Как работают черные дыры

Возможно, вы слышали, как кто-то сказал: «Мой стол превратился в черную дыру!» Возможно, вы видели астрономическую программу по телевизору или читали журнальную статью о черных дырах. Эти экзотические объекты захватили наше воображение с тех пор, как они были предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна в 1915 году.

Что такое черные дыры? Они действительно существуют? Как мы можем их найти? В этой статье мы исследуем черные дыры и ответим на все эти вопросы!

Содержание

1. Что такое черная дыра?
2. Типы черных дыр
3. Как мы обнаруживаем черные дыры

Черная дыра — это то, что остается, когда умирает массивная звезда .

Если вы читали «Как работают звезды» , то знаете, что звезда — это огромный, удивительный термоядерный реактор . Поскольку звезды очень массивны и состоят из газа, существует интенсивное гравитационное поле, которое всегда пытается сжать звезду. Реакции синтеза, происходящие в ядре, подобны гигантской термоядерной бомбе , которая пытается взорвать звезду. Баланс между силами гравитации и взрывными силами определяет размер звезды.

Когда звезда умирает, реакции ядерного синтеза останавливаются, потому что топливо для этих реакций сгорает. В то же время гравитация звезды втягивает материал внутрь и сжимает ядро. Когда ядро ​​сжимается, оно нагревается и в конечном итоге вызывает взрыв сверхновой, при котором вещество и излучение выбрасываются в космос. Остается сильно сжатое и чрезвычайно массивное ядро. Гравитация ядра настолько сильна, что даже свет не может покинуть его.

Этот объект теперь представляет собой черную дыру и буквально исчезает из поля зрения. Поскольку гравитация ядра настолько сильна, ядро ​​проседает сквозь ткань пространства-времени , создавая дыру в пространстве-времени — вот почему этот объект называют черной дырой .

Ядро становится центральной частью черной дыры, называемой сингулярностью . Открытие дыры называется горизонтом событий .

Вы можете думать о горизонте событий как о устье черной дыры. Как только что-то пересекает горизонт событий, оно исчезает навсегда. Оказавшись внутри горизонта событий, все «события» (точки в пространстве-времени) останавливаются, и ничто (даже свет) не может уйти. Радиус горизонта событий называется радиусом Шварцшильда , по имени астронома Карла Шварцшильда, работа которого привела к теории черных дыр.

История

Концепция объекта, от которого не может уйти свет (например, черная дыра), была первоначально предложена Пьером Симоном Лапласом в 1795 году. Используя теорию гравитации Ньютона , Лаплас вычислил, что если объект сжать до достаточно малого радиуса, то выход скорость этого объекта будет больше скорости света.

Существует два типа черных дыр:

Черная дыра Шварцшильда — простейшая черная дыра, ядро ​​которой не вращается. Этот тип черной дыры имеет только сингулярность и горизонт событий.

Черная дыра Керра , которая, вероятно, является наиболее распространенной формой в природе, вращается, потому что вращалась звезда, из которой она образовалась. Когда вращающаяся звезда коллапсирует, ядро ​​продолжает вращаться, и это переносится на черную дыру ( сохранение углового момента ). Черная дыра Керра состоит из следующих частей:

Если объект проходит в эргосферу , он все еще может быть выброшен из черной дыры, получая энергию от вращения дыры.

Однако, если объект пересекает горизонт событий , он будет затянут в черную дыру и уже никогда не выберется оттуда. Что происходит внутри черной дыры, неизвестно; даже наши современные теории физики неприменимы вблизи сингулярности.

Несмотря на то, что мы не можем видеть черную дыру, у нее есть три свойства, которые можно измерить:

На данный момент мы можем надежно измерить массу черной дыры только по движению других объектов вокруг нее. Если у черной дыры есть компаньон (другая звезда или диск из материала), можно измерить радиус вращения или скорость орбиты материала вокруг невидимой черной дыры. Массу черной дыры можно рассчитать, используя модифицированный третий закон движения планет Кеплера или вращательное движение .

 

Хотя мы не можем видеть черные дыры, мы можем обнаружить или предположить их присутствие, измеряя их воздействие на окружающие объекты. Можно использовать следующие эффекты:

масса

Вокруг многих черных дыр есть объекты, и, глядя на поведение объектов, вы можете обнаружить присутствие черной дыры. Затем вы используете измерения движения объектов вокруг предполагаемой черной дыры для расчета массы черной дыры.

То, что вы ищете, — это звезда или газовый диск, который ведет себя так, как будто поблизости находится большая масса. Например, если видимая звезда или газовый диск совершает «колебательное» движение или вращение И для этого движения нет видимой причины, И невидимая причина имеет эффект, который кажется вызванным объектом с массой более трех солнечной массы (слишком большой, чтобы быть нейтронной звездой), то возможно, что черная дыра вызывает движение. Затем вы оцениваете массу черной дыры, глядя на эффект, который она оказывает на видимый объект.

Например, в ядре галактики NGC 4261 находится коричневый диск в форме спирали, который вращается. Диск размером с нашу Солнечную систему, но весит в 1,2 миллиарда раз больше Солнца. Такая огромная для диска масса может указывать на то, что внутри диска находится черная дыра.

Гравитационная линза

Общая теория относительности Эйнштейна предсказывала, что гравитация может искривлять пространство . Позже это было подтверждено во время солнечного затмения , когда положение звезды измерялось до, во время и после затмения. Положение звезды сместилось, потому что свет от звезды был искривлен гравитацией Солнца. Следовательно, объект с огромной гравитацией (например, галактика или черная дыра) между Землей и удаленным объектом может преломлять свет от удаленного объекта в фокус, как линза . Этот эффект можно увидеть на изображении ниже.

На изображении осветление MACHO-96-BL5 произошло, когда между ним и Землей прошла гравитационная линза . Когда космический телескоп Хаббл посмотрел на объект, он увидел два изображения объекта, расположенных близко друг к другу, что указывало на эффект гравитационной линзы. Промежуточный объект был невидим. Поэтому был сделан вывод, что между Землей и объектом прошла черная дыра.

Испускаемое излучение

Когда вещество падает в черную дыру от звезды-компаньона, оно нагревается до миллионов градусов Кельвина и ускоряется. Перегретые материалы испускают рентгеновские лучи, которые можно обнаружить с помощью рентгеновских телескопов , таких как орбитальная рентгеновская обсерватория Чандра .

Звезда Лебедь X-1 является сильным источником рентгеновского излучения и считается хорошим кандидатом на роль черной дыры. Как показано выше, звездный ветер от звезды-компаньона HDE 226868 выдувает вещество на аккреционный диск, окружающий черную дыру. Когда этот материал падает в черную дыру, он испускает рентгеновские лучи, как видно на этом изображении:

В дополнение к рентгеновским лучам черные дыры также могут выбрасывать материалы на высоких скоростях, образуя струи . С такими джетами наблюдались многие галактики. В настоящее время считается, что в центрах этих галактик есть сверхмассивные черные дыры (миллиарды солнечных масс), которые производят струи, а также сильное радиоизлучение . Одним из таких примеров является галактика M87, как показано ниже:

Важно помнить, что черные дыры — это не космические пылесосы — они не поглотят все подряд. Итак, хотя мы не можем видеть черные дыры, есть косвенные доказательства их существования. Они были связаны с путешествиями во времени и червоточинами и остаются увлекательными объектами во Вселенной.

Первоначально опубликовано: 26 ноября 2006 г.

Из чего состоят черные дыры?

Сколько существует черных дыр?

Много дополнительной информации