114

Истины, мифы и загадки черной дыры

Основы

  • Черная дыра – объект настолько массивный и компактный, что даже свет не может избежать его сильной гравитации.
  • Хотя мы никогда напрямую не «видели» черную дыру, мы знаем, что они существуют и что они оказывают неочевидное влияние на пространство и время.
  • Полные детали механики черной дыры неизвестны, но исследователи исключили некоторые из самых популярных мифов.

Космос далеко за пределами нашей планеты наполнен вещами настолько странными и чудесными, что трудно поверить в их существование. Возможно, самые странные из них – черные дыры – бездонные ямы, пожирающие звезды, питающие центры галактик и искажающие пространство и время. Если вы подойдете слишком близко, все время может пройти мимо вас, и возврата не будет.

Мы еще не знаем всех деталей того, как работают черные дыры, но это не то же самое, что вообще ничего не знать. Так что давайте вглядываться в темноту и разрешить все, что мы можем, и попутно разрушить некоторые мифы.

Смоделированный вид черной дыры. Это круглый темный объект, который искажает проходящий рядом свет, создавая впечатление, что он «искажает» пространство вокруг себя.

Черная дыра – это объект с настолько сильной гравитацией, что искажает пространство-время вокруг себя.

Мы уверены, что знаем

Давайте начнем с некоторых истин – вещей, которые мы почти наверняка правы, исходя из наших текущих знаний.

ВЕРНО: ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ СУЩЕСТВУЮТ

Идея черных дыр существует уже сотни лет с тех пор, как ученые взяли известные законы физики и определили, что произойдет в их крайних проявлениях. Хотя эти законы физики выдержали экспериментальное тестирование, это еще не гарантия того, что эти экстремальные сценарии действительно происходят в природе.

Итак, чтобы доказать существование черных дыр, нам нужно взглянуть на астрономические наблюдения.

Мы не можем напрямую видеть черные дыры с помощью любого света, который мы умеем обнаруживать. Но мы можем видеть их косвенно, основываясь на том, как они влияют на окружающую их материю. Сюда входят наблюдения за тем, как объекты движутся вокруг черных дыр или как искажается свет.

Вы обнаруживаете, что там есть что-то, что более чем в четыре миллиона раз превышает массу нашего Солнца, но в крошечной области, которая абсолютно не производит света. Мы думаем, что это может быть только черная дыра.

Не удовлетворены косвенными доказательствами? Примите участие в открытии гравитационных волн , о котором впервые было объявлено в феврале 2016 года, а о втором обнаружении было объявлено в июне 2016 года. Направляя два лазерных луча по длинному туннелю и ища аномалии в том, как распространяется свет, ученые обнаружили рябь в самом космосе. Пульсация совпала с предсказанным сигналом двух сталкивающихся черных дыр, что дало нам прямые доказательства их существования.

Трехмерная иллюстрация двух черных дыр, которые вот-вот столкнутся. Кажется, что они искажают пространство вокруг себя, как водная рябь.

Столкновение двух черных дыр было обнаружено путем измерения гравитационных волн.

Судя по всему, что мы узнали, либо черные дыры действительно существуют, либо законы физики в том виде, в каком мы их знаем, нужно изменить. Но для того, чтобы мы приняли этот последний вариант, эти уточненные теории должны быть разработаны, проверены и доказаны – и при этом у них должна быть возможность объяснить более простую физику, например, почему вы не уплываете от Земли, когда прыгаете, или как мы можем использовать гравитационное ускорение планет, чтобы доставить космический корабль к определенным целям во внешней Солнечной системе.

ВЕРНО: ВЫ МОЖЕТЕ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ, ЧТОБЫ ПУТЕШЕСТВОВАТЬ ВО ВРЕМЕНИ

Хотите стать путешественником во времени? Некоторое время оставайтесь в местах с сильной гравитацией. Вы не можете вернуться в прошлое, но если вы подойдете достаточно близко к черной дыре, вы сможете отправиться в будущее.

Это свойство не ограничивается черными дырами – это может произойти там, где есть достаточная гравитация. Просто эффекты становятся заметными только в том случае, если гравитация действительно велика, поэтому сверхмассивная черная дыра может стать вашим главным билетом в будущее… при условии, что вы сможете подойти достаточно близко. (Это может быть проблемой, учитывая, что ближайшая сверхмассивная черная дыра, Стрелец A*, находится на расстоянии 26000 световых лет от нас.)

Просто не переходи горизонт событий, иначе вы никогда не сможете вернуться и пожинать плоды своего путешествия во времени!

Детали гравитационного путешествия во времени просто ошеломляют. Подробнее читайте в нашей теме о гравитации. Использование гравитации вблизи черных дыр для путешествия в будущее – это не то же самое, что войти в черную дыру и использовать ее как червоточину. Как мы надеемся прояснить в этой теме, пересечение горизонта событий черной дыры было бы очень плохой идеей.

ВЕРНО: ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ВЫЗЫВАЮТ ОГРОМНЫЕ ПРИЛИВНЫЕ СИЛЫ

Еще один результат экстремальной гравитации – это экстремальные приливные силы. На Земле гравитационное притяжение Солнца и Луны создает приливы в наших океанах. Это связано с тем, что гравитация солнца и луны искажает океан в разных направлениях в зависимости от времени суток. Если бы вы находились на планете, вращающейся близко к сверхмассивной или звездной черной дыре, приливные силы могли бы быть экстремальными, что могло бы привести к сценариям, подобным захватывающей сцене прилива в фильме 2014 года « Интерстеллар» (хотя в этом конкретном научно-фантастическом представлении все еще есть некоторые сомнения в физике ).

Черные дыры могут даже разрывать планеты или звезды!

Но, как и возможность путешествия во времени вперед, огромные приливные силы – это не уникальное явление для черных дыр. Юпитер, например, настолько массивен, что заставляет его луны сжиматься и растягиваться, что приводит к нагретому ядру и вулканической активности.

Фотография Ио с огромным извержением вулкана, видимым из космоса.

Ближайший к Юпитеру спутник Ио (на фото) настолько искажен гравитацией Юпитера (и других спутников), что на нем происходят огромные извержения вулканов.

Разрушенные мифы

То, что черные дыры причудливы, не означает, что все, что вы о них слышите, – правда. Вот несколько распространенных заблуждений.

МИФ: ВСЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ЧЕРНЫЕ

Мы склонны представлять черные дыры как черные сферы в центре космоса. Но не все черные дыры подходят под это описание, потому что свет все еще может излучаться из области за пределами горизонта событий.

Некоторые черные дыры приводят в действие самые яркие известные объекты во Вселенной, известные как квазары. Когда материал приближается к горизонту событий, он начинает ускоряться – и нагреваться – ярко сияя, пока не пройдет через горизонт событий.

Смоделированное изображение квазара, представляющего собой диск невероятно ярких красных кружащихся газов, со струей света, выходящей из середины диска.

Квазары – самые яркие объекты, обнаруженные во Вселенной.

Еще одна причина, по которой черные дыры не обязательно выглядят черными, заключается в том, как они искажают время. С точки зрения того, кто находится далеко, космический корабль, направляющийся к черной дыре, никогда – буквально никогда – не появится, чтобы достичь ее. Таким образом, если яркий объект направляется к черной дыре, его свет будет казаться плавающим за пределами горизонта событий, становясь все краснее и краснее, все слабее и тусклее, пока не исчезнет. Это связано с явлениемкрасное смещение.

Черные дыры настолько искажают пространство-время, что на горизонте событий время практически останавливается. Вы бы увидели, что ваши часы идут нормально, и вы бы просто упали – бах, ушли. Но кто-то далеко увидел бы, как ваши часы тикают медленнее, когда вы падаете … ваше падение буквально длилось бы вечность.

МИФ: ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ЗАСАСЫВАЮТ ВСЕ

Возможно, самый распространенный миф о черных дырах заключается в том, что они «засасывают» в себя материю, как действительно мощные пылесосы. Не волнуйтесь! Они не собираются в конечном итоге поглотить все во вселенной, и вам не нужно их бояться … если только вы не планируете путешествовать ОЧЕНЬ близко.

Почему? Что ж, хотя черные дыры во многих отношениях экстремальны, у них нет бесконечной массы – и именно масса определяет силу их гравитации. Некоторые черные дыры, известные какзвездные черные дыры- имеют массу, примерно равную массе очень массивных звезд. Таким образом, как объекты могут вращаться вокруг массивных звезд, не падая внутрь, то же самое верно и в отношении черных дыр. Вы могли бы счастливо вращаться вокруг черной дыры вечно.

Как только вы подойдете достаточно близко, история изменится, и гравитация направит вас внутрь. Но это то же самое, что и любой массивный объект, такой как планета или звезда.

МИФ: ВСЕ ЗВЕЗДЫ СТАНОВЯТСЯ ЧЕРНЫМИ ДЫРАМИ

Звездные черные дыры образуются, когда у массивных звезд заканчивается топливо и они разрушаются в результате катастрофического взрыва. Но не все звезды так заканчивают свою жизнь. Если звезда среднего или небольшого размера (как наше Солнце), она станетбелый Гном- стабильная звезда с низкой энергией, у которой недостаточно массы, чтобы коллапсировать в черную дыру. Если звезда намного больше, она станет либонейтронная звездаили черная дыра. Чтобы звезда могла стать черной дырой в конце своей жизни, она должна быть примерно в 20 раз больше нашего Солнца . Вы можете сравнить эти результаты в этой инфографике от Khan Academy о жизненных циклах звезд .

Таким образом, наше Солнце в конечном итоге не станет черной дырой, как и большинство звезд в нашей Вселенной.

МИФ: ГОРИЗОНТЫ СОБЫТИЙ ВЫЗЫВАЮТ СПАГЕТТИФИКАЦИЮ

Поскольку гравитация быстро становится сильнее, чем ближе вы подходите к черной дыре, человек, который (гипотетически) движется вперед ногами к черной дыре, может тянуть ноги быстрее, чем его голова, и его бока будут раздавлены внутрь. По мере того, как они продолжают двигаться к черной дыре, эффект будет усиливаться, пока они в конечном итоге не будут разорваны на цепочку отдельных атомов в процессе, называемом спагеттификацией.

Хотя исследователи считают, что спагеттификация – это реальное явление, существует распространенное мнение, что это всегда происходит на горизонте событий каждой черной дыры. Но точка, в которой происходит спагеттификация, зависит от размера черной дыры. Что касается самых больших сверхмассивных черных дыр, вы можете легко пройти горизонт событий, не будучи спагеттифицированным… и вы можете даже не осознавать, что пересекли горизонт событий! В этих случаях спагеттификации не произойдет, пока вы не окажетесь далеко за горизонтом событий.

МИФ: БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР СОЗДАСТ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ, КОТОРЫЕ УНИЧТОЖАТ ВСЕХ НАС

Были опасения, что Большой адронный коллайдер (LHC) – крупнейший в мире ускоритель частиц, которому приписывают доказательство существования бозона Хиггса, сможет создавать крошечные черные дыры, которые уничтожат всех нас.

Техник осматривает Большой адронный коллайдер через компьютерный интерфейс.

Большой адронный коллайдер находится под землей на французской и швейцарской границах.

Это правда, что звездная или сверхмассивная черная дыра была бы плохой новостью, если бы возникла в непосредственной близости от нашей родной планеты. Но ни то, ни другое невозможно. В нашей локальной части галактики нет звезд, достаточно массивных, чтобы стать черными дырами. Даже если бы вы могли каким-то образом использовать всю массу всех объектов в нашей солнечной системе, вам все равно не хватило бы количества, необходимого для создания одной из этих больших черных дыр.

Что касается микроскопических черных дыр, мы даже не уверены в их существовании. И, если они действительно существуют, хотя мы не знаем, как они будут работать, мы знаем, что они не разрушительны.

Столкновения, которые происходят на LHC, – это столкновения, которые происходят в природе постоянно. Космические лучи регулярно бомбардируют Землю, сталкивая частицы с той же энергией, что и на БАК. Если такого рода столкновения – виды столкновений, которые происходят в течение миллиардов лет – создают мини-черные дыры, то они, похоже, не причиняют никакого вреда.

В чем мы менее уверены

Как всегда бывает в науке, предстоит еще многое узнать. Вот некоторые вопросы, над которыми сегодня работают исследователи.

СУЩЕСТВУЮТ ЛИ КРОШЕЧНЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ?

Хотя мы знаем, что черные дыры бывают разных размеров (или, точнее, разной массы), мы не совсем уверены, есть ли какие-то ограничения на то, насколько они могут быть маленькими. Крошечные черные дыры, также называемые микро-черными дырами или мини-черными дырами, являются предсказуемой возможностью.

Крошечные черные дыры будет невероятно трудно наблюдать, так как считается, что они мало повлияют на окружающую среду, прежде чем почти мгновенно исчезнут (из-за испарения Радиация Хокинга). Возможно, однажды мы сможем создавать их в контролируемой среде, такой как LHC, но, как объяснялось выше, нам не нужно их бояться.

КАК ОБРАЗУЮТСЯ СВЕРХМАССИВНЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ?

Сверхмассивные черные дыры обладают такой большой массой, что они не могут быть образованы типичной умирающей звездой. Одна идея состоит в том, что они образуются, когда галактики (с черными дырами в центре) сталкиваются, а затем эти галактики сталкиваются с другими галактиками. Но неясно, может ли это объяснить размер сегодняшних сверхмассивных черных дыр с учетом времени, которое им потребовалось для образования после Большого взрыва.

Другая идея состоит в том, что первоначальные «семена» сегодняшних сверхмассивных черных дыр образовались из газовых облаков до образования звезд и галактик или во время самого Большого взрыва.

Видео: объяснение сверхмассивных черных дыр (PHD Comics / YouTube). Просмотр сведений о видео .

ВСЕ ЛИ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ИСПАРЯЮТСЯ?

Считается, что со временем черные дыры в конечном итоге испарятся, выпуская частицы в процессе, известном как излучение Хокинга. Крошечные черные дыры, по прогнозам, исчезнут почти мгновенно, а для больших потребуется гораздо больше времени ( около 10 100 лет для испарения самых больших – колоссальное число по сравнению даже с возрастом Вселенной). Из – за этого, он считал , что наша Вселенная в конце концов ввести «черную дыру era’-после того, как звезды остановки формирования и в основном перегорел, Вселенная будет зависеть от этих сверхмассивных черных дыр , которые медленно, sloooowly испаряются.

Хотя излучение Хокинга еще не подтверждено экспериментально, сегодня оно широко признано учеными, поскольку хорошо согласуется с тем, что мы знаем о физике.

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВНУТРИ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ?

Если бы вы были достаточно смелы или глупы, чтобы отправиться в черную дыру, что бы произошло, когда вы пересекли горизонт событий?

Во-первых, это будет физическое воздействие на ваше тело. Считается, что в конечном итоге спагеттификация произойдет (скорее для звездных черных дыр, чем для сверхмассивных черных дыр). Другая идея состоит в том, что, когда путешественники пересекают горизонт событий, они будут встречены перегретой энергетической стеной, известной как брандмауэр, которая не позволит им путешествовать дальше.

Идея брандмауэра была предложена, чтобы попытаться решить парадокс, который возникает из нашего нынешнего понимания черных дыр, известного как парадокс информации о черной дыре. Но не все исследователи убеждены в идее брандмауэра, и маловероятно, что мы когда-нибудь узнаем, правда ли это на самом деле… по крайней мере, пока мы не примирим некоторые различия между общей теорией относительности и квантовой механикой.

Хорошо, вот некоторые из предложенных идей о том, что может случиться с вашим телом. Что случится с течением времени? Как объяснялось выше, мы знаем, что по сравнению с другими людьми, сидящими далеко, время будет течь с другой скоростью, когда вы приблизитесь к черной дыре. Основываясь на наших текущих знаниях физики, мы думаем, что на горизонте событий все станет действительно странным… и что вы даже можете увидеть, как все время проходит мимо вас .

Видео: происходят ли события внутри черных дыр? (PBS Space Time / YouTube). Просмотр сведений о видео .

Если наше понимание общей теории относительности не изменится, мы не думаем, что когда-либо будет способ проверить, что на самом деле происходит, когда вы входите в черную дыру. Так что будьте осторожны, когда кто-то предполагает, что у них есть теория того, что происходит внутри или на горизонте событий. Вероятно, это вообще не будет теорией – теории должны делать предсказания, которые можно проверить и опровергнуть.

ЧЕГО ЕЩЕ МЫ НЕ ЗНАЕМ?

Как это часто бывает в пограничной науке, у нас даже нет всех вопросов, не говоря уже об ответах. Черные дыры, безусловно, проверяют пределы наших знаний, и нам есть чему поучиться.