Mail.ru Group corporate blog
8 September 2013

Чёрные дыры: скандалы, интриги, расследования

Пользуясь случаем, хотим поблагодарить всех читателей нашего блога за поддержку и здоровую критику наших статей, посвящённых космосу. Позвольте продолжить эту тему небольшой подборкой материалов о самом, пожалуй, популярном виде небесных тел после звёзд и планет: о чёрных дырах. Несмотря на то, что в целом об этих интереснейших объектах до сих пор известно очень мало, «таинственными» их можно назвать уже с большой натяжкой.

Термином чёрная дыра называют объекты, гравитация на границе и внутри которых столь велика, что покинуть этот объект не могут даже фотоны. Иными словами, даже свет не способен вырваться за пределы чёрных дыр, отсюда и такое трагично-поэтичное название. Граница, после пересечения которой уже невозможно покинуть пределы чёрной дыры, называется горизонтом событий. Не менее поэтично, не правда ли? Строго говоря, у чёрных дыр нет поверхности или какой-то иной вещественной границы. Что происходит с веществом внутри горизонта событий, никому неизвестно, поэтому условно его можно считать «поверхностью».




Современная наука считает, что существуют три вида чёрных дыр:
  • Микроскопические – квантовые – ЧД
  • Сверхмассивные ЧД (105-1010 солнечных масс), являющиеся ядрами большинства галактик
  • ЧД звёздной массы (3-100 солнечных масс)

Некоторое время назад также заговорили о «средних» ЧД, однако их существование является предметом горячих споров: в частности, не найдено удовлетворительного объяснения механизма их образования. В этой статье мы остановимся на «обычных» и сверхмассивных черных дырах, существование которых считается вполне подтверждённым.

Формально, сами по себе чёрные дыры совершенно невидимы (как раз потому, что даже свет не может покинуть их пределов). Однако благодаря гигантскому гравитационному притяжению чёрные дыры окружены аккреционным диском, состоящим из межзвёздных газов, пыли и прочих случившихся рядом неудачников объектов.

В процессе падения скопившаяся материя, из которой состоит диск, закручивается вокруг ЧД по спирали, набирает огромную скорость и разогревается, в результате чего аккреционный диск излучает в ультрафиолетовом и рентгеновском спектре. Это излучение и позволяет обнаруживать чёрные дыры в пучинах космоса.

В сознании многих людей чёрные дыры являются таинственным и всепоглощающим воплощением адской бездны. Но далеко не вся материя, вращающаяся вокруг чёрной дыры, поглощается ею. Часть материи аккреционного диска излучается в виде космического ветра в результате интенсивного нагрева и высоких скоростей вращения. Например, в 2011 году было обнаружено, что чёрная дыра звёздной массы IGR J17091-3624 периодически испускает самый быстрый из известных сегодня подобных «ветров»: его скорость достигает примерно 30 млн км/час, что составляет 3% от скорости света.

Кроме того, чёрные дыры обладают также свойством излучать вещество в виде узконаправленных плазменных выбросов, направленных с обоих «полюсов» перпендикулярно плоскости вращения аккреционного диска. Выглядит этот как ось, на которую насажен диск. Эти выбросы называют джетами [англ. jet], или релятивистскими струями. Механизм их образования до сих пор недостаточно изучен. У сверхмассивных чёрных дыр мощность излучения джетов такова, что может остановить приток межзвёздного газа к центру галактического кластера. Скорость выброса джетов в разы выше скорости «ветра».



Происхождение


Статистически, чёрные дыры звёздных масс должны быть наиболее распространённой разновидностью во Вселенной. Фактически это одна из форм посмертного существования остывших звёзд. Однако далеко не каждая звезда после своей кончины превращается в бесконечный поглотитель всего сущего. Теоретические расчёты предсказывают, что только если звезда обладает массой не менее чем в 3-6 раз больше солнечной, тогда у неё появляется шанс стать эталоном Абсорбента.

Механизм перерождения звезды в чёрную дыру протекает, как считают учёные, по следующему сценарию. На материю внутри звезды действуют две разнонаправленные силы: сжатие (гравитация) и расширение (термоядерные реакции). Фактически, любая звезда до поры до времени пребывает в состоянии шаткого равновесия, при котором гравитационное сжатие компенсируется постоянным термоядерным «бурлением». Однако с течением времени концентрация веществ, служащих топливом для термоядерного синтеза, в ядре звезды падает. Баланс сил нарушается, и ядро начинает стремительно сжиматься и уплотняться. Внешний слой, «выгорев», также начинает сжиматься, фактически падая на ядро. Здесь история может пойти разными путями – это зависит, в частности, от массы звезды. Одним из таких путей является взрыв звезды в результате падения оболочки на ядро и превращение в сверхновую. При взрыве звезда окончательно сжимается до диаметра 20-30 км, при этом обретая колоссальную плотность. Получившийся объект обладает столь сильным гравитационным полем, что вблизи горизонта событий искривляется пространство-время. Это должно проявляться, например, в искривлении лучей света.

Согласно решению Шварцшильда теоремы Биркгофа, радиус сферического коня в вакууме горизонта событий сферической чёрной звезды определяется формулой:

R=2GM/c2, где G — гравитационная постоянная, М — масса звезды, с — скорость света.

Таким образом, чтобы наше Солнце превратилась в чёрную дыру, его необходимо сжать до 6 км в диаметре (вместо 1 392 000 км). Как вы понимаете, такая новорождённая чёрная звезда обладает невероятной плотностью. Однако с ростом массы плотность снижается, причём эта зависимость нелинейная. Если «обычная» чёрная звезда спрессована до состояния «ядро к ядру», то сверхмассивные чёрные дыры массой 105-1010, являющиеся сердцевинами галактических кластеров, имеют плотность, сопоставимую с самыми обычными известными нам веществами. Например, ЧД с массой в 1 млрд солнечных (и это далеко не рекордсмен в тяжёлом весе!) будет иметь плотность примерно 18,5 кг/м3, что всего лишь в 10 раз больше плотности воздуха.

Примеры сверхмассивных чёрных дыр:


Стрелец А* (Sagittarius A*), расположена в 26 000 световых лет от нас. Предположительно, именно эта сверхмассивная чёрная дыра является центром нашей галактики Млечный Путь. Масса — около 4 000 000 солнечных. Плотность примерно в 100 раз выше плотности свинца.



М84, массивная галактика в созвездии Девы, расположенная в 55 млн световых лет от нас. Здесь вы можете видеть пример работы джетов сверхмассивной чёрной дыры.



NGC 6240, двойная система сверхмассивных чёрных дыр, находящихся в процессе слияния. Пока не существует твёрдых гипотез, что происходит в таких случаях, в отличие от, скажем, процесса столкновения звезды и сверхмассивной чёрной дыры. Считается, что именно во время слияния массивных чёрных дыр возникают самые сильные во вселенной гравитационные волны.



Ещё немного теории


Как выглядит падение на чёрную дыру? Логика подсказывает, что некий объект при падении просто в один прекрасный момент исчезает за тьмой горизонта событий. Однако это не так. При приближении к горизонту событий объект будет вытягиваться в радиальном направлении и сжиматься в поперечном. Достигнув точки невозвращения, объект, чрезвычайно вытянутый, замедлится и застынет. Это связано с тем, что никакое излучение, в том числе в оптическом диапазоне, не способно вырваться за пределы горизонта событий. Для самого падающего тела падение субъективно никогда не наступит в связи с бесконечным замедлением времени.

Недавние исследования Стивена Хокинга говорят о том, что ничто не вечно под Луной с точки зрения квантовой физики, чёрные дыры всё же теряют энергию сами по себе, а не только благодаря коллизиям их аккреционных дисков. Эта гипотетический эффект назван хокинговским излучением. Если теория верна, то, при отсутствии подпитки материей, со временем чёрная дыра должна всё быстрее терять энергию и, в конце концов, взорваться. Однако квантовая теория в целом проработана так поверхностно, что теория Хокинга в основном создаёт больше вопросов, чем предположений.

+65
86.9k 140
Comments 118
Top of the day