень понимаем с физической точки зрения что это такое, но математика описывает сингулярность, как точечную массу с нулевым объемом и без поверхности. Такую математическую интерпретацию сингулярности можно сравнить с делением на ноль.

Как рождаются и умирают черные дыры
Строение черной дыры в проекции

Черная дыра не является каким-то космическим пылесосом. Если заменить Солнце на черную дыру такой же массы, то ничего не изменится, за исключением того, что мы перестанем получать тепло от нашей звезды.

Испарение черной дыры

Черные дыры разделяются на черные дыры звездных масс и сверхмассивные черные дыры.

Черные дыры звездных масс представляют из себя конечный этап эволюции массивных звезд. Имея массу нескольких Солнц, такие черные дыры имеют размер большого города.

Сверхмассивные черные дыры являются центрами галактик. Самая большая известная сверхмассивная черная дыра имеет размер в 23 раза больший, чем орбита Плутона и массу равную 40 миллиардам масс Солнца.

Как рождаются и умирают черные дыры
Галактика Сомбреро в центре которой находится сверхмассивная черная дыра, окруженная горячим высокоэнергетичным веществом

Какой бы огромной и массивной ни была черная дыра, она рано или поздно испарится благодаря процессу под названием излучение Хокинга. Чтобы понять как это работает, нужно обратить внимание на механизмы, которые происходят в космическом вакууме.

Космический вакуум не является абсолютно пустым — в нем постоянно происходят процессы рождения и моментального взаимоуничтожения пар частица-античастица. Но когда этот процесс происходит на краю черной дыры, то одну из частиц может затянуть за горизонт событий. При этом вторая частица останется в космическом пространстве. Согласно закону сохранения энергии родившаяся частица как бы берет энергию "в долг" у черной дыры, поэтому черная дыра в таком процессе немного уменьшается, другими словами — испаряется.

Как рождаются и умирают черные дыры
Излучение Хокинга

Смерть черной дыры

Черные дыры большого размера испаряются очень медленно, однако, по мере уменьшения, скорость испарения возрастает. Также, чем быстрее испаряется черная дыра, тем больше тепла она производит. В последние секунды своей жизни черная дыра взрывается, испуская огромное количество тепла, сопоставимое с детонацией миллиардов ядерных бомб.

Например, черная дыра массой 1000 тонн испарится всего за 84 секунды. Некоторые черные дыры настолько огромны, что температура их излучения ниже фоновой температуры космоса, поэтому на данном этапе развития Вселенной они могут только расти. Такие черные дыры начнут испаряться только тогда, когда Вселенная достаточно расширится и, следовательно, охладится.

При этом, время испарения столь огромных черных дыр, как показывают расчеты, несопоставимо больше возраста Вселенной. Когда будут испаряться последние черные дыры, то, скорее всего, они будут практически единственными макроскопическими объектами на всех просторах темного космоса.

Делитесь этой статьей в своих социальных сетях, а также не забывайте поставить палец вверх, подписаться на наш канал и оставить комментарий, если вам понравилась данная публикация!