сингулярность черной дыры что это
Что происходит в центре чёрной дыры?
Сингулярность в центре чёрной дыры – это область, где материя сжимается до бесконечно крошечной точки, а все представления о времени и пространстве полностью рушатся. И, вообще, сингулярности на самом деле не существует. Что-то должно заменить сингулярность, но мы не совсем уверены в том, что же это может быть.
Давайте рассмотрим некоторые варианты.
Звезды Планка
Возможно, глубоко внутри чёрной дыры материя не сжимается до бесконечно крошечной точки. Вместо этого там может существовать наименьший из возможных конфигураций объект (наименьшее возможное объёмное тело).
И такой объект получил название звезда Планка. Этот теоретический объект был предложен в рамках теории петлевой квантовой гравитации, которая сама по себе является весьма гипотетической идеей, пытающейся объяснить квантовую природу гравитации. В мире петлевой квантовой гравитации пространство и время квантуются – Вселенная вокруг нас состоит из крошечных дискретных частей, но в таком невероятно крошечном масштабе, что наши движения кажутся плавными и непрерывными.
Эта теоретическая фрагментарность пространства-времени даёт нам два преимущества. Во-первых, она доводит идею о квантовой механике до её окончательного заключения, объясняя гравитацию естественным образом. Во-вторых, она делает невозможным образование сингулярностей внутри чёрных дыр.
Иллюстрация, показывающая эволюцию Вселенной, начиная от Большого Взрыва слева, и до появления космического микроволнового фона. После образования первых звёзд заканчиваются космические тёмные века, за которыми следует образование галактик. Авторы и права: CfA / M. Weiss.
Сопротивление продолжающемуся сжатию в конечном итоге не даёт материалу схлопнуться и создать чёрную дыру. К тому же из-за экстремальных эффектов замедления времени вокруг чёрных дыр, с нашей точки зрения, во внешней Вселенной, этот процесс растягивается на миллиарды или даже триллионы лет.
Гравастары
Ещё одна попытка заменить сингулярность – та, которая не опирается на непроверенные теории квантовой гравитации – известна как гравастар. Это настолько теоретическая концепция, что моя программа проверки орфографии даже не распознала это слово.
Разница между чёрной дырой и гравастаром заключается в том, что вместо сингулярности гравастар заполнен тёмной энергией. Тёмная энергия – это вещество, которое пронизывает пространство-время, заставляя его расширяться. Это звучит как научная фантастика, но это реально: тёмная энергия в настоящее время заставляет всю нашу Вселенную расширятся с ускорением.
Тёмная энергия, нормальная и тёмная материя. Авторы и права: NASA.
Когда материя падает на гравастар, она фактически не может проникнуть за горизонт событий (из-за всей этой тёмной энергии внутри) и поэтому просто висит на поверхности. Но за пределами этой поверхности гравастары выглядят и действуют как обычные чёрные дыры.
Однако недавние наблюдения слияния чёрных дыр, проведённые с использованием детекторов гравитационных волн, потенциально исключили существование гравастаров, поскольку слияние гравастаров будет давать другой сигнал, нежели тот, который наблюдался при слиянии чёрных дыр, а такие устройства, как LIGO и Virgo, с каждым днём находят всё больше и больше примеров этих слияний. Хотя гравастары не являются чем-то запретным для нашей Вселенной, они определённо находятся на тонком льду.
Что насчёт вращения?
Звезды Планка и гравастары могут иметь удивительные имена, но реальность их существования вызывает сомнения. Так что, возможно, есть более приземлённое объяснение сингулярностей, основанное на более тонком и реалистичном взгляде на чёрные дыры в нашей Вселенной.
Идея единой точки бесконечной плотности исходит из нашей концепции неподвижных, невращающихся, незаряженных, довольно скучных чёрных дыр. Настоящие чёрные дыры – гораздо более интересные персонажи, особенно когда они вращаются.
В качестве одного из возможных способов путешествовать во времени, исследователями были предложены червоточины. Авторы и права: Shutterstock.
Однако, тут существует одна проблема: внутренности вращающихся чёрных дыр катастрофически нестабильны.
Проблема с вращающимися чёрными дырами заключается в том, что … ну, они вращаются. Сингулярность, растянутая в кольцо, вращается с такой фантастической скоростью, что обладает невероятной центробежной силой. А в общей теории относительности достаточно сильные центробежные силы действуют как антигравитация: они не тянут, а толкают.
Мощная гравитация чёрной дыры изменяет траекторию по которой движется свет в разных частях аккреционного диска. Авторы и права: NASA’s Goddard Space Flight Center / Jeremy Schnittman.
Это создаёт границу внутри чёрной дыры, называемую внутренним горизонтом. За пределами этой области излучение падает внутрь к сингулярности, что объясняется сильным гравитационным притяжением. Однако, затем излучение выталкивается антигравитацией, возникшей вблизи кольцевой сингулярности, и поворотной точкой является внутренний горизонт. Если бы вы смогли увидеть внутренний горизонт, то вы бы столкнулись со стеной бесконечно мощного излучения – накопившегося там за всю историю Вселенной и выброшенного вам в лицо менее чем за мгновение ока.
Формирование внутреннего горизонта разрушит чёрную дыру. Но вращающиеся чёрные дыры, безусловно, существуют в нашей Вселенной, так что это говорит нам о том, что наши теории неверны.
Что на самом деле происходит внутри чёрной дыры? Мы не знаем – и самое страшное в том, что мы никогда не узнаем.
Понравилось? Расскажи друзьям:
Как выглядят сияния на других планетах?
Самая простая органическая кислота, впервые обнаружена в протопланетном диске
В галактике NGC 7090 обнаружен транзиентный сверхяркий источник рентгеновского излучения
Комментарии 5
А кто вам доказал, что черная дыра имеет массу? Все, что туда «падает» (в ч.д.) превращается в «0», а вернее в поле, то есть в «элемент» без массы, энергии и времени…. Но поле продолжает расти и воздействовать на окружающее пространство! Вас кругом окружают поля электрические, магнитные и прочие но ВЫ их никак не ощущаете без специальных приборов, и в тоже время пытаетесь о них судить….
Всё то, что Вы изобразили здесь — полнейшая чепуха. Чёрная дыра это одна из воронок гиперболоида вращения спиральных галактик. К примеру южная. Это втягивающая воронка. Северная же воронка — Балдж (общепринятое название). А ещё — белая дыра. Гиперболоид вращения (космический торнадо) вращается со скоростью больше, чем скорость света (фотоны закручиваются и мы не видим света). А порождает гиперболоид вращения (выталкивает в северную воронку) — нейтронные звёзды. Может быть об этом Вы господа неучи и узнаете.
Не имеющие смысла к существованию воронки и гиперболоиды вращения обсуждать не имеет смысла, так же как и какие-то непонятные полюса. Это все равно как верить в «базон Хигса», что является элементарным переходным процессом!
Нейтрино — это не то, о чем Вы думаете! НЕЙТРИНО — всего лишь сгусток свернутого первичного поля, ввиду чего не имеет ни массы, ни заряда, а в определенном сочетании с энергией (фотоны, масса покоя которых тоже ноль) образует само вещество. Таким образом, неверен сам первоначальный подход к теории, не говоря уже о практике. И только уразумев, что НЕЙТРИНО — свернувшийся, при искривлении первичного вакуума, кусок первичного поля. (вспомните шарики в теории РЕШЕТКИ) можно будет решить многие проблемы, если не все. Если хорошо вникнуть в данную теорию «нейтрино — кусок первичного поля» это объяснит наличие, воздействие и взаимодействие других известных сил, силовых полей и ядерных взаимодействий.
Стабильными частицами являются фотон и нейтрино. Масса фотона равна нулю. Масса нейтрино равна нулю. Фотон имеет свою энергию, а энергия нейтрино равна нулю.
Нейтрино – это часть (кусок) пространства (первичного поля) перемещающаяся в общем пространстве и обладающая всеми его свойствами, оно способно концентрироваться при получении энергии в мюоны и т.д. Существующее разнообразие нейтрино говорит о его информационности, т.е. возможно определение его происхождения и возможно построение с его помощью неких информационных структур и элементов в любом месте пространства вселенной…
Фотон – сгусток движущейся энергии, причем движущиеся фотоны создают в пространстве вокруг себя поле, как бы ввинчиваясь в пространство. При этом теряется ничтожно малая часть энергии фотона, что обуславливает его остывание.
Относительно стабильными являются протоны, нейтроны, электроны – они связаны между собой, образуются за счет энергии и пространства (т.е. фотонов и нейтрино), которые сочетаются друг с другом в различной пропорции. Протоны, нейтроны, электроны являются наиболее их устойчивыми пропорциями сочетаний, и в конечном итоге сами образуют свои комбинации атомов, химических элементов и вещества, обуславливаются их свойства.
Согласно минимуму энергии и пространства протоны, нейтроны, электроны – это их основная форма совместного существования, хотя последние так же распадаются, результатом чего в конечном итоге является энергия в виде фотонов и куски поля в виде нейтрино.
Первичный вакуум был однороден по времени и расстоянию во всех направлениях. Затем, вследствие искривления пространства, возник участок с большей ко всему другому пространству энергией, и изменилась структура пространства, что дало первичную энергию и первую точку свернувшегося искривленного пространства (нейтрино). Последнее вызвало цепную реакцию возникновения фотонов и нейтрино по всему вакууму. О количественных пропорциях этих элементов пространства судить не представляется возможным. Но результатом можно считать всю окружающую нас видимую и невидимую вселенную.
Последняя и самая вероятная версия ЧЕРНЫХ ДЫР — это скопление НЕЙТРИНО. То есть огромная масса НЕЙТРИНО, которые как стало известно в последнее время представляют из себя куски свернувшегося первичного поля. Так вот вся эта масса (причем в каждом случае разная по объему и размерам) и ведет себя соответственно полю, все поглощает и преобразует опять же в поле, так как оно было первично! Т.е. все получилось из ничего и в конце становится ничем — ВАКУУМОМ!
Суть чёрных дыр: сингулярность, горизонт событий, спагеттификация
О чёрных дырах ходит множество самых невообразимых слухов, легенд и теорий. Неудивительно: ведь заглянуть в них напрямую и проверить свои догадки мы не можем — запрещают законы природы. Учёные строят такие теории, что впору удивляться даже фантастам: здесь и области сингулярности, в которых физика перестаёт работать, и порталы в другие измерения… А ведь начиналось всё совершенно обыденно: три века назад естествоиспытатели решили наконец разобраться, что же такое земное притяжение.
Как известно, первую физико-математическую теорию гравитации сформулировал в 1687 году Исаак Ньютон. Введённый им закон всемирного тяготения описывал, как тела взаимодействуют друг с другом, но не объяснял природу этого взаимодействия. Сам учёный признавал ограниченность своей теории, написав буквально следующее: «Причину же этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений; гипотез же я не измышляю».
Тем не менее из закона Ньютона при желании можно вывести необычные следствия. Например, весьма экзотическую гипотезу высказал в 1784 году английский естествоиспытатель и теолог Джон Мичелл. В письме к Королевскому обществу, которое в то время было влиятельнейшей научной организацией мира, он приводил расчёт «тёмного солнца» — звезды с силой притяжения, не позволяющей её свету вырваться вовне. Оказалось, что для превращения в подобный объект наше Солнце должно быть в пятьсот раз больше. Далее Мичелл предположил: поскольку массивных звёзд в космосе достаточно, среди них должны быть и «тёмные», но, по понятным причинам, увидеть их мы не можем. Позднее французский математик Пьер-Симон Лаплас популяризировал идею Мичелла, включив её в свой фундаментальный труд «Изложение системы мира» (Exposition du Système du Monde, 1796).
Окрестности сверхмассивной чёрной дыры, какие обычно располагаются в сердце галактик (в представлении художника, ESO, CC BY 4.0)
Хотя у ньютоновской теории гравитации были оппоненты, со временем она стала общепринятой, поскольку подтверждалась наблюдениями и точнейшими измерениями. Доработать и расширить её потребовалось в начале ХХ века, когда выяснилось, что она не работает, если тело движется с релятивистскими (то есть сопоставимыми со скоростью света) скоростями. К концу 1915 года Альберт Эйнштейн сформулировал новую теорию гравитации, получившую название общей теории относительности (ОТО). Он предположил, что действие гравитации не связано ни с какими неведомыми силами или частицами, а обусловлено геометрическими свойствами самогó пространственно-временного континуума: любая масса искривляет его, создавая вокруг себя своего рода «воронку», а движение тел относительно друг друга обусловлено только формой и глубиной этих «воронок».
Концепция Эйнштейна казалась настолько революционной, что научный мир не сразу её принял. Одним из доказательств в пользу ОТО могло бы стать обнаружение «замороженных звёзд» — сферических сверхмассивных областей пространства, которые при помощи уравнений Эйнштейна описал Карл Шварцшильд. В отличие от идеи Мичелла, в новой модели до нуля замедлялась не скорость света, но само течение времени. Шварцшильд ввёл понятие гравитационного радиуса, определяющего размер, необходимый для «замерзания» звезды.
Радиус Шварцшильда можно рассчитать для любого тела: например, для Солнца он составляет 3 км, для Земли — около 9 мм. Если б существовала физическая возможность сжать наше светило или планету до указанных размеров без мгновенного взрыва с переходом материи в энергию, то они превратились бы в «замороженные», а течение времени на их поверхности сразу остановилось бы. С другой стороны, если масса исходного объекта значительна, то незачем сжимать его до предельно малых размеров: скажем, «замороженная звезда» массой в миллиард солнечных будет иметь плотность воды.
Небесные дыры
Другие физики, среди которых были Фриц Цвикки и Лев Ландау, в серии работ показали, что нейтронные звёзды образуются в результате взрыва сверхновых, но не всегда: самые массивные из них переходят в иное состояние.
Но какое? В 1939 году Роберт Оппенгеймер (один из будущих создателей американской атомной бомбы) и Хартланд Снайдер на упрощённой математической модели показали, что звезда при коллапсе стягивается к радиусу Шварцшильда и даже преодолевает его! Вывод выглядел столь фантастическим, что учёные в то время не осмелились сделать следующий шаг и заявить: «замороженные звёзды» действительно существуют.
Чёрная дыра звёздной массы в представлении художника
Дальнейшие исследования и расчёты тем не менее показали: ничего невероятного в этом нет. Массивные звёзды во всех случаях превращаются в «замороженные», сила тяготения вблизи которых стремится к бесконечности, а время останавливается. И, главное, таких объектов во Вселенной должно быть очень много, ведь её эволюция началась не вчера. Теперь астрономам предстояло подтвердить или опровергнуть теоретические выкладки.
Постепенно определилась и терминология. Установлено, что первым в начале 1960-х годов «замороженную звезду» стал называть «чёрной дырой» американец Роберт Дик, в своих лекциях сравнивавший этот гипотетический объект с легендарной «Калькуттской чёрной дырой» — маленькой тюремной камерой форта Уильям, где в июне 1756 года погибли десятки пленных англичан.
Новый термин понравился прежде всего журналистам: с 1963 года он стал постоянно появляться на страницах журналов Life и Science News. В студенческой среде новое название прижилось после того, как в январе 1964 года Энн Юинг выступила на конференции Американской ассоциации содействия науке с докладом «Чёрные дыры в космосе». Несмотря на это, авторство термина ошибочно приписывают американскому физику Джону Уилеру, который употреблял его в своих лекциях начиная с декабря 1967 года.
Долгое время оставалось популярным предположение, что через чёрные дыры можно проникнуть в иные вселенные или эпохи
Разумеется, чёрными дырами заинтересовались и фантасты. Необычный космический объект, гравитация которого столь велика, что останавливает время, будоражил воображение. В романе «Шпага Рианнона» (1949), ныне считающемся классикой, знаменитая Ли Брэкетт описала «пузырь тьмы», через который персонаж отправляется в прошлое Марса:
Этот пузырь с пульсирующей чернотой — до чего он похож на черноту тех густо-чёрных пятен, находящихся далеко-далеко на краю Галактики, которые некоторые учёные считают отверстиями в саму бесконечность, окнами в бесконечное «вне» нашей Вселенной.
С тех пор чёрные дыры стали всё чаще появляться на страницах фантастических книг и журналов. Их рассматривали прежде всего как угрозу звездолётам будущего или как «место заключения» невероятно древних и могущественных существ. Впрочем, начиная с первой половины 1970-х годов чёрные дыры в фантастике стали всё больше походить на те описания, что давали физики.
Внутри дыры
Учёные довольно быстро определились со структурой чёрных дыр, которую удалось описать с помощью ОТО. В рамках этой теории чёрная дыра описывается не как вещество или энергия, а как мощное гравитационное поле, сконцентрированное в чудовищно искривлённой области пространственно-временного континуума. Её внешняя граница представляет собой замкнутую поверхность, которая получила название «горизонт событий»; если перед коллапсом звезда не вращалась, то радиус этой границы совпадает с радиусом Шварцшильда.
Снаружи чёрная дыра ведёт себя как обычный космический объект, только очень и очень тяжёлый. Если мы пошлём в её сторону зонд, что будет передавать световые сигналы через равные промежутки времени, то при его приближении к «горизонту событий» заметим, что интервалы между сигналами увеличиваются, поскольку время на борту замедляется. Длина световой волны, испускаемой зондом, будет стремительно расти, и вскоре сигнал превратится в радиоволны, а потом — в низкочастотные электромагнитные колебания, зафиксировать которые почти невозможно.
Как только зонд пересечёт «горизонт», информация с борта поступать перестанет. При этом аппарат повлияет на чёрную дыру, передав ей свою массу, электрический заряд и момент вращения. Внутри дыры зонд начнёт падать к её центру — сингулярности, которая для неподвижной дыры представляет собой точку, а для вращающейся — кольцо; поперечник сингулярности не может превышать длину Планка-Уилера, равную 1,62×10−33 см. С точки зрения внешнего наблюдателя, зонд будет падать в центр дыры вечно, однако в действительности его разорвут растущие приливные силы. Этот процесс называют «спагеттификацией»: объект резко растягивается по вертикали и сжимается по горизонтали.
Чёрная дыра поглощает звезду (в представлении художника, NASA/JPL-Caltech)
Описанная модель просуществовала недолго. В 1965 году американец Эзра Ньюман, используя ОТО в модификации новозеландца Роя Керра, описал вариант вращающейся чёрной дыры с мощным электрическим зарядом. Оказывается, в таком случае дыра будет окружена эргосферой, которую можно покинуть, не свалившись в сингулярность. Более того, из дальнейших расчётов следовало, что сингулярность такой дыры будет работать как «червоточина» — тоннель в другие вселенные или даже другие эпохи. Разумеется, столь богатой идеей почти сразу воспользовались фантасты: например, способ транспортировки через чёрные дыры описан в романе Джо Холдемана «Бесконечная война» (1974).
Интересные последствия имела и попытка применить к чёрным дырам квантовую механику. Её предпринял в 1975 году знаменитый физик Стивен Хокинг. Флуктуации вакуума непрерывно порождают пары виртуальных частиц (частицу и античастицу), которые при обычных условиях тут же «погибают». Однако если такая пара материализуется на «горизонте событий», то одна частица провалится к сингулярности, а другая при благоприятных условиях вылетит наружу. В результате дыра превращается в источник излучения, которое назвали «испарением Хокинга». Из его выкладок также следовало то, что могут существовать короткоживущие дыры микронных размеров: во время испарения они должны выделять колоссальное количество энергии.
Идеи Хокинга, которые он активно продвигал в своих научно-популярных работах, быстро перекочевали и в фантастику: скажем, микроскопические дыры используют для производства энергии персонажи романа Джона Варли «Горячая линия Офиути» (1977).
Моделирование процесса создания микроскопической чёрной дыры (Lucas Taylor / CERN)
Увидеть тьму
За десятилетия учёные описали множество теоретических моделей чёрных дыр, и определить, какие из них верны, можно только с помощью астрономических наблюдений. Поскольку увидеть дыры невозможно, приходится прибегать к косвенным методам.
Например, если рядом с чёрной дырой находится большая звезда, то дыра втягивает в себя вещество этой звезды (процесс называется аккрецией). При этом вокруг дыры за счёт вращательного момента формируется аккреционный диск, газ в котором разгоняется до релятивистских скоростей и нагревается так, что начинает излучать в рентгеновском диапазоне. Соответственно, диск и саму чёрную дыру можно обнаружить рентгеновским телескопом. К сожалению, этим методом трудно отличить дыры от нейтронных звёзд. Необходимо разглядеть важное отличие: газ, падающий на твёрдую поверхность, продолжает интенсивно излучать, а приближающийся к «горизонту событий» быстро меркнет.
Чёрная дыра с аккреционным диском — мощный источник рентгеновского излучения (в представлении художника, NASA/JPL)
Рентгеновский источник Cygnus X-1 (NASA)
Именно такой эффект был обнаружен при наблюдении за рентгеновским источником Лебедь X-1 (Cygnus X-1), открытым в 1964 году. Он находится в 6070 световых годах от нас и представляет собой двойную систему, состоящую из голубого сверхгиганта HDE 226868 и чёрной дыры с массой 14,8 солнечных и радиусом «горизонта событий» около 300 км. Материя в аккреционном диске нагревается до миллионов градусов, генерируя рентгеновские лучи.
При этом из диска бьют две перпендикулярные струи, уносящие часть набегающего материала в межзвёздное пространство. Интересно, что в декабре 1974 года двойной объект Лебедь X-1 стал предметом дружественного пари между физиками Стивеном Хокингом и Кипом Торном: Хокинг сделал ставку на то, что чёрной дыры там нет. Он признал проигрыш в 1990 году, когда многочисленные наблюдения подтвердили точку зрения его коллеги. Торн в награду получил годовую подписку на журнал Penthouse.
Рентгеновский источник Cygnus X-1 в представлении художника (NASA)
Модели показывают, что чёрные дыры могут сталкиваться и сливаться друг с другом. В результате образуются объекты массой в миллионы и миллиарды солнечных. Сегодня астрофизики полагают, что подобные тела находятся в центрах большинства галактик, включая Млечный Путь. Наша центральная сверхмассивная чёрная дыра Sagittarius A* расположена в созвездии Стрельца, на расстоянии около 26 тысяч световых лет. Странное название объекта — это шутка учёных: обнаруживший чёрную дыру астроном Роберт Браун заявил, что открытие его «очень взбудоражило», а звёздочками в квантовой физике обозначают «возбуждённые состояния» атомов.
Много шума наделало апрельское сообщение группы учёных из проекта Event Horizon Telescope, объединяющего мощности восьми радиотелескопов в разных районах земного шара. Они заявили, что впервые в истории получили прямое изображение тени сверхмассивной чёрной дыры. Эта дыра находится в центре галактики М 87 (Messier 87), расположенной в созвездии Девы на расстоянии 53,5 миллионов световых лет от нас. На то, чтобы обработать астрономические данные и подготовить на их основе исторический снимок, ушло два года. Это достижение подтвердило: модель чёрных дыр, построенная на основе ОТО, ближе всего к действительности. Увы, но оно же поставило крест на гипотезе о «червоточинах» — попасть через чёрные дыры в другие пространства или эпохи невозможно в принципе.
Исторический снимок: тень чёрной дыры в центре галактики М 87, созвездие Девы (ESO [CC BY 4.0])
Впрочем, непосредственное изучение чёрных дыр ещё только начинается. И никто сегодня не может сказать, куда заведёт науку желание заглянуть в «пузырь тьмы»…