Мир вам ничего не должен – он был тут раньше вас.
- Марк Твен
Читатель спрашивает:
А почему Вселенная не сжалась в чёрную дыру сразу после Большого взрыва?
Честно говоря, я и сам об этом много думал. И вот почему.
Вселенная в наше время полна всего. Наша галактика - это крутой замес из звёзд, планет, газа, пыли, большого количества тёмной материи, содержащая от 200 до 400 миллиардов звёзд, и весящая в сумме в триллион раз больше, чем вся наша Солнечная система. Но наша галактика - всего лишь одна из триллиона галактик схожего размера, разбросанных по Вселенной.
Но как бы ни была массивна Вселенная, эта масса распределена по огромному пространству. Наблюдаемая часть Вселенной составляет в диаметре порядка 92 миллиардов световых лет, что по сравнению с границами нашей Солнечной системы трудно себе представить. Орбита Плутона и других объектов пояса Койпера составляет 0,06% от светового года. Поэтому у нас есть огромная масса, распределённая по огромному объёму. И хотелось бы представить, как они соотносятся друг с другом.
Ну, наше Солнце весит 2*10^30 кг. Это значит, что оно содержит 10^57 протонов и нейтронов. Если учесть, что во Вселенной содержится 10^24 солнечных масс обычной материи, получается, что в сфере радиусом 46 миллиардов километров содержится 10^81 нуклонов. Если посчитать среднюю плотность Вселенной, она окажется равной примерно двум протонам на кубический метр. А это МИЗЕР!
Поэтому, если начать думать о ранней стадии развития нашей Вселенной, когда вся материя и энергия были собраны в очень маленьком пространстве, которое было гораздо меньше даже нашей Солнечной системы, приходится задуматься над вопросом нашего читателя.
Когда Вселенная была возрастом в одну пикосекунду после Большого взрыва, вся эта материя, содержащаяся сейчас в звёздах, галактиках, кластерах и суперкластерах Вселенной, находилась в объёме меньшем, чем сфера с радиусом равным текущему радиусу орбиты Земли.
И, не умаляя теории насчёт того, что вся Вселенная уместилась в таком маленьком объёме, скажем, что нам известны чёрные дыры, которые уже существуют, и масса которых гораздо меньше массы Вселенной, а их размер при этом гораздо больше, чем упомянутый объём!
Перед вами - гигантская эллиптическая галактика Messier 87, самая большая галактика на расстоянии в 50 миллионов световых лет от нас, что составляет 0.1% от радиуса наблюдаемой Вселенной. В её центре есть супермассивная чёрная дыра, с массой в 3.5 миллиардов солнечных. Это значит, что у неё шварцшильдовский радиус - или радиус, из которого не может убежать свет. Он составляет примерно 10 миллиардов километров, что в 70 раз больше расстояния от Земли до Солнца.
Так что если такая масса в таком маленьком объёме приводит к появлению чёрной дыры, почему же масса в 10^14 раз большая, находясь в ещё меньшем объёме, не привела к появлению чёрной дыры, а, очевидно, привела к появлению нашей Вселенной?
Так она чуть и не привела. Вселенная со временем расширяется, а скорость её расширения уменьшается по мере нашего движения в будущее. В далёком прошлом, в первых пикосекундах Вселенной скорость её расширения была намного, намного больше, чем сейчас. Насколько больше?
Сегодня Вселенная расширяется со скоростью примерно 67 км/с/МПк, что означает что на каждый мегапарсек (примерно 3,26 миллиона световых лет) на котором что либо находится от нас, расстояние между нами и этим объектом расширяется со скоростью 67 километров в секунду. Когда возраст вселенной составлял пикосекунды, эта скорость была ближе к 10^46 км/с/МПк. Чтобы представить себе это, можно сказать, что такая скорость расширения сегодня привела бы к тому, что каждый атом материи на Земле удалялся бы от других так быстро, что расстояние между ними увеличивалось бы на световой год каждую секунду!
Это расширение описывает уравнение выше. На одной его стороне есть H, хаббловская скорость расширения Вселенной, а на другой - много всякого. Но самое важное – это переменная ρ, которая обозначает плотность энергии Вселенной. Если H и ρ идеально сбалансировать, Вселенная сможет прожить очень долго. Но даже небольшой дисбаланс приведет к одному из двух очень неприятных последствий.
Если бы скорость расширения Вселенной была чуть поменьше, относительно количества её массы и энергии, то нашу Вселенную ждал бы почти мгновенный коллапс. Превращение в чёрную дыру или Большое сжатие произошло бы очень быстро. А если бы скорость расширения была бы чуть-чуть повыше, то атомы вообще бы не соединились друг с другом. Всё расширялось бы так быстро, что каждая субатомная частица существовала бы в своей собственной Вселенной, и ей не с чем было бы взаимодействовать.
А насколько должны были отличаться скорости расширения для получения таких разных результатов? На 10%? На 1%? На 0.1%?
Берите выше. Потребовалась бы разница менее чем в 1/10^24, чтобы дать Вселенной время просуществовать в течении 10 миллиардов лет. То есть, даже отличия на 0.00000001% от произошедшей скорости расширения было бы достаточно, чтобы Вселенная сколлапсировала бы обратно меньше чем за секунду, если бы расширение было слишком медленным. Или для предотвращения формирования даже одного атома гелия, если бы расширение было слишком большим.
Но у нас ничего этого нет: у нас есть Вселенная, представляющая собой пример почти идеального баланса между расширением и плотностью материи и излучения, и отличается текущее состояние от идеального баланса всего лишь на очень небольшую ненулевую космологическую константу. Почему она есть, мы объяснить пока не можем, но может быть, вам понравится изучать то, что её не объясняет!
С. ТРАНКОВСКИЙ
Среди наиболее важных и интересных проблем современной физики и астрофизики академик В. Л. Гинзбург назвал вопросы, связанные с черными дырами (см. "Наука и жизнь" №№ 11, 12, 1999 г.). Существование этих странных объектов было предсказано более двухсот лет назад, условия, приводящие к их образованию, точно рассчитали в конце 30-х годов XX века, а вплотную астрофизика занялась ими менее сорока лет назад. Сегодня научные журналы мира ежегодно публикуют тысячи статей, посвященных черным дырам.
Образование черной дыры может происходить тремя путями.
Так принято изображать процессы, идущие в окрестностях коллапсирующей черной дыры. С течением времени (Y) пространство (X) вокруг нее (закрашенная область) сжимается, устремляясь к сингулярности.
Гравитационное поле черной дыры вносит сильнейшие искажения в геометрию пространства.
Черная дыра, невидимая в телескоп, обнаруживает себя только по своему гравитационному воздействию.
В мощном поле тяготения черной дыры происходит рождение пар частица-античастица.
Рождение пары частица-античастица в лаборатории.
КАК ОНИ ВОЗНИКАЮТ
Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом, возможно, что самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своей величины остаются невидимыми.
Пьер Симон Лаплас.
Изложение системы мира. 1796 год.
В 1783 году английский математик Джон Митчел, а спустя тринадцать лет независимо от него французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас провели очень странное исследование. Они рассмотрели условия, при которых свет не сможет покинуть звезду.
Логика ученых была проста. Для любого астрономического объекта (планеты или звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, или вторую космическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда его покинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновская теория, согласно которой свет - это поток частиц (до теории электромагнитных волн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убегания частиц можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, "убежавшего" на бескончно большое расстояние. Эта скорость определяется формулой #1#
где M - масса космического объекта, R - его радиус, G - гравитационная постоянная.
Отсюда легко получается радиус тела заданной массы (позднее получивший название "гравитационный радиус r g "), при котором скорость убегания равна скорости света:
Это значит, что звезда, сжатая в сферу радиусом r g < 2GM /c 2 , перестанет излучать - свет покинуть ее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.
Несложно рассчитать, что Солнце (его масса 2 . 10 33 г) превратится в черную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра. Плотность его вещества при этом достигнет 10 16 г/см 3 . Радиус Земли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одного сантиметра.
Казалось невероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать звезду до столь ничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчела и Лапласа более ста лет считались чем-то вроде математического парадокса, не имеющего физического смысла.
Строгое математическое доказательство того, что подобный экзотический объект в космосе возможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварц-шильд, проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получил интересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл (его решение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = r g .
Точки, в которых характеристики поля теряют смысл, называются сингулярными, то есть особыми. Сингулярность в нулевой точке отражает точечную, или, что то же самое, центрально-симметричную структуру поля (ведь любое сферическое тело - звезду или планету - можно представить как материальную точку). А точки, расположенные на сферической поверхности радиусом r g , образуют ту самую поверхность, с которой скорость убегания равна скорости света. В общей теории относительности она именуется сингулярной сферой Шварц-шильда или горизонтом событий (почему - станет ясно в дальнейшем).
Уже на примере знакомых нам объектов - Земли и Солнца - ясно, что черные дыры представляют собой весьма странные объекты. Даже астрономы, имеющие дело с веществом при экстремальных значениях температуры, плотности и давления, считают их весьма экзотическими, и до последнего времени далеко не все верили в их существование. Однако первые указания на возможность образования черных дыр содержались уже в общей теории относительнос-ти А. Эйнштейна, созданной в 1915 году. Английский астроном Артур Эддингтон, один из первых интерпретаторов и популяризаторов теории относительности, в 30-х годах вывел систему уравнений, описывающих внутреннее строение звезд. Из них следует, что звезда находится в равновесии под действием противополож но направленных сил тяготения и внутреннего давления, создаваемого движением частиц горячей плазмы внутри светила и напором излучения, образующегося в его недрах. А это означает, что звезда представляет собой газовый шар, в центре которого высокая температура, постепенно понижающаяся к периферии. Из уравнений, в частности, следовало, что температура поверхности Солнца составляет около 5500 градусов (что вполне соответствовало данным астрономических измерений), а в его центре должна быть порядка 10 миллионов градусов. Это позволило Эддингтону сделать пророческий вывод: при такой температуре "зажигается" термоядерная реакция, достаточная для обеспечения свечения Солнца. Физики-атомщики того времени с этим не соглашались. Им казалось, что в недрах звезды слишком "холодно": температура там недостаточна, чтобы реакция "пошла". На это взбешенный теоретик отвечал: "Поищите местечко погорячее!".
И в конечном итоге он оказался прав: в центре звезды действительно идет термоядер ная реакция (другое дело, что так называемая "стандартная солнечная модель", основанная на представлениях о термоядерном синтезе, по-видимому, оказалась неверной - см., например, "Наука и жизнь" №№ 2, 3, 2000 г.). Но тем не менее реакция в центре звезды проходит, звезда светит, а излучение, которое при этом возникает, удерживает ее в стабильном состоянии. Но вот ядерное "горючее" в звезде выгорает. Выделение энергии прекращается, излучение гаснет, и сила, сдерживающая гравитационное притяжение, исчезает. Существует ограничение на массу звезды, после которого звезда начинает необратимо сжиматься. Расчеты показывают, что это происходит, если масса звезды превышает две-три массы Солнца.
ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС
Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его темп непрерывно возрастает, поскольку сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Сжатие становится необратимым, сил, способных противодействовать самогравитации, нет. Такой процесс называется гравитационным коллапсом. Скорость движения оболочки звезды к ее центру увеличивается, приближаясь к скорости света. И здесь начинают играть роль эффекты теории относительности.
Скорость убегания была рассчитана исходя из ньютоновсих представлений о природе света. С точки зрения общей теории относительности явления в окрестностях коллапсирующей звезды происходят несколько по-другому. В ее мощном поле тяготения возникает так называемое гравитационное красное смещение. Это означает, что частота излучения, исходящего от массивного объекта, смещается в сторону низких частот. В пределе, на границе сферы Шварцшильда, частота излучения становится равной нулю. То есть наблюдатель, находящийся за ее пределами, ничего не сможет узнать о том, что происходит внутри. Именно поэтому сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий.
Но уменьшение частоты равнозначно замедлению времени, и, когда частота становится равна нулю, время останавливается. Это означает, что посторонний наблюдатель увидит очень странную картину: оболочка звезды, падающая с нарастающим ускорением, вместо того, чтобы достигнуть скорости света, останавливается. С его точки зрения, сжатие прекратится, как только размеры звезды приблизятся к гравитационному ради
усу. Он никогда не увидит, чтобы хоть одна частица "нырнула" под сферу Шварцшиль да. Но для гипотетического наблюдателя, падающего на черную дыру, все закончится в считанные мгновения по его часам. Так, время гравитационного коллапса звезды размером с Солнце составит 29 минут, а гораздо более плотной и компактной нейтронной звезды - только 1/20 000 секунды. И здесь его подстерегает неприятность, связанная с геометрией пространства-времени вблизи черной дыры.
Наблюдатель попадает в искривленное пространство. Вблизи гравитационного радиуса силы тяготения становятся бесконечно большими; они растягивают ракету с космонавтом-наблюдателем в бесконечно тонкую нить бесконечной длины. Но сам он этого не заметит: все его деформации будут соответствовать искажениям пространственно-временн ых координат. Эти рассуждения, конечно, относятся к идеальному, гипотетическому случаю. Любое реальное тело будет разорвано приливными силами задолго до подхода к сфере Шварцшильда.
РАЗМЕРЫ ЧЕРНЫХ ДЫР
Размер черной дыры, а точнее - радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и черная дыра может быть сколь угодно велика. Если она, например, возникла при коллапсе звезды массой 10 8 масс Солнца (или за счет слияния сотен тысяч, а то и миллионов сравнительно небольших звезд), ее радиус будет около 300 миллионов километров, вдвое больше земной орбиты. А средняя плотность вещества такого гиганта близка к плотности воды.
По-видимому, именно такие черные дыры находятся в центрах галактик. Во всяком случае, астрономы сегодня насчитывают около пятидесяти галактик, в центре которых, судя по косвенным признакам (речь о них пойдет ниже), имеются черные дыры массой порядка миллиарда (10 9) солнечной. В нашей Галактике тоже, видимо, есть своя черная дыра; ее массу удалось оценить довольно точно - 2,4 . 10 6 ±10% массы Солнца.
Теория предполагает, что наряду с такими сверхгигантами должны были возникать и черные мини-дыры массой порядка 10 14 г и радиусом порядка 10 -12 см (размер атомного ядра). Они могли появляться в первые мгновения существования Вселенной как проявление очень сильной неоднородности пространства-времени при колоссальной плотности энергии. Условия, которые были тогда во Вселенной, исследователи сегодня реализуют на мощных коллайдерах (ускорителях на встречных пучках). Эксперименты в ЦЕРНе, проведенные в начале этого года, позволили получить кварк-глюонную плазму - материю, существовавшую до возникновения элементарных частиц. Исследования этого состояния вещества продолжаются в Брукхевене - американском ускорительном центре. Он способен разогнать частицы до энергий, на полтора-два порядка более высоких, чем ускоритель в
ЦЕРНе. Готовящийся эксперимент вызвал нешуточную тревогу: не возникнет ли при его проведении черная мини-дыра, которая искривит наше пространство и погубит Землю?
Это опасение вызвало столь сильный резонанс, что правительство США было вынуждено созвать авторитетную комиссию для проверки такой возможности. Комиссия, состоявшая из видных исследователей, дала заключение: энергия ускорителя слишком мала, чтобы черная дыра могла возникнуть (об этом эксперименте рассказано в журнале "Наука и жизнь" № 3, 2000 г.).
КАК УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ
Черные дыры ничего не излучают, даже свет. Однако астрономы научились видеть их, вернее - находить "кандидатов" на эту роль. Есть три способа обнаружить черную дыру.
1. Нужно проследить за обращением звезд в скоплениях вокруг некоего центра гравитации. Если окажется, что в этом центре ничего нет, и звезды крутятся как бы вокруг пустого места, можно достаточно уверенно сказать: в этой "пустоте" находится черная дыра. Именно по этому признаку предположили наличие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу.
2. Черная дыра активно всасывает в себя материю из окружающего пространства. Межзвездная пыль, газ, вещество ближайших звезд падают на нее по спирали, образуя так называемый аккреционный диск, подобный кольцу Сатурна. (Именно это и пугало в брукхевенском эксперименте: черная мини-дыра, возникшая в ускорителе, начнет всасывать в себя Землю, причем процесс этот никакими силами остановить было бы нельзя.) Приближаясь к сфере Шварцшильда, частицы испытывают ускорение и начинают излучать в рентгеновском диапазоне. Это излучение имеет характерный спектр, подобный хорошо изученному излучению частиц, ускоренных в синхротроне. И если из какой-то области Вселенной приходит такое излучение, можно с уверенностью сказать - там должна быть черная дыра.
3. При слиянии двух черных дыр возникает гравитационное излучение. Подсчитано, что если масса каждой составляет около десяти масс Солнца, то при их слиянии за считанные часы в виде гравитационных волн выделится энергия, эквивалентная 1% их суммарной массы. Это в тысячу раз больше той световой, тепловой и прочей энергии, которую излучило Солнце за все время своего существования - пять миллиардов лет. Обнаружить гравитаци онное излучение надеются с помощью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и других, которые строятся сейчас в Америке и Европе при участии российских исследователей (см. "Наука и жизнь" № 5, 2000 г.).
И все-таки, хотя у астрономов нет никаких сомнений в существовании черных дыр, категорически утверждать, что в данной точке пространства находится именно одна из них, никто не берется. Научная этика, добросовестность исследователя требуют получить на поставленный вопрос ответ однозначный, не терпящий разночтений. Мало оценить массу невидимого объекта, нужно измерить его радиус и показать, что он не превышает шварцшильдовский. А даже в пределах нашей Галактики эта задача пока не разрешима. Именно поэтому ученые проявляют известную сдержанность в сообщениях об их обнаружении, а научные журналы буквально набиты сообщениями о тео-ретических работах и наблюдениях эффектов, способных пролить свет на их загадку.
Есть, правда, у черных дыр и еще одно свойство, предсказанное теоретически, которое, возможно, позволило бы увидеть их. Но, правда, при одном условии: масса черной дыры должна быть гораздо меньше массы Солнца.
ЧЕРНАЯ ДЫРА МОЖЕТ БЫТЬ И "БЕЛОЙ"
Долгое время черные дыры считались воплощением тьмы, объектами, которые в вакууме, в отсутствии поглощения материи, ничего не излучают. Однако в 1974 году известный английский теоретик Стивен Хокинг показал, что черным дырам можно приписать температуру, и, следовательно, они должны излучать.
Согласно представлениям квантовой механики, вакуум - не пустота, а некая "пена пространства-времени", мешанина из виртуалных (ненаблюдаемых в нашем мире) частиц. Однако квантовые флуктуации энергии способны "выбросить" из вакуума пару частица-античастица. Например, при столкновении двух-трех гамма-квантов как бы из ничего возникнут электрон и позитрон. Это и аналогичные явления неоднократно наблюдались в лабораториях.
Именно квантовые флуктуации определяют процессы излучения черных дыр. Если пара частиц, обладающих энергиями E и -E (полная энергия пары равна нулю), возникает в окрестности сферы Шварцшильда, дальнейшая судьба частиц будет различной. Они могут аннигилировать почти сразу же или вместе уйти под горизонт событий. При этом состояние черной дыры не изменится. Но если под горизонт уйдет только одна частица, наблюдатель зарегистрирует другую, и ему будет казаться, что ее породила черная дыра. При этом черная дыра, поглотившая частицу с энергией -E , уменьшит свою энергию, а с энергией E - увеличит.
Хокинг подсчитал скорости, с которыми идут все эти процессы, и пршел к выводу: вероятность поглощения частиц с отрицательной энергией выше. Это значит, что черная дыра теряет энергию и массу - испаряется. Кроме того она излучает как абсолютно черное тело с температурой T = 6 . 10 -8 M с /M кельвинов, где M с - масса Солнца (2 . 10 33 г), M - масса черной дыры. Эта несложная зависимость показывает, что температура черной дыры с массой, в шесть раз превышающей солнечную, равна одной стомиллионной доле градуса. Ясно, что столь холодное тело практически ничего не излучает, и все приведенные выше рассуждения остаются в силе. Иное дело - мини-дыры. Легко увидеть, что при массе 10 14 -10 30 граммов они оказываются нагретыми до десятков тысяч градусов и раскалены добела! Следует, однако, сразу отметить, что противоречий со свойствами черных дыр здесь нет: это излучение испускается слоем над сферой Шварцшильда, а не под ней.
Итак, черная дыра, которая казалась навеки застывшим объектом, рано или поздно исчезает, испарившись. Причем по мере того, как она "худеет", темп испарения нарастает, но все равно идет чрезвычайно долго. Подсчитано, что мини-дыры массой 10 14 граммов, возникшие сразу после Большого взрыва 10-15 миллиардов лет назад, к нашему времени должны испариться полностью. На последнем этапе жизни их температура достигает колоссальной величины, поэтому продуктами испарения должны быть частицы чрезвычайно высокой энергии. Возможно, именно они порождают в атмосфере Земли широкие амосферные ливни - ШАЛы. Во всяком случае, происхождение частиц аномально высокой энергии - еще одна важная и интересная проблема, которая может быть вплотную связана с не менее захватывающими вопросами физики черных дыр.
Понятие чёрной дыры известно всем — от школьника до людей преклонного возраста, оно используется в научной и фантастической литературе, в желтых СМИ и на научных конференциях. Но что конкретно представляют собой такие дыры, известно далеко не всем.
Из истории чёрных дыр
1783 г. Первая гипотеза существования такого явления, как чёрная дыра, была выдвинута в 1783 году английским учёным Джоном Мичеллом. В своей теории он объединил два творению Ньютона — оптику и механику. Идея Мичелла была такова: если свет — это поток мельчайших частиц, то, как и все другие тела, частицы должны испытывать притяжение гравитационного поля. Получается, чем массивнее звезда, тем сложнее свету противиться её притяжению. Через 13 лет после Мичелла, французский астроном и математик Лаплас выдвинул (скорее всего, независимо от британского коллеги) схожую теорию.
1915 г. Однако, все их труды оставались невостребованными вплоть до начала XX века. В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности и показал, что гравитация есть искривление пространства-времени, вызванное материей, а спустя несколько месяцев немецкий астроном и физик-теоретик Карл Шварцшильд использовал её для решения конкретной астрономической задачи. Он исследовал структуру искривленного пространства-времени вокруг Солнца и заново открыл феномен чёрных дыр.
(Джон Уилер ввел в научный обиход термин "Чёрные дыры")
1967 г. Американский физик Джон Уилер обрисовал пространство, которое можно скомкать, подобно листику бумаги, в бесконечно малую точку и обозначил термином "Чёрная дыра".
1974 г. Британский физик Стивен Хокинг доказал, что чёрные дыры, хоть и поглащают метерию без возврата, могут испускать излучение и в конце концов испаряться. Такое явление получило название "излучение Хокинга".
2013 г. Новейшие исследования пульсаров и квазаров, а также открытие реликтового излучения, наконец сделали возможным описать само понятие чёрных дыр. В 2013 году газовое облако G2 приблизилось на очень близкое расстояние к чёрной дыре и скорее всего будет поглощено ей, наблюдения за уникальным процессом даёт огромные возможности для новых открытий особенностей чёрных дыр.
(Массивный объект Стрелец А*, его масса больше Солнца в 4 млн раз, где подразумевается скопление звезд и образование чёрной дыры )
2017 г . Группа ученых из коллоборации нескольких стран Event Horizon Telescope, связав восемь телескопов с разных точек континентов Земли, проводили наблюдения за чёрной дырой, которая является сверхмассивным объектом и находится в галактике М87, созвездие Дева. Масса объекта 6,5 млрд (!) солнечных масс, в гигантские разы больше массивного объекта Стрелец А*, для сравнения диаметром чуть менее расстояния от Солнца до Плутона.
Наблюдения проводились в несколько этапов, начиная с весны 2017 года и в течении периодов 2018 года. Объём информации исчислялся петабайтами, которые затем следовало расшифровать и получить подлинный снимок сверхдалекого объекта. Поэтому потребовалось ещё целых два года для досканальной обработки всех данных и соединения их в одно целое.
2019 г. Данные были успешно расшифрованы и приведены в вид, получив первое в истории изображение чёрной дыры.
(Первый в истории снимок чёрной дыры в галактики М87 в созвездии Дева )
Разрешение изображения позволяет увидеть тень точки невозврата в центре объекта. Изображение получено в результате интерферометрических наблюдений со сверхдлинной базой. Это, так называемые, синхронные наблюдения одного объекта с нескольких радиотелескопов, соединенных между собой сетью и находящихся в разных частях земного шара, направленных в одну сторону.
Чем на самом деле являются чёрные дыры
Лаконичное объяснение феномена звучит так.
Чёрная дыра — это пространственно-временная область, чье гравитационное притяжение настолько велико, что её не может покинуть ни один объект, в том числе световые кванты.
Когда-то чёрная дыра была массивной звёздой. Пока термоядерные реакции поддерживают в её недрах высокое давление, всё остаётся в норме. Но со временем запас энергии истощается и небесное тело, под действием собственной гравитации, начинает сжиматься. Завершающий этап этого процесса — схлопывание звездного ядра и образование чёрной дыры.
- 1. Выбрасывание черной дырой струи на высокой скорости
- 2. Диск материи перерастает в чёрную дыру
- 3. Чёрная дыра
- 4. Детальная схема региона чёрной дыры
- 5. Размер найденных новых наблюдений
Самая распространённая теория гласит, что подобные феномены есть в каждой галактике, в том числе и в центре нашего Млечного пути. Огромная сила притяжения дыры способна удерживать вокруг себя несколько галактик, не давая им удаляться друг от друга. «Площадь покрытия» может быть разной, всё зависит от массы звёзды, которая превратилась в чёрную дыру, и может составлять тысячи световых лет.
Радиус Шварцшильда
Главное свойство чёрной дыры — любое вещество, которое в неё попало, никогда не сможет вернуться. Это же касается и света. По своей сути дыры — это тела, которые полностью поглощают весь попадающий на них свет и не испускающие собственного. Такие объекты визуально могут казаться сгустками абсолютной темноты.
- 1. Движущаяся материя в половину скорости света
- 2. Фотонное кольцо
- 3. Внутреннее фотонное кольцо
- 4. Горизонт событий в чёрной дыре
Отталкиваясь от Общей теории относительности Эйнштейна, если тело приблизилось на критическое расстояние к центру дыры, оно уже не сможет вернуться. Это расстояние называют радиусом Шварцшильда. Что именно происходит внутри этого радиуса доподлинно неизвестно, но есть наиболее распространенная теория. Считается, что всё вещество чёрной дыры концентрируется в бесконечно малой точке, а в её центре находится объект с бесконечной плотностью, который ученые именуют сингулярным возмущением.
Как происходит падение в чёрную дыру
(На картинке чёрная дыра Стрельца А* выглядит крайне ярким скоплением света)
Не так давно, в 2011 году, ученые обнаружили газовое облако, дав ему несложное название G2, которое испускает необычные свет. Такое свечение может давать трение в газе и пыли, вызываемое действием чёрной дыры Стрельца А* и которые вращаются вокруг нее в виде аккреционного диска. Таким образом, мы становимся наблюдателями удивительного явления поглощения сверхмассивной чёрной дырой газового облака.
По последним исследованиям наибольшее сближение с черной дырой произойдет в марте 2014 года. Мы можем воссоздать картину того, как будет происходит это захватывающее зрелище.
- 1. При первом появлении в данных газовое облако напоминает огромный шар из газа и пыли.
- 2. Сейчас по состоянию на июнь 2013 года облако находится в десятках миллиардов километров от чёрной дыры. Оно падает в неё со скоростью 2500 км/с.
- 3. Ожидается, что облако пройдет мимо чёрной дыры, но приливные силы, вызванные различием в притяжении, действующем на передний и задний край облака, заставят его принимать всё более вытянутую форму.
- 4. После того, как облако будет разорвано, большая его часть, скорее всего, вольется в аккреционный диск вокруг Стрельца А*, порождая в нём ударные волны. Температура при этом подскочит до нескольких миллионов градусов.
- 5. Часть облака упадёт прямо в чёрную дыру. Никто не знает в точности, что случится потом с этим веществом, но ожидается, что в процессе падения оно будет испускать мощные потоки рентгеновских лучей, и больше его никто не увидит.
Видео: чёрная дыра поглощает газовое облако
(Компьютерное моделирование того, как большая часть газового облака G2 будет разрушено и поглощено чёрной дырой Стрельцом А*)
Что там внутри чёрной дыры
Есть теория, которая утверждает, что чёрная дыра внутри практически пуста, а вся её масса сосредоточена в невероятно маленькой точке, находящейся в самом её центре - сингулярности.
Согласно другой теории, существующей на протяжении полувека, всё, что попадает в чёрную дыру, переходит в другую вселенную, находящуюся в самой чёрной дыре. Сейчас это теория не является основной.
И есть третья, самая современная и живучая теория, по которой всё, что попадает в чёрную дыру, растворяется в колебаниях струн на её поверхности, которую обозначают, как горизонт событий.
Так что же такое - горизонт событий? Внутрь чёрной дыры заглянуть нельзя даже сверхмощным телескопом, так как даже свет, попадая внутрь гигантской космической воронки, не имеет шансов вынырнуть назад. Всё, что можно хоть как-то рассмотреть, находится в её ближайших окрестностях.
Горизонт событий - это условная линия поверхности, из под которой ничто (ни газ, ни пыль, ни звезды, ни свет) выйти уже не сможет. И вот это и есть та самая таинственная точка невозврата в чёрных дырах Вселенной.
Новая модель мироздания позволяет обойтись без квантовой сингулярности и космологической инфляции.
Основной вопрос космологии можно сформулировать буквально в трех словах: откуда возникла Вселенная? Для стандартного ответа хватит и двух: из квантовой сингулярности. Так называют особое состояние материи, где нет ни пространства, ни времени и не действуют известные физические законы. Принято считать, что оно оказалось неустойчивым и дало начало трехмерному пространству, наполненному квантовыми полями и рожденными ими частицами. Этот выход из сингулярности называют Большим взрывом и берут за начало отсчета возраста Вселенной.
Что такое эта сингулярность, никто толком не знает. Если «проиграть» космологические уравнения назад во времени к нулевой точке, плотность энергии и температура обратятся в бесконечность и потеряют физический смысл. Обычно сингулярность описывают как хаотическую квантовую флуктуацию вакуума, которая сделала возможным появление гравитации и других физических полей. Теоретики приложили немало усилий, пытаясь понять, как именно это могло произойти, но пока без особых успехов.
Не взрыв, а коллапс
Некоторые космологические модели вообще обходятся без сингулярности, но они в меньшинстве. А вот недавно трое канадских ученых выступили с весьма любопытной моделью Большого взрыва, не требующей гипотезы квантового хаоса. Профессор физики и астрономии Университета Ватерлоо Роберт Манн и его коллеги допускают, что наша Вселенная могла появиться как побочный продукт гравитационного стягивания космической материи, которое закончилось рождением черной дыры. Их ключевая идея состоит в том, что эта материя существовала в пространстве не с тремя, а с четырьмя измерениями. Новорожденная дыра, опять-таки четырехмерная, окружила себя трехмерной оболочкой, которая и стала зародышем Вселенной. Она позаимствовала от материнского четырехмерия не только тяготение, но и прочие поля и частицы, которые зажили самостоятельной трехмерной жизнью. Так что наш мир возник не из Большого взрыва, а из его противоположности, Большого коллапса!
Откуда взялась эта оболочка? «Обычная» черная дыра окружена замкнутой двумерной поверхностью, горизонтом событий. Частица, упавшая внутрь горизонта, уже не сможет вернуться обратно, и даже фотоны из-под горизонта тоже не преодолеют этот непроницаемый барьер. Если дыра неподвижна, горизонт имеет сферическую форму, а у вращающихся дыр эта сфера сплюснута у полюсов. Поскольку горизонт имеет нулевую толщину, внутри него, естественно, нет никакого вещества. Но это в трехмерном пространстве. Четырехмерная дыра тоже обладает горизонтом событий, чья размерность на единицу меньше ее собственной. Следовательно, ее горизонт - это трехмерное пространство. Согласно гипотезе канадских физиков, оно и может дать начало нашей Вселенной.
Профессор Университета Ватерлоо (Канада):
«Уравнения ОТО имеют смысл для пространств со сколь угодно большим числом измерений, причем во всех случаях они обладают решениями, приводящими к возникновению сингулярностей. Отсюда следует, что, если плотность вещества в замкнутой четырехмерной области превысит определенный критический предел, оно коллапсирует с образованием черной дыры. Физические свойства такого вещества должны сильно отличаться от тех, которые мы наблюдаем в нашем мире. Однако вполне логично предположить, что гравитация будет господствовать и в этом мире: если частицы материи четырехмерного мира деформируют пространство-время в соответствии с уравнениями ОТО, они притягиваются друг к другу и дают начало черным дырам».
Для материи четырехмерного пространства, запертой внутри горизонта черной дыры, эта трехмерная область будет единственным миром, полностью отсеченным от четырехмерного окружения. Можно допустить, что втянутая внутрь горизонта материя будет вести себя по всем законам трехмерия. Новая модель позволяет обойтись без распространенной гипотезы космологической инфляции, предложенной в начале 1980-х, которая все еще сталкивается с серьезными нерешенными проблемами. В частности, непонятна природа физического поля, которое, как предполагается, запустило ускоряющееся расширение новорожденной Вселенной.
Отскок мира
Но если не принимать в расчет квантовые эффекты, горизонт трехмерной дыры стабилен, тогда как наша Вселенная расширяется. Модель Манна объясняет и это: «Гравитационный коллапс в четырехмерном пространстве не только породит черную дыру, но и вызовет «отскок» не провалившейся в нее материи и ее разлет по всем направлениям. Нечто подобное происходит при взрывах сверхновых, которые разбрасывают свои оболочки по окружающему пространству. Как показывают вычисления, эта материя может создать трехмерный слой вокруг горизонта, который будет расширяться и тянуть за собой сам горизонт. В результате возникнет единое расширяющееся пространство нашей Вселенной. Модель можно модифицировать таким образом, что она предскажет ускорение этого расширения, которое стандартная космология объясняет с помощью темной энергии».
Новая модель допускает опытную проверку. Гравитационное воздействие четырехмерия на нашу Вселенную должно вызвать определенные флуктуации реликтового излучения, спектр которых можно предсказать.
Материал подготовлен редакцией ИноСМИ специально для раздела РИА Наука >>
Майкл Финкель (Michael Finkel)
Отведем часы назад. До появления человека, до возникновения Земли, до воспламенения Солнца, до рождения галактик, до того, как засиял свет, был «большой взрыв». Произошло это 13,8 миллиарда лет тому назад.
Сверхновые "засеяли" космос тяжелыми элементами в ранней Вселенной Ученые при помощи японского космического рентгеновского телескопа Suzaku исследовали распределение железа в галактическом скоплении Персея, находящемся на расстоянии 250 миллионов световых лет от нас.Но что было до этого? Многие физики говорят, что «до этого» не существует. Они утверждают, что время начало свой отсчет в момент «большого взрыва», полагая, что все существовавшее ранее не входит в сферу науки. Мы никогда не поймем, какой была действительность до «большого взрыва», из чего он сформировался и почему произошел, чтобы создать нашу Вселенную. Такие представления находятся за пределами человеческого понимания.
Но некоторые чуждые условностям ученые не согласны. Эти физики строят теории о том, что за мгновение до «большого взрыва» вся масса и энергия нарождавшейся вселенной сжалась в одну невероятно плотную, но имеющую свои пределы крупинку. Назовем ее семенем новой вселенной.
Они считают, что это семя было невообразимо крошечным, возможно, в триллионы раз меньше любой частицы, которую мог наблюдать человек. И тем не менее эта частица дала толчок появлению всех прочих частиц, не говоря уже о галактиках, Солнечной системе, планетах и людях.
Если вам по-настоящему хочется назвать что-то частицей Бога, то это семя идеально подходит для такого названия.
Так как же возникло это семя? Одну идею выдвинул несколько лет тому назад Никодим Поплавский (Nikodem Poplawski), работающий в университете Нью-Хейвена. Она состоит в том, что семя нашей Вселенной было выковано в первичной печи, какой для него стала черная дыра.
Умножение мультивселенных
Прежде чем мы пойдем дальше, важно понять, что за последние двадцать лет многие физики-теоретики пришли к убеждению, что наша Вселенная не единственная. Мы можем составлять часть мультивселенной, представляющей огромное множество отдельных вселенных, каждая из которых является светящимся шаром в истинном ночном небе.
Много споров идет по поводу того, как одна вселенная связана с другой, и есть ли вообще такая связка. Но все эти споры носят исключительно умозрительный характер, а истина является недоказуемой. Но есть одна привлекательная идея, состоящая в том, что семя вселенной похоже на семя растения. Это кусочек существенно важной материи, плотно сжатый и спрятанный внутри защитной оболочки.
Этим точно объясняется то, что возникает внутри черной дыры. Черные дыры это трупы гигантских звезд. Когда у такой звезды заканчивается топливо, ее ядро схлопывается. Сила гравитации стягивает все с невероятной и постоянно увеличивающейся силой. Температура достигает 100 миллиардов градусов. Атомы рушатся. Электроны рвет на куски. А потом эта масса еще больше сжимается.
К этому моменту звезда превращается в черную дыру. Это значит, что ее сила притяжения настолько огромна, что из нее не может ускользнуть даже луч света. Граница между внутренней и внешней частью черной дыры называется горизонтом события. В центре почти каждой галактики, включая наш Млечный путь, ученые открывают колоссальные черные дыры, причем некоторые из них в миллионы раз массивнее нашего Солнца.
Бездонные вопросы
Если воспользоваться теорией Эйнштейна для определения того, что происходит на дне черной дыры, можно вычислить точку, которая имеет бесконечно большую плотность и бесконечной малый размер. Такая гипотетическая концепция носит название сингулярность. Но в природе бесконечностей обычно не существует. Неувязка заключается в теориях Эйнштейна, которые обеспечивают великолепные расчеты для большей части космического пространства, однако рушатся перед лицом неимоверных сил, таких как внутри черной дыры, или тех, что присутствуют при рождении вселенной.
Такие физики как доктор Поплавский говорят, что материя внутри черной дыры действительно доходит до такого состояния, когда больше ее сдавить невозможно. Это «семя» является невероятно крошечным, а весит как миллиард звезд. Но в отличие от сингулярности, оно вполне реально.
По мнению Поплавского, процесс сжатия останавливается потому, что черные дыры вращаются. Они крутятся очень быстро, возможно, достигая скорости света. И это кручение придает сжатому семени невероятное осевое вращение. Семя это не только маленькое и тяжелое; оно также искривленное и сжатое, как пружина того черта из табакерки.
Ученые впервые измерили магнитное поле черной дыры в центре Галактики Сверхмассивная черная дыра Sgr A* расположена в центре нашей галактики. Ранее астрономы обнаружили в центре нашей галактики радиопульсар PSR J1745-2900. Они воспользовались исходящим от него излучением для измерения силы магнитного поля у черной дырыИными словами, вполне возможно, что черная дыра это тоннель, «дверь в один конец» между двумя вселенными, говорит Поплавский. А это значит, что если вы попадете в черную дыру в центре Млечного пути, то вполне возможно, что в итоге вы окажетесь в другой вселенной (ну, если не вы, то ваше размозженное в мельчайшие частицы тело). Эта другая вселенная находится не внутри нашей; дыра это просто соединительное звено, как общий корень, от которого растут две осины.
А как насчет всех нас, в нашей собственной вселенной? Мы можем быть продуктом другой, более старой вселенной. Назовем ее нашей правселенной. То семя, которое мать-вселенная выковала внутри черной дыры, могло совершить большой отскок 13,8 миллиарда лет назад, и хотя наша Вселенная с тех пор быстро расширяется, мы по-прежнему можем находиться за горизонтом события черной дыры.
