Возникновение понятия черных дыр

Возникновение понятия  черных дыр.

Историю черных дыр надо рассказывать с 1795 года, когда Пьер Симон Лаплас сделал предсказание: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца не дает ни одному лучу достичь нас из-за своего тяготения, поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми».

Само название «черная дыра» появилось в 1968 году. Его в популярной статье ввел Уиллер, и оно мгновенно прижилось, заменив собой использовавшиеся до того термины «коллапсар» или «застывшая звезда».

 Коллапсар — термин, ранее использовавшийся для обозначения космического объекта, возникающего в результате гравитационного коллапса массивных тел и обладающего сверхмощным гравитационным полем.

Гравитационный  коллапс — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил.

Черной дырой называется область пространства-времени, в которой гравитационное поле столь сильно, что ни один объект (даже свет) не может вырваться из нее. Из области пространства-времени черной дыры невозможно никакое сообщение с внешней по отношению к ней Вселенной. У черной дыры нет поверхности как таковой, но есть граница, которая называется горизонтом событий.

Образование черных дыр

Если масса звезды в  два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая (Сверхновые звёзды — звёзды, блеск которых при вспышке увеличивается на десятки звёздных величин в течение нескольких суток), но если масса вещества оставшегося после взрыва, всё ещё превосходит две солнечные, то звезда должна сжаться в крошечное плотное тело, так как гравитационные силы подавляют внутреннее сопротивление сжатию.

Учёные считают, что в  этот момент катастрофический гравитационный коллапс приводит к возникновению  чёрной дыры, и с окончанием термоядерных реакций звезда уже не может находиться в устойчивом состоянии. Для массивной  звезды остаётся один неизбежный путь полного сжатия (коллапса), превращающего её в невидимую чёрную дыру.

В 1939г. Р. Оппенгеймер и  его аспирант Снайдер в Калифорнийском университете, занимаясь исследованиями судьбы большой массы холодного вещества, то, наиболее впечатляющем следствием общей теории относительности оказалось следующее, что когда большая масса начинает коллапсировать, этот процесс не может быть остановлен и масса сжимается в чёрную дыру. Когда звезда сжимается до критического размера, известного как гравитационный радиус, то уже не что не может воспрепятствовать ей завершить коллапс, то есть буквально замкнуться в себе.

Учёные отмечают, что эти  необычные объекты нелегко понять, оставаясь в рамках законов тяготения  Ньютона. Вблизи поверхности чёрной дыры гравитация столь сильна, что  привычные ньютоновские законы перестают здесь действовать.

Их следует заменить законами общей теории относительности Эйнштейна.

Черная дыра описывается всего тремя параметрами:

-массой M (шварцшильдовская черная дыра),

-моментом импульса J (керровская черная дыра)

- электрическим зарядом Q (черная дыра Керра – Ньюмана).

Знание этих характеристик  дает нам полную информацию о черной дыре.

Эволюция звезды на поздних  стадиях зависит от ее массы. Если она не превышает 1,2–1,4 М (чандрасекxаровский предел), то звезда становится белым карликом.

Белые карлики — проэволюционировавшие звёзды с массой, не превышающей предел Чандрасекара (максимальная масса, при которой звезда может существовать, как белый карлик), лишённые собственных источников термоядерной энергии.

Сильное тяготение белого карлика уравновешивается давлением  вырожденного электронного газа. Предполагают, что в нашей Галактике около миллиарда белых карликов.

Если масса звезды не превосходит 2–3 М (предел Оппенгеймера – Волкова), то звезда становится нейтронной. Мощное тяготение нейтронной звезды сдерживается давлением вырожденного нейтронного газа. Предполагают, что количество нейтронных звезд в нашей Галактике около ста миллионов.

Если масса звезды больше 3 М, то звезда становится черной дырой. Гравитационное поле столь массивной  звезды так сильно сдавливает ее вещество, что звезда не может остановиться на стадии нейтронной звезды и продолжает сжиматься вплоть до гравитационного  радиуса. Предполагают, что количество черных дыр в нашей Галактике  около десяти миллионов.

 

Роль черных дыр  в формировании галактик

Астрономы пришли к заключению, что черные дыры не рождаются огромными, а постепенно растут за счет газа и  звезд галактик. Данные показывают, что гигантские черные дыры не предшествовали рождению галактик, а эволюционировали вместе с ними, поглощая определенный процент массы звезд и газа центральной области галактики. Это означает, что в меньших  галактиках черные дыры менее массивны, их массы составляют не многим более  нескольких миллионов солнечных  масс. Черные дыры в центрах гигантских галактик, включают в себя миллиарды  солнечных масс. Все дело в том, что окончательная масса черной дыры формируется в процессе формирования галактики. В некоторых случаях  черные дыры увеличиваются не только за счет поглощения газа отдельной  галактики, но и путем слияния  галактик, в результате чего их черные дыры объединяются.

 

Интересные особенности  черных дыр

Астрономы получили наблюдательные подтверждения того, что некоторые  чёрные дыры вращаются вокруг своей  оси, подобно водоворотам. Тод Стромайер исследовал одну из двойных систем с чёрной дырой с помощью орбитального телескопа Rossi X-ray Timing Explorer и нашёл необычные детали в рентгеновском излучении этой системы, которые раньше были видны только у вращающихся нейтронных звёзд. Следовательно, чёрные дыры, как и нейтронные звёзды, могут вращаться вокруг своей оси. Стромайер представил результаты своих исследований на Весенней Конференции Американского Физического Общества в Вашингтоне. "Мы видим, что почти все космические объекты вращаются вокруг своих осей, это и планеты, и звёзды, и галактики," - говорит Стромайер. "С чёрными дырами - сложнее, очень трудно непосредственно увидеть, что они вращаются, так как у них нет твердой поверхности, по которой можно было бы отметить вращение. Мы можем, однако, видеть свет, излучённый веществом, падающим на чёрную дыру. Вещество очень быстро вращается вокруг чёрной дыры, прежде чем исчезнуть в ней навсегда."

Астрономы обнаружили относительно малую черную дыру в центре галактики NGC 4395 в созвездии Гончих Псов, которая излучает в рентгене так же интенсивно, как черные дыры обычных размеров. NGC 4395 - первая галактика, в центре которой найдена маленькая, но очень эффективная сверхмассивная черная дыра. В статье, которая была опубликована в Monthly Notices Королевского Астрономического Общества, астрономы из института астрономии Кембриджского университета пишут о том, что они обнаружили "крошечную" супермассивную черную дыру, которая, вопреки математическим ожиданиям, является столь же мощной, как большие черные дыры в центрах других галактик. Черная дыра, расположенная в галактике NGC 4395, массивнее нашего Солнца в 50000 раз.

Обычные известные нам  сверхмассивные черные дыры, как правило, в миллионы и миллиарды раз  массивнее Солнца. Согласно астрономам, эта черная дыра "работает" так  же, как обычная сверхмассивная черная дыра, несмотря на ее малые размеры.

Черная дыра поглотила  звезду на глазах у ученых.

 Ученым впервые удалось зафиксировать момент, когда огромная черная дыра поглощает звезду и буквально разрывает ее на части. Это уникальное везение, так как уничтожение звезды черной дырой происходит примерно раз в 100 миллионов лет. Статья об этом была опубликована учеными в журнале.

Зафиксировать уникальный момент удалось с помощью орбитального телескопа Shift. Первый сигнал о мощной вспышке ученые получили 28 марта этого года. Прибором был зафиксирован необычный всплеск рентгеновского излучения, произошедший в созвездии Дракона. Мигающему объекту, находящемуся на расстоянии 3,9 млрд световых лет, присвоили имя Swift J1644+57 и занялись наблюдением за ним.

Вскоре ученые поняли, что  яркие вспышки - это так называемые релятивистские струи, а источник их происхождения - "пожираемая" огромной черной дырой звезда. Неудачница пролетела  слишком быстро от черной дыры, которая, к слову, в два раза больше, чем  та, что находится в центре Млечного пути. Звезда попала в поле действия сильнейшего гравитационного поля дыры, и та просто разорвала ее на части.

Светило разорвало потому, что черная дыра притягивает ближнюю  часть звезды сильнее, чем дальнюю, из-за чего та сильно растянулась, а  затем просто разлетелась на части. А необычные вспышки - это ее остатки, выбрасываемые вдоль оси вращения черной дыры.

"Невероятно, но мы до  сих пор наблюдаем рентгеновское  излучение от источника, и он  может оставаться ярким даже  в следующем году. Его поведение  не похоже ни на что из  того, что мы наблюдали ранее", - пояснил свидетель редчайшего  события Дэвид Барроуз из Университета штата Пенсильвании.

Проглотив звезду, дыра стала  еще больше, отмечают ученые. Возможно, со временем она станет одной из тех супермассивных черных дыр, которые содержат до миллиарда солнечных масс. Для сравнения: масса Земли в 333 тыс. раз меньше одной солнечной массы.

Черными дырами называют объекты, масса которых столь велика, что  они "не отпускают" от себя даже излучение. Соответственно, наблюдать черные дыры непосредственно нельзя - ученые судят  об их присутствии по косвенным признакам.

Например, когда эти объекты  притягивают к себе окружающий газ, то последний, падая на дыру, разогревается  и начинает интенсивно испускать  излучение в различных диапазона - в частности, в рентгеновском.

Некоторые ученые предполагают, что внутри черных дыр вполне может  существовать жизнь. Если черная дыра достаточно большая, то в ней могут  уместиться несколько планет, которые  будут вращаться по сложным орбитам  вокруг ее центра, и благодаря "пойманному" вместе с планетами свету внутри черной дыры может быть достаточно светло. Поэтому, считают ученые, там  даже может существовать жизнь - разумная, но полностью незаметная для внешнего наблюдателя.

Черные дыры не так уж черны

Сказал Стивен Хокинг, знаменитый британский астрофизик. 
Контекст

Черная дыра должна быть черной. Она переживает состояние  гравитационного коллапса и неспособна ничего из себя испустить. По логике вещей  это означало, что черная дыра обречена на абсолютное бессмертие. Ведь смерть — это расход вещества или энергии. Однако в 1974 году Хокинг предположил, что гравитационный коллапс не так уж окончателен и черная дыра излучает электромагнитное поле, состоящее из фотонов. Это позволило снять с черной дыры подозрение в абсолютном бессмертии и восстановить равноправие объектов Вселенной перед лицом смерти.

Зато относительное бессмертие гарантировалось объектам, попадающим в черную дыру, которые по идее должны были исчезать без следа: «Вывод о  существовании излучения, испускаемого черными дырами, по-видимому, означает, что гравитационный коллапс не так  уж окончателен и необратим, как  мы думали раньше. Если астронавт упадет в черную дыру, то ее масса увеличится, но в конце концов количество энергии, эквивалентное этой прибавке массы, вернется во Вселенную в форме излучения. Следовательно, в каком-то смысле астронавт будет “регенерирован”(восстановлен)», — пишет Хокинг в своей книге «Краткая история времени».

Черные и белые  дыры

Ученые говорят о том, что, кроме черных, есть и белые дыры. Они постоянно выбрасывают материю и энергию. И хотя белых дыр никто не видел, то, что они существуют, доказано математически. Астрофизики из Калифорнийского университета недавно вычислили их, решая с помощью суперкомпьютера уравнения теории относительности Эйнштейна. "Белых дыр столько же, сколько черных, - убежден американский космолог Блэйк Темпл. - Это космические вулканы, которые выбрасывают поглощенную черными дырами материю, порождая новые вселенные". При этом в точке разрыва между двумя вселенными может существовать своего рода туннель: черная дыра со стороны нашей вселенной и белая со стороны другой. Астрофизики полагают, что вся материя, которая исчезает в черной дыре, в неизмененном виде выталкивается наружу белой. Но происходит это не в последовательности "поглотил - выбросил". Согласно теории относительности, время может течь вспять. "Поэтому, - утверждает профессор Игорь Новиков, член-корреспондент Российской академии наук, - поглощенное выталкивается белой дырой еще до момента поглощения".

Во Вселенной  израильские ученые открыли гигантские Белые дыры 
00:00 02.06.2011

Во Вселенной впервые  открыт гигантский антипод черной дыры 
Израильские ученые обнаружили гигантскую белую дыру во Вселенной, значение которой пока неизвестно.

Ученые обнаружили гигантскую белую дыру. Ученые утверждают, что  это уникальное космическое образование  рождает и выбрасывает в космос материю, ничего не поглощая в себя, как это делают известные науке  черные дыры. Если все расчеты исследователей верны, то они на самом деле открыли антипод черной дыре.

Поскольку по механизму и  последствиям мгновенный распад белой  дыры сходен с Большим взрывом, создавшим  саму Вселенную, но только уменьшенным  многократно, авторы работы назвали  такое событие Малым взрывом (Small Bang), пишет Membrana.

Белая дыра - гипотетический физический объект во Вселенной, в область  которого ничто не может войти. Белая  дыра является временно́й противоположностью черной дыры. Теоретически предполагается, что белые дыры могут образовываться при выходе из-за горизонта событий вещества черной дыры, находящейся в другом времени.