Черные дыры: Что это такое и с чем их едят

В данной статье мы подробно разберем черные дыры. Их поведение, природу и почему же мы не можем понять, что внутри неё.

КОЛЛАПС

Как же образовывается черная дыра? Все начинается со звезды. Удивительно, да? Дело в том, что когда массивная звезда исчерпывает свой ядерный запас(главным образом запас водорода), баланс между внутренним давлением, создаваемым ядерными реакциями, и гравитационным притяжением нарушается. На этом этапе действуют ядерные силы, которые предотвращают коллапс.

Однако, когда ядерное топливо заканчивается, гравитация становится преобладающей силой. Звезда начинает сжиматься под воздействием своей собственной массы. В процессе коллапса происходит увеличение плотности и температуры в центральных областях звезды.

Если звезда массивна достаточно, чтобы превысить критическую массу (предел Чандрасекара), то внутренние ядерные силы не могут предотвратить дальнейший коллапс. В этот момент образуется черная дыра.

ОБЪЕДИНЕНИЕ

Коллапс - не единственный способ образования черных дыр. Черные дыры могут образовываться в следствие объединения звезд или других черных дыр. Может случиться так, что черные дыры или звезды слишком близко приближаются друг к другу. В таком случае их гравитационное воздействие может привести к тому, что они начнут вращаться вокруг общего центра масс.

Постепенно они сближаются настолько, что начинается процесс слияния. При слиянии черных дыр происходит эмиссия гравитационных волн(это колебания пространства-времени, распространяющиеся вокруг объектов с ускоренной массой), что подтверждено недавними наблюдениями. После слияния образуется новая черная дыра, объединяющая массу двух исходных объектов.

ГОРИЗОН СОБЫТИЙ

И тут начинается самое интересное, но в то же время и самое сложное. Многие из нас смотрели фильм “Интерстеллар”. В нем нам встречалось данное понятие. Так что же такое горизонт событий? Это граница, за которой ничто не может избежать гравитационного захвата черной дыры. Даже свет не может пройти через горизонт событий, поэтому черная дыра невидима.

Но появляется логичный вопрос, как же так получается, что даже свет не может пройти сквозь горизонт событий? Объяснение этому факту можно найти в общей теории относительности Альберта Эйнштейна. В этой теории гравитация интерпретируется как изгибание пространства-времени массивными объектами. Гравитационные силы возникают из-за этого изгибания. Горизонт событий черной дыры является областью, где изгибание пространства-времени настолько сильное, что не существует путей, по которым свет может избежать попадания внутрь черной дыры.

Один из интересных аспектов горизонта событий связан с тем, что, хотя свет не может покинуть эту область, для наблюдателя, находящегося вне чёрной дыры, время в этой области кажется замедленным. И опять же. Даже это явление связанно с искривлением пространства и времени в сильных гравитационных полях, вызванных чёрной дырой. Когда свет или другие объекты движутся в этом искривлённом пространстве, их траектории также искривляются. Для наблюдателя, находящегося вне гравитационного поля, процессы внутри этого поля кажутся замедленными из-за эффекта искривления времени. Это явление называется временной дилатацией.

Временная дилатация - это физический эффект, предсказанный теорией относительности Альберта Эйнштейна. Этот эффект означает, что время может течь медленнее для наблюдателя, который движется относительно другого наблюдателя со значительной скоростью.

Согласно теории относительности, время является относительным понятием и может проходить по-разному для наблюдателей, находящихся в различных состояниях движения. В частности, чем выше скорость наблюдателя, тем медленнее идет для него процесс времени, по сравнению с наблюдателем, который покоится.

Этот эффект был подтвержден экспериментально многократно, в том числе с использованием частиц, движущихся с очень высокими скоростями, и с использованием точных измерений в системах спутников GPS. Временная дилатация играет важную роль в наше понимание космической физики и является неотъемлемой частью теории относительности.

Существует теория, согласно которой горизонт событий может быть вратами в параллельные миры или даже в другие измерения. Идея заключается в том, что гравитационные аномалии, создаваемые чёрной дырой, могут воздействовать на структуру пространства и времени, открывая возможность для перемещения в неизведанные области космоса.

СИНГУЛЯРНОСТЬ

Сингулярность - это точечное место в центре черной дыры, где концентрация массы и плотность становятся бесконечными. В этой точке гравитационные силы, а также кривизна пространства-времени, становятся бесконечными.

В рамках общей теории относительности Альберта Эйнштейна, описание гравитации основано на изгибании пространства-времени массивными объектами. Когда звезда коллапсирует, и её центр превращается в черную дыру, внутренние слои звезды обрушиваются под воздействием силы гравитации, и масса становится сосредоточенной в крайне малом объеме.

Проблема с сингулярностью заключается в том, что уравнения общей теории относительности, используемые для описания черных дыр, не могут предоставить физическое описание точки сингулярности. Такая точка подразумевает бесконечные значения для физических величин, что может быть признаком несостоятельности теории в условиях сильной гравитации.

Сингулярность часто рассматривается как сигнал того, что общая теория относительности, возможно, не является полной и требует объединения с квантовой теорией гравитации, которая должна учитывать квантовые эффекты в условиях очень высоких энергий и плотностей. На данный момент такая теория еще не разработана, и вопрос о природе сингулярности в черных дырах остается открытым.

ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ

Гравитационные волны представляют собой колебания пространства-времени, которые распространяются в виде волн от ускоренных масс. В контексте черных дыр, гравитационные волны могут быть излучены в результате динамических процессов, таких как движение черных дыр или их слияние.

Как черные дыры излучают гравитационные волны? Когда черные дыры двигаются или сливаются, происходят изменения в их гравитационном поле, что создает волны, распространяющиеся в пространстве-времени. Это гравитационное излучение уносит энергию из системы черных дыр, что в конечном итоге приводит к уменьшению их орбит и, в случае слияния, к объединению двух черных дыр в одну более массивную.

Подтверждение гравитационного излучения: Экспериментальное подтверждение гравитационного излучения было получено в 2015 году благодаря событию слияния двух черных дыр. Это событие было зарегистрировано Лазерным интерферометрическим обсерваторией гравитационных волн (LIGO). Гравитационные волны, проходя через земную атмосферу, вызывают крайне малые изменения длины, которые были замечены LIGO.

АККРЕЦИЯ

Что такое аккреция? Аккреция – это процесс, при котором материя попадает в гравитационно связанный объект, такой как черная дыра. В контексте черных дыр аккреция обычно происходит, когда черная дыра находится вблизи облака газа, пыли или другого вещества.

Как происходит аккреция в черной дыре? Когда черная дыра находится рядом с облаком газа, гравитационное притяжение черной дыры заставляет газ приближаться к ней. По мере того как газ приближается, он нагревается из-за трения и компрессии, и в результате начинает излучать электромагнитное излучение, такое как рентгеновское излучение. Этот процесс аккреции приводит к тому, что черная дыра становится источником излучения.

Наблюдение черных дыр через аккрецию: Астрономы изучают черные дыры, наблюдая излучение, происходящее при аккреции. Спутники и телескопы, наблюдающие в рентгеновском или других диапазонах, могут зафиксировать этот процесс, что позволяет ученым получать информацию о массе и других характеристиках черной дыры.

Не забудьте подписаться на мой тематический телеграмм канал:

https://t.me/VirtWingsA320