Состав черной дыры

Когда вы слышите фразу «черная дыра», она почти наверняка вызывает чувство тайны и удивления, возможно, с оттенком опасности. В то время как термин «черная дыра» стал синонимом в повседневном языке с «местом, где что-то происходит, никогда не увиденное». опять же, «большинство людей знакомо с его использованием в мире астрономии, если не обязательно с точными функциями и определения.

На протяжении десятилетий среди наиболее распространенных рефренов, подводящих итог черным дырам, были такие, как «место, где гравитация настолько сильна, что даже не свет может ускользнуть ». Хотя это достаточно точное резюме для начала, естественно задаться вопросом, как такое могло случиться с участием.

Есть и другие вопросы. Что внутри черной дыры? Существуют ли разные типы черных дыр? И каков типичный размер черной дыры, если предположить, что такая вещь существует и может быть измерена? Запуск телескопа Хаббл произвел революцию в изучении черных дыр.

Прежде чем углубляться в тему черных дыр и плохих словечек, полезно пройтись по базовой терминологии, используемой для определения свойств и геометрии черных дыр.

В частности, каждая черная дыра имеет в своем эффективном центренеобычность, который состоит из настолько сжатой материи, что представляет собой почти точечную массу. Огромная результирующая плотность создает гравитационное поле настолько мощное, что на определенном расстоянии даже фотоны, которые являются «частицами» света, не могут вырваться на свободу. Это расстояние известно какРадиус Шварцшильда; в невращающейся черной дыре (о более динамичном типе вы узнаете в следующем разделе) невидимая сфера этого радиуса с сингулярностью в центре образуетгоризонт событий​.

Конечно, ничто из этого не объясняет, откуда на самом деле появляются черные дыры. Возникают ли они спонтанно и в случайных местах по всему космосу? Если да, то есть ли предсказуемость их появления? Учитывая их хваленую мощь, было бы полезно знать, не планирует ли черная дыра создать магазин в непосредственной близости от солнечной системы Земли.

Существование черных дыр было впервые предложено в 1700-х годах, но у ученых того времени не было инструментов, необходимых для подтверждения того, что они предлагали. В начале 1900-х годов немецкий астроном Карл Шварцшильд (да, именно тот) использовал теорию Эйнштейна общего теория относительности, чтобы установить наиболее физически заметное поведение черных дыр - их способность "улавливать" свет.

Теоретически, основываясь на работе Шварцшильда, любая масса может служить основой для черной дыры. Единственное требование - чтобы его радиус после сжатия не превышал радиуса Шварцшильда.

Существование черных дыр поставило физиков перед загадкой, хотя и заманчивой, чтобы попытаться разрешить ее. Считается, что из-за искривления пространства-времени, возникающего в результате необычайной силы тяжести вблизи черной дыры, законы физики фактически нарушаются; поскольку горизонт событий недоступен для человеческого анализа, этот конфликт на самом деле не является конфликтом для астрофизиков.

Если представить размер черной дыры как сферу, образованную горизонтом событий, плотность будет сильно отличаться от плотности черной дыры. вместо этого дыра рассматривается только как смехотворно крошечная коллапсирующая звезда с массой, образующей сингулярность (подробнее об этом в момент).

Ученые считают, что черные дыры могут быть такими же крошечными, как определенные атомы, но при этом иметь массу, равную массе горы на Земле. С другой стороны, некоторые из них могут быть примерно в 15 раз массивнее Солнца, но при этом оставаться крошечными (но не атомными по размеру). Этизвездные черные дырывстречаются повсюду в галактиках, включая Млечный Путь, в котором находятся Земля и Солнечная система.

Тем не менее, другие черные дыры могут быть намного больше. Этисверхмассивные черные дырыможет быть более чем в миллион раз массивнее Солнца, и считается, что каждая галактика имеет один в центре. Тот, что находится в центре Млечного Пути, названныйСтрелец А, достаточно велик, чтобы вместить несколько миллионов Земель, но этот объем бледнеет по сравнению с массой объекта - по оценкам, это масса 4 миллионов солнц.

Считается, что вместо того, чтобы формироваться и появляться непредсказуемо, на что ранее легкомысленно намекали угрозы, черные дыры образуются одновременно с более крупными объектами, в которых они живут." Считается, что некоторые крошечные черные дыры образовались одновременно с возникновением самого космоса, во время Большого взрыва почти 14 миллиардов лет. тому назад.

Соответственно, сверхмассивные черные дыры внутри отдельных галактик образуются в то время, когда эти галактики сливаются в существование из межзвездной материи. Другие черные дыры образуются в результате насильственного события, называемогосверхновая звезда​.

Сверхновая - это имплозивная или «травматическая» смерть звезды, в отличие от звезды, сгорающей, как гигантский небесный тлеющий тлеющий уголек. Такие события происходят, когда звезда исчерпала так много топлива, что начинает коллапсировать под действием собственной массы. Этот взрыв приводит к отскочившему взрыву, который отбрасывает большую часть того, что осталось от звезды, оставляя на своем месте сингулярность.

Одна из вышеупомянутых проблем для физиков состоит в том, что плотность части черной дыры, рассматриваемой как сингулярность не может быть вычислено как что-либо иное, кроме бесконечности, поскольку неясно, насколько мала масса на самом деле (например, насколько мал ее объем). занимает). Чтобы осмысленно вычислить плотность черной дыры, необходимо использовать ее радиус Шварцшильда.

Теоретическая плотность черной дыры земной массы составляет около 2 × 10²⁷ г / см³ (для справки, плотность воды всего 1 г / см³). Такие масштабы практически невозможно поместить в контекст повседневной жизни, но космические результаты предсказуемо уникальны. Чтобы вычислить это, вы разделите массу на объем после «корректировки» радиуса с использованием относительных масс черной дыры и солнца, как показано в следующем примере.

​Пример проблемы:Черная дыра имеет массу около 3,9 миллиона (3,9 × 10⁶) солнц с массой 1.99 × 10³³ граммов, и предполагается, что это сфера с радиусом Шварцшильда 3 × 10⁵ см. Какая у него плотность?

Сначала найдитеэффективный радиус сферы, образующей горизонт событийумножив радиус Шварцшильда на отношение массы черной дыры к массе Солнца, равное 3,9 миллиона:

Затем вычислите объем сферы, найденный по формуле V = (4/3) πr³:

Наконец, разделите массу шара на этот объем, чтобы получить плотность. Поскольку вам дана масса Солнца и тот факт, что масса черной дыры в 3,9 миллиона раз больше, вы можете вычислить эту массу как (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ г) = 7,76 × 10³⁹ грамм. Таким образом, плотность равна:

Астрономы разработали разные системы классификации черных дыр, одну основанную только на массе, а другую - на заряде и вращении. Как уже упоминалось выше, большинство (если не все) черные дыры вращаются вокруг оси, как и сама Земля.

Классификация черных дыр по массе дает следующую систему:

• ​Первозданные черные дыры:Они имеют массу, аналогичную массе Земли. Они чисто гипотетические и могли образоваться в результате региональных гравитационных возмущений сразу после Большого взрыва.
• ​Черные дыры звездной массы:Упомянутые ранее, они имеют массу от 4 до 15 масс Солнца и являются результатом «традиционного» коллапса звезды, превышающей средний размер, в конце ее жизненного цикла.
• ​Черные дыры средней массы:По состоянию на 2019 год не подтверждено, что эти черные дыры - примерно в несколько тысяч раз массивнее Солнца - могут существовать в некоторых звездных скоплениях, а позже могут превратиться в сверхмассивные черные дыры.
• ​Сверхмассивные черные дыры:Также упоминалось ранее, они имеют массу от миллиона до миллиарда солнечных масс и находятся в центрах больших галактик.

В альтернативной схеме черные дыры можно классифицировать по их вращению и заряду:

• ​Черная дыра Шварцшильда:Также известен какстатическая черная дыра, этот тип черной дыры не вращается и не имеет электрического заряда. Поэтому он характеризуется только своей массой.
• ​Черная дыра Керра:Это вращающаяся черная дыра, но, как и черная дыра Шварцшильда, у нее нет электрического заряда.
• ​Заряженная черная дыра:Они бывают двух видов. Заряженный,невращающийсячерная дыра известна какЧерная дыра Рейсснера-Нордстрема, в то время как заряженный,вращающийсячерная дыра называетсяЧерная дыра Керра-Ньюмана​.

Вы были бы правы, если бы начали задаваться вопросом, как ученые сделали так много уверенных выводов об объектах, которые по определению не могут быть визуализированы. Многие знания о черных дырах основываются на поведении и внешнем виде относительно близких объектов. Когда черная дыра и звезда находятся достаточно близко друг к другу, возникает особый вид высокоэнергетического электромагнитного излучения, который может напугать астрономов.

Иногда можно увидеть большие газовые струи, выходящие из «концов» черной дыры; иногда этот газ может сливаться в неопределенно круглую форму, известную какаккреционный диск. Кроме того, предполагается, что черные дыры испускают своего рода излучение, называемое, соответственно,излучение черной дыры(или жеРадиация Хокинга). Это излучение может выйти из черной дыры за счет образования пар «вещество-антивещество» (например,электроныа такжепозитроны) сразу за горизонтом событий, и последующее излучение только положительных членов этих пар в виде теплового излучения.

Перед запускомКосмический телескоп Хабблав 1990 году астрономы долго ломали голову над очень далекими объектами, которые они назваликвазары, сжатие «квазизвездных объектов». Как сверхмассивные черные дыры, существование которых было обнаруженные позже, эти быстро вращающиеся высокоэнергетические объекты находятся в центрах больших галактики. Черные дыры теперь рассматриваются как сущности, которые определяют поведение квазаров, которые находятся только на огромных расстояниях, потому что они существовали в относительном младенчестве космоса; их свет только что достигает Земли после 13 миллиардов лет прохождения.

Некоторые астрофизики предположили, что галактики, которые кажутся разными основными типами, если смотреть с Земли, на самом деле могут быть одного типа, но с разными сторонами, обращенными к Земле. Иногда энергия квазара видна и обеспечивает своего рода эффект «маяка» с точки зрения того, как Земля инструменты регистрируют активность квазара, тогда как в других случаях галактики кажутся более "тихими" из-за их ориентация.