Чорна діра - це просторове явище надзвичайно великих пропорцій (зазвичай більше сонячного) і з масою надзвичайно компактний, в результаті чого гравітаційне поле настільки сильне, що не залишається частинок або випромінювання встигає вибратися.
Оскільки всмоктується навіть світло, про наявність чорної діри свідчать помітні гравітаційні наслідки. в його оточенні, особливо завдяки зміні орбіти сусідніх небесних тіл, які починають притягуватися до діри чорний.
Крім того, астрономи та вчені стверджують, що чорну діру можна спостерігати через її випромінювання світла.
Перше зображення чорної діри
Перше зображення чорної діри діаметром 40 мільярдів кілометрів, розташованої в Галактиці M87, за 50 мільйонів світлових років від Землі. Фото: подія телескопа Horizont.
Перше зображення чорної діри було опубліковане в квітні 2019 року на конференції в Брюсселі. Після 2 років спостережень та досліджень це було виявлено міжнародним проектом під назвою Event Телескоп Horizon (EHT), який об'єднує майже десяток радіотелескопів у світі, від Європи до Полюса Південний.
На зображенні єдиною видимою частиною чорної діри є золоте коло, яке називають астрономи "горизонт подій " (горизонт подій португальською) або "пункт неповернення".
У центрі горизонту подій знаходиться незліченна щільність маси, яка називається сингулярністю. Гравітація цієї точки настільки сильна, що ніякі навколишні предмети не можуть втекти.
Теоретично лише щось, що рухається швидше, ніж швидкість світла, могло протистояти гравітаційному полю чорної діри. З цієї причини неможливо точно знати, що відбувається з всмоктаною речовиною.
Як утворюється чорна діра?
Чорні діри утворюються внаслідок гравітаційних колапсів небесних тіл. Ці явища виникають, коли внутрішній тиск тіла (зазвичай зірок) недостатній для підтримки власної маси. Отже, коли серцевина зірки руйнується через гравітацію, небесне тіло вибухає, виділяючи величезну кількість енергії в події, відомої як наднової.
Репрезентативний образ наднової.
Під час наднової, за частку секунди, вся маса зірки стискається в її серцевину, рухаючись до приблизно 1/4 швидкості світла (насправді саме в цей момент є найважчими елементами у Всесвіті створений).
Тоді вибух призведе до нейтронна зірка або, якщо зірка досить велика, результатом буде утворення чорної діри, астрономічна кількість зосередженої маси якої створює згадане гравітаційне поле. У ньому швидкість виходу (швидкість, необхідна для того, щоб якась частинка або випромінювання протистояла притяганню) повинна бути, принаймні, більшою, ніж швидкість світла.
Наскільки велика чорна діра?
Чорні діри бувають різних розмірів. Найменші, відомі науці, називаються первісними чорними дірами, і вважається, що вони мають розмір атома, але мають загальну масу гори.
Середні чорні діри (маса яких до 20 разів перевищує загальну масу Сонця) називаються зоряними. У цій категорії найменша виявлена чорна діра в 3,8 рази перевищує сонячну масу.
Найбільші каталогізовані чорні діри називаються супермасивами, які часто зустрічаються в центрі галактик. Наприклад, у центрі Чумацького Шляху знаходиться Стрілець А, чорна діра з масою, еквівалентною 4 мільйонам маси Сонця.
Наразі найбільша відома чорна діра називається S50014 + 81, маса якої в сорок мільярдів разів перевищує масу Сонця.
Види чорних дір
Німецький фізик-теоретик Альберт Ейнштейн сформулював набір гіпотез, пов'язаних з гравітацією, що послужило основою для появи сучасної фізики. Цей набір ідей був названий Загальна теорія відносності, в якому вчений зробив кілька новаторських спостережень щодо гравітаційного впливу чорних дір.
Для Ейнштейна чорні діри - це «деформації у просторі-часі, викликані величезною кількістю концентрованої речовини». Його теорії сприяли швидкому прогресу в цій області і дозволили класифікувати різні типи чорних дір:
Чорна діра Шварцшильда
Чорні діри Шварцшильда - це ті, які не мають електричного заряду, а також не мають кутового моменту, тобто вони не обертаються навколо своєї осі.
Чорна діра Керра
Чорні діри Керра не мають електричного заряду, але обертаються навколо своєї осі.
Чорна діра Рейсснера-Нордстрема
Чорні діри Рейсснера-Нордстрема несуть електричний заряд, але не обертаються навколо своєї осі.
Чорна діра Керра-Ньюмана
Чорні діри Керра-Ньюмана несуть електричний заряд і обертаються навколо своєї осі.
Теоретично всі види чорних дір з часом стають чорними дірами Шварцшильда (статичними та незарядженими), коли вони втрачають достатньо енергії та перестають обертатися. Це явище відоме як Процес Пенроуза. У таких випадках єдиний спосіб відрізнити одну чорну діру Шварцшильда від іншої - це вимірювання її маси.
Структура чорної діри
Чорні діри невидимі, оскільки їх гравітаційне поле неминуче навіть для світла. Таким чином, чорна діра має вигляд темної поверхні, від якої нічого не відбивається, і немає доказів того, що відбувається з елементами, які в неї всмоктуються. Однак, починаючи з спостереження за наслідками, які вони викликають у своєму оточенні, наука структурує чорні діри в горизонт подій, сингулярність та ергосферу.
Горизонт подій
Межа гравітаційного поля чорної діри, від якої нічого не спостерігається, називається горизонтом подій або точка неповернення.
Графічне зображення горизонту подій, надане NASA, в якому спостерігається ідеальна сфера, з якої не випромінюється світло.
Незважаючи на те, що насправді є просто гравітаційними наслідками, горизонт подій вважається частиною структури чорної діри, оскільки він є початком спостережуваної області явища.
Відомо, що його форма ідеально сферична у статичних чорних дірах і коса у обертових чорних дірах.
Тому що гравітаційне розширення часу, вплив маси чорної діри на простір-час змушує горизонт подій, навіть поза її діапазоном, мати такі наслідки:
- Для віддаленого спостерігача годинник поблизу горизонту подій рухався б повільніше, ніж годинник. Таким чином, будь-який предмет, що всмоктується в чорну діру, здається, сповільнюється, поки він не виявиться паралізованим у часі.
- Для віддаленого спостерігача об'єкт, що наближається до горизонту подій, набуде червонуватого відтінку, що є наслідком фізичне явище, відоме як червоне зміщення, оскільки частота світла зменшується гравітаційним полем діри чорний.
- З точки зору об'єкта, час проходив би прискореними темпами для всього Всесвіту, тоді як для вас час проходив би нормально.
Особливість
Центральна точка чорної діри, де маса зірки стала нескінченно зосередженою, називається особливістю, про яку мало відомо. Теоретично, сингулярність містить загальну масу колапсованої зірки плюс масу всіх тіл, всмоктаних гравітаційним полем, але вона не має ні об’єму, ні поверхні.
Ергосфера
Ергосфера - це зона, яка оточує горизонт подій у обертових чорних дірах, в якій неможливо для небесного тіла залишатися нерухомим.
Також згідно з теорією відносності Ейнштейна, будь-який обертається об'єкт має тенденцію перетягувати простір-час близько до себе. У обертовій чорній дірі цей ефект настільки сильний, що вимагатиме, щоб небесне тіло рухалось у протилежному напрямку зі швидкістю, більшою за швидкість світла, щоб залишатися нерухомим.
Важливо не плутати ефекти ергосфери з ефектами горизонту подій. Ергосфера не притягує предмети з гравітаційним полем. Таким чином, все, що стикається з нею, буде витіснене лише у просторі-часі і буде притягнуте лише в тому випадку, якщо воно перетне горизонт подій.
Теорії Стівена Хокінга про чорні діри
Стівен Хокінг був одним із найвпливовіших фізиків та космологів 20-21 століть. Серед його численних внесків Хокінг вирішив кілька теорем, запропонованих Ейнштейном сприяв теорії, що Всесвіт починався в сингулярності, ще більше посилюючи дзвінок Теорія великого вибуху.
Хокінг також вважав, що чорні діри не є повністю чорними, але випромінюють невелику кількість теплового випромінювання. Цей ефект був відомий у фізиці як Випромінювання Хокінга. Ця теорія передбачає, що чорні діри втратять масу з випромінюванням, і в надзвичайно повільному процесі зменшуватимуться, поки вони не зникнуть.
Дивіться також:
- Теорія відносності
- Сила тяжіння
- великий вибух
