Падение в черную дыру. “Что вы увидите, падая в черную дыру?”. С вами ничего не произойдет

24.11.2019

1) Образование черных дыр

Черная дыра рождается тогда, когда у крупной звезды начинает заканчиваться топливо и она начинает разрушаться из-за своей же собственной гравитации.

Такая звезда превращается в белого карлика или нейтронную звезду, но если звезда оказывается очень массивной, она может продолжать сжиматься и в конечном итоге достигает размера крошечного атома, который называется центром черной дыры.

2) Масса черной дыры

Масса этой сжатой звезды настолько велика, а гравитация ее центра настолько сильна, что, согласно теории общей относительности Эйнштейна, она на самом деле может деформировать пространство-время вокруг себя, и даже свет не может вырваться из нее.

Граница, за которую свет не может вырваться, называется горизонт событий , а расстояние от центра до горизонта событий - гравитационный радиус или радиус Шварцшильда.

3) Теория черных дыр

Как только частицы и солнечные лучи пересекают горизонт событий, они направляются к центру, их больше никогда никто не сможет увидеть.

4) Самые странные объекты Вселенной

Для внешнего наблюдателя с телескопом кажется, что объект, который проходит через горизонт событий, начинает замедляться и замерзать и что он вовсе не прошел через эту границу. Со временем свет становится красным и более тусклым, а его длина волны - длиннее , в конечном итоге, он исчезает из поля видимости, становясь инфракрасной радиацией, а затем радиоволнами.

5) Падение в черную дыру

Если бы человек мог оказаться в черной дыре, будучи в сознании и имея возможность вернуться оттуда, он бы рассказал, что вначале испытал ощущение невесомости, как будто он находится в свободном падении, но затем почувствовал бы очень мощные силы притяжения, его бы тащило ближе к центру черной дыры.

Чем ближе к центру, тем сильнее гравитация, поэтому если бы его ноги были ближе к центру, чем голова, его бы начало сильно растягивать и в конечном итоге разорвало бы на части.

Во время падения он бы видел искаженное изображение, как будто свет обволакивает его и он бы также увидел, как свет за пределами черной дыры направляется во внутрь.

6) Сила гравитации черных дыр

Важно понимать, что гравитационное поле черной дыры точно такое же, как и у других объектов в космосе, имеющих такую же массу. Другими словами, черные дыры притягивают к себе объекты так же, как это делают обычные звезды, то есть все объекты, которые оказываются рядом с горизонтом событий, падают в них.

7) Кротовые норы

Кротовая нора в теории является туннелем в пространстве-времени, который позволяет пройти коротким путем от одного конца Вселенной к другому. Однако эти объекты могут оказаться с внешней стороны очень похожими на черные дыры.

8) Кто открыл черные дыры во Вселенной?

Джон Мичелл (1783 год) и Пьер-Симон Лаплас (1796 год) впервые предложили концепцию "темных звезд" или объектов, которые при сжатии имеют такую сильную силу притяжения, что скорость убегания рядом с ними будет превышать скорость света.

Позже термин "замороженная звезда" стал использоваться для описания последней фазы гравитационного коллапса звезды, когда свет не может покинуть ее поверхность, поэтому звезда кажется замороженной во времени для наблюдателя.

В 20-м столетии физик Джон Уиллер предложил называть эти объекты "черными дырами" , так как они поглощали все частицы света, которые оказывались поблизости, поэтому ничего отражать были не способны.

Это может случиться с каждым. Может быть вы летаете в открытом космосе и пытаетесь найти новую планету, пригодную для жизни человечества. Или же вы просто отправляетесь на прогулку и внезапно поскальзываетесь. Вне зависимости от обстоятельств, у вас в голове может появиться извечный вопрос, который терзает умы многих - что произойдет, если вы упадете в черную дыру?

Парадокс черной дыры

Вы можете предположить, что вас раздавит или разорвет на мельчайшие кусочки. Однако реальность выглядит гораздо более странно. В тот момент, когда вы попадете в черную дыру, реальность разделится надвое. В одной реальности вы будете тут же сожжены дотла, но в другой начнете погружаться в черную дыру без каких-либо повреждений.

Что такое черная дыра?

Черная дыра - это место, где законы физики (такие, какими люди их знают) перестают работать. Эйнштейн учил, что гравитация искривляет пространство, заставляя его закручиваться. Так что если взять достаточно плотный объект, пространственно-временной континуум может стать настолько искривленным, что он закрутит сам себя, создав дыру в самой ткани реальности.

Как рождается черная дыра?

Большая звезда, у которой закончилась энергия для работы, может предложить ту самую невероятную плотность, необходимую для того, чтобы так сильно деформировать участок вселенной. По мере того как эта звезда прогибается под тяжестью собственного веса и рушится внутри себя, пространственно-временной континуум следует за ней. Гравитационное поле становится настолько сильным, что даже свет не может проникнуть сквозь него, делая участок, где это происходит, абсолютно темным, то есть создавая черную дыру.

Горизонт событий

Самой дальней границей черной дыры является «горизонт событий», то есть то место, где гравитационная сила спадает до такого уровня, что свету вот-вот удастся проникнуть сквозь гравитационное поле. Переступите эту черту - и выхода уже не будет. Горизонт событий буквально сияет энергией. Квантовые эффекты, которые наблюдаются на границе черной дыры, создают потоки раскаленных частиц, излучаемых обратно во Вселенную из черной дыры. Этот феномен называется излучением Хокинга - в честь ученого Стивена Хокинга, который предсказал этот эффект. Если дать черной дыре достаточно времени, то излучения выдадут обратно в космос всю ее массу, и она исчерпает себя и исчезнет.

Искривление пространства и сингулярность

По мере того как вы будете продвигаться внутрь черной дыры, пространство будет все более и более искривляться, пока, наконец, вы не достигнете центра черной дыры, где пространство является бесконечно искривленным. Это называется сингулярностью. Пространство и время перестают существовать, как и законы физики, которые для реализации требуют наличия тех самых пространства и времени. Никто не знает, что образуется дальше. Другая Вселенная? Забвение? Задняя часть книжного шкафа? Это загадка.

Ваш компаньон

Так что же случится, если вы случайно упадете в одну их этих космических аберраций? Давайте спросим у вашего космического компаньона - пусть ее будут звать Анна. Она в ужасе смотрит на то, как вы падаете в черную дыру, пока сама она находится на безопасном расстоянии от нее. И с ее точки зрения, все происходящее выглядит крайне странно.

Точка зрения Анны

По мере того как вы приближаетесь к горизонту событий, Анна видит, как ваше тело растягивается и искажается - словно она смотрит на вас сквозь гигантское увеличительное стекло. Более того, чем ближе вы оказываетесь к горизонту событий, тем больше происходящее напоминает замедленный режим съемки. Когда вы достигаете горизонта событий, Анна видит, как вы замираете на месте, не перемещаяь даже на миллиметр. Вы остаетесь на одном месте, по мере того как растущий жар начинает действовать на вас. По словам Анны, вас медленно стирает растяжение пространства, остановка времени и жар излучения Хокинга - пока от вас не остается только лишь пепел.

Ваша точка зрения

Но прежде чем готовиться к похоронам, вам стоит на секунду забыть об Анне и посмотреть на все происходящее с вашей точки зрения. И здесь случается что-то еще более невероятное - ничего. Дело в том, что если смотреть на ситуацию вашими глазами, то вы спокойно пролетаете горизонт событий, направляясь в абсолютную черноту, не получая при этом никаких повреждений. Конечно, если бы черная дыра была меньше по размерам, то вас искривило бы, как и все остальное пространство, но если черная дыра достаточно большая, то эти силы вполне могут быть игнорированы, и вы можете довольно долго прожить, пока не доберетесь до сингулярности.

Разрыв реальности

Но в чем же дело? Почему Анна увидела, что вы сгорели, в то время как вы спокойно путешествуете по черной дыре? Неужели она сошла с ума и галлюцинирует? На самом деле, все гораздо проще - дело в законах физики. С одной стороны, квантовая физика требует того, чтобы информация никогда не была потеряна, так что вы не можете покинуть Вселенную и попасть в черную дыру - вы сгораете на месте под воздействием излучения Хокинга. С другой стороны, вы должны проследовать через горизонт событий, не подвергаясь воздействию излучения, иначе была бы нарушена общая теория относительности Эйнштейна. Именно тут и происходит разрыв реальности.

Художественная интерпретация того, как звезда пересекает горизонт событий центральной сверхмассивной черной дыры

Черная дыра характеризуется невероятно сильной гравитацией, не выпускающей даже свет. Вокруг нее сконцентрирован горизонт событий. Достаточно пересечь эту «линию», и вы обречены. Все об этом знают, но наличие таких «линий» не доказали.

Поэтому ученые решили провести эксперимент. Полагают, что сверхмассивные черные дыры проживают в центрах всех крупных галактик. Но существует мнение, что есть также еще один объект. Это необычное сверхмассивное нечто, которому удалось увернуться от коллапса и сингулярности. Вокруг него также есть горизонт событий.

Если у сингулярности нет поверхностной площади, то у объекта она прочная. Поэтому звезда не упадет в черную дыру, а разобьется об поверхность.

Это огромная массивная сфера в галактическом центре. Мы видим, как звезда врезается в твердую поверхность и разбрасывает обломки

Чтобы выявить подлинность теории, ученые придумали новый тест. Суть в том, чтобы определить, что собою представляет твердая поверхность. Это бы помогло и решить задачу с горизонтом событий.

Для начала они выяснили, что при попадании объекта в твердую поверхность, звездный газ окутает его и будет сиять несколько месяцев или лет. Это должен уловить телескоп. Когда ученые поняли, что необходимо найти, то подтвердили свои доводы.

Они оценили скорость падения звезд в черные дыры. Для этого рассматривали только наиболее массивные, чья масса превосходила солнечную в 100 миллионов раз. Оказалось, таких объектов насчитывается примерно миллион на удаленности в несколько миллиардов лет от нас.

Затем пришлось просмотреть архивные данные 1.8-метрового телескопа Pan-STARRS, исследовавшего северное полушарие 3.5 лет на «временное свечение». Если предположение верное, то при учете всех данных, телескоп должен был выявить 9-10 таких событий.

И… он ничего не нашел.

Получается, что у всех черных дыр должен быть горизонт событий. Поэтому Эйнштейн снова оказался прав. Сейчас команда старается улучшить тест и проверить его на 8.4-метровом Большом Обзорном Телескопе (Large Synoptic Survey Telescope), отличающимся большей чувствительностью.

Прочитало: 0

В естественных условиях большинство черных дыр должны вращаться. Это значит, что у черной дыры есть две поверхности, одна внутри другой. Внешняя – это так называемая эргосфера. И вот если туда попасть, но не пересечь горизонт событий, то можно вылететь из черной дыры. Самое интересное происходит, если попасть под горизонт черной дыры. Попав туда, вылететь не получится уже ни при каких условиях - что бы вы ни предпринимали. Избежать падения в центр черной дыры после пересечения горизонта - это то же самое, что избежать следующего понедельника.

Что происходит при приближении к черной дыре и пересечении эргосферы или горизонта, зависит от ее размера. Если черная дыра очень большая, то есть массивная (например, у дыры массой 100 000 000 масс солнца размер будет в два раза больше земной орбиты – где-то 300 000 000 км), и вы пересекаете либо ее эргосферу либо горизонт событий, то ничего страшного с вами не происходит. Дело в том, что когда вы свободно падаете, вы чувствуете гравитацию только через приливные силы. Это разница между тем, как притягиваются к гравитирующему центру ваши ноги и голова. Через разницу этих сил вы и чувствуете гравитацию в свободном падении. Если эта разница небольшая, то вы особо ничего и не чувствуете. Для черных дыр большого размера эта разница совершенно ничтожна. Поэтому пересекая или эргосферу, или горизонт такой дыры, вы не почувствуете никаких разрушительных сил.

Если же черная дыра маленькая (например, если бы солнце могло превратиться в черную дыру, то ее радиус был бы порядка 3 км), то, скорее всего, приливные силы будут огромными, и они разорвут человека на части. Но вас и за пару километров до пересечения горизонта, на подлете, могут порвать приливные силы. С точки зрения гравитационных сил важно здесь то, на каком расстоянии вы находитесь от сингулярности (центр черной дыры – место средоточия

всей ее массы под горизонтом), а не то, на каком расстоянии вы находитесь от горизонта или эргосферы. При приближении именно к сингулярности вы и начинаете ощущать эти приливные силы.

Все эти выводы можно сделать изучая свойства черных дыр в рамках общей теории относительности. Она применима только, если приливные силы не очень большие. Когда приливные силы становятся очень большими (значительно больше тех, которые разрывают человека на части) мы уже не знаем, что происходит. Мы не знаем что происходит при сверхвысоких плотностях, которые возникают в окрестности сингулярности. Мы знаем только то, что сингулярностей не бывает в природе. Что же будет вместо сингулярности – в самом центре черной дыры – нам не известно.

Понятие чёрной дыры известно всем — от школьника до людей преклонного возраста, оно используется в научной и фантастической литературе, в желтых СМИ и на научных конференциях. Но что конкретно представляют собой такие дыры, известно далеко не всем.

Из истории чёрных дыр

1783 г. Первая гипотеза существования такого явления, как чёрная дыра, была выдвинута в 1783 году английским учёным Джоном Мичеллом. В своей теории он объединил два творению Ньютона — оптику и механику. Идея Мичелла была такова: если свет — это поток мельчайших частиц, то, как и все другие тела, частицы должны испытывать притяжение гравитационного поля. Получается, чем массивнее звезда, тем сложнее свету противиться её притяжению. Через 13 лет после Мичелла, французский астроном и математик Лаплас выдвинул (скорее всего, независимо от британского коллеги) схожую теорию.

1915 г. Однако, все их труды оставались невостребованными вплоть до начала XX века. В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности и показал, что гравитация есть искривление пространства-времени, вызванное материей, а спустя несколько месяцев немецкий астроном и физик-теоретик Карл Шварцшильд использовал её для решения конкретной астрономической задачи. Он исследовал структуру искривленного пространства-времени вокруг Солнца и заново открыл феномен чёрных дыр.

(Джон Уилер ввел в научный обиход термин "Чёрные дыры")

1967 г. Американский физик Джон Уилер обрисовал пространство, которое можно скомкать, подобно листику бумаги, в бесконечно малую точку и обозначил термином "Чёрная дыра".

1974 г. Британский физик Стивен Хокинг доказал, что чёрные дыры, хоть и поглащают метерию без возврата, могут испускать излучение и в конце концов испаряться. Такое явление получило название "излучение Хокинга".

2013 г. Новейшие исследования пульсаров и квазаров, а также открытие реликтового излучения, наконец сделали возможным описать само понятие чёрных дыр. В 2013 году газовое облако G2 приблизилось на очень близкое расстояние к чёрной дыре и скорее всего будет поглощено ей, наблюдения за уникальным процессом даёт огромные возможности для новых открытий особенностей чёрных дыр.

(Массивный объект Стрелец А*, его масса больше Солнца в 4 млн раз, где подразумевается скопление звезд и образование чёрной дыры )

2017 г . Группа ученых из коллоборации нескольких стран Event Horizon Telescope, связав восемь телескопов с разных точек континентов Земли, проводили наблюдения за чёрной дырой, которая является сверхмассивным объектом и находится в галактике М87, созвездие Дева. Масса объекта 6,5 млрд (!) солнечных масс, в гигантские разы больше массивного объекта Стрелец А*, для сравнения диаметром чуть менее расстояния от Солнца до Плутона.

Наблюдения проводились в несколько этапов, начиная с весны 2017 года и в течении периодов 2018 года. Объём информации исчислялся петабайтами, которые затем следовало расшифровать и получить подлинный снимок сверхдалекого объекта. Поэтому потребовалось ещё целых два года для досканальной обработки всех данных и соединения их в одно целое.

2019 г. Данные были успешно расшифрованы и приведены в вид, получив первое в истории изображение чёрной дыры.

(Первый в истории снимок чёрной дыры в галактики М87 в созвездии Дева )

Разрешение изображения позволяет увидеть тень точки невозврата в центре объекта. Изображение получено в результате интерферометрических наблюдений со сверхдлинной базой. Это, так называемые, синхронные наблюдения одного объекта с нескольких радиотелескопов, соединенных между собой сетью и находящихся в разных частях земного шара, направленных в одну сторону.

Чем на самом деле являются чёрные дыры

Лаконичное объяснение феномена звучит так.

Чёрная дыра — это пространственно-временная область, чье гравитационное притяжение настолько велико, что её не может покинуть ни один объект, в том числе световые кванты.

Когда-то чёрная дыра была массивной звёздой. Пока термоядерные реакции поддерживают в её недрах высокое давление, всё остаётся в норме. Но со временем запас энергии истощается и небесное тело, под действием собственной гравитации, начинает сжиматься. Завершающий этап этого процесса — схлопывание звездного ядра и образование чёрной дыры.

1. Выбрасывание черной дырой струи на высокой скорости

2. Диск материи перерастает в чёрную дыру

3. Чёрная дыра

4. Детальная схема региона чёрной дыры

5. Размер найденных новых наблюдений

Самая распространённая теория гласит, что подобные феномены есть в каждой галактике, в том числе и в центре нашего Млечного пути. Огромная сила притяжения дыры способна удерживать вокруг себя несколько галактик, не давая им удаляться друг от друга. «Площадь покрытия» может быть разной, всё зависит от массы звёзды, которая превратилась в чёрную дыру, и может составлять тысячи световых лет.

Радиус Шварцшильда

Главное свойство чёрной дыры — любое вещество, которое в неё попало, никогда не сможет вернуться. Это же касается и света. По своей сути дыры — это тела, которые полностью поглощают весь попадающий на них свет и не испускающие собственного. Такие объекты визуально могут казаться сгустками абсолютной темноты.

1. Движущаяся материя в половину скорости света

2. Фотонное кольцо

3. Внутреннее фотонное кольцо

4. Горизонт событий в чёрной дыре

Отталкиваясь от Общей теории относительности Эйнштейна, если тело приблизилось на критическое расстояние к центру дыры, оно уже не сможет вернуться. Это расстояние называют радиусом Шварцшильда. Что именно происходит внутри этого радиуса доподлинно неизвестно, но есть наиболее распространенная теория. Считается, что всё вещество чёрной дыры концентрируется в бесконечно малой точке, а в её центре находится объект с бесконечной плотностью, который ученые именуют сингулярным возмущением.

Как происходит падение в чёрную дыру

(На картинке чёрная дыра Стрельца А* выглядит крайне ярким скоплением света)

Не так давно, в 2011 году, ученые обнаружили газовое облако, дав ему несложное название G2, которое испускает необычные свет. Такое свечение может давать трение в газе и пыли, вызываемое действием чёрной дыры Стрельца А* и которые вращаются вокруг нее в виде аккреционного диска. Таким образом, мы становимся наблюдателями удивительного явления поглощения сверхмассивной чёрной дырой газового облака.

По последним исследованиям наибольшее сближение с черной дырой произойдет в марте 2014 года. Мы можем воссоздать картину того, как будет происходит это захватывающее зрелище.

1. При первом появлении в данных газовое облако напоминает огромный шар из газа и пыли.

2. Сейчас по состоянию на июнь 2013 года облако находится в десятках миллиардов километров от чёрной дыры. Оно падает в неё со скоростью 2500 км/с.

3. Ожидается, что облако пройдет мимо чёрной дыры, но приливные силы, вызванные различием в притяжении, действующем на передний и задний край облака, заставят его принимать всё более вытянутую форму.

4. После того, как облако будет разорвано, большая его часть, скорее всего, вольется в аккреционный диск вокруг Стрельца А*, порождая в нём ударные волны. Температура при этом подскочит до нескольких миллионов градусов.

5. Часть облака упадёт прямо в чёрную дыру. Никто не знает в точности, что случится потом с этим веществом, но ожидается, что в процессе падения оно будет испускать мощные потоки рентгеновских лучей, и больше его никто не увидит.

Видео: чёрная дыра поглощает газовое облако

(Компьютерное моделирование того, как большая часть газового облака G2 будет разрушено и поглощено чёрной дырой Стрельцом А*)

Что там внутри чёрной дыры

Есть теория, которая утверждает, что чёрная дыра внутри практически пуста, а вся её масса сосредоточена в невероятно маленькой точке, находящейся в самом её центре - сингулярности.

Согласно другой теории, существующей на протяжении полувека, всё, что попадает в чёрную дыру, переходит в другую вселенную, находящуюся в самой чёрной дыре. Сейчас это теория не является основной.

И есть третья, самая современная и живучая теория, по которой всё, что попадает в чёрную дыру, растворяется в колебаниях струн на её поверхности, которую обозначают, как горизонт событий.

Так что же такое - горизонт событий? Внутрь чёрной дыры заглянуть нельзя даже сверхмощным телескопом, так как даже свет, попадая внутрь гигантской космической воронки, не имеет шансов вынырнуть назад. Всё, что можно хоть как-то рассмотреть, находится в её ближайших окрестностях.

Горизонт событий - это условная линия поверхности, из под которой ничто (ни газ, ни пыль, ни звезды, ни свет) выйти уже не сможет. И вот это и есть та самая таинственная точка невозврата в чёрных дырах Вселенной.