Черная дыра
Черная дыра
Одни из самых жутких но интересных вещей в космическом пространстве
Вам вероятно встречались, эти загадочные изображения, газовых облаков и галактик, похожие на чьи то ладони, пылающие черепа, или всевидящее око Владыки Саурона. Но все это лишь случаи парейдолии - человеческой склонности видеть вещи такими, какими они не являются.
И действительно одни из самых жутких но интересных вещей в космическом пространстве - это события и явления, которые мы просто не понимаем. Вещи, которые столь загадочны и разнообразны, которые выбивают нас из реальности окутывая своей таинственностью.
Давайте исследуем эти и другие интересные явления, в нашем списке жутких космических явлений.
Пару слов о чёрных дырах
Увидел здесь несколько постов на тему чёрных дыр, но мне показалось, что некоторые моменты были не очень хорошо или сумбурно объяснены, поэтому хочу немного дополнить.
Здесь уже много постов на эту тему, поэтому не буду расписывать численные характеристики чёрных дыр или какие они бывают, а скажу пару слов о том, что из себя представляют эти объекты.
Гравитация.
Объекты, у которых есть масса, не притягиваются друг к другу как магниты. Масса объекта искривляет пространство-время вокруг него, образуя гравитационный колодец (яму). Чем больше масса, тем "глубже" этот колодец. Любой другой объект с меньшей массой, который оказался рядом, начинает туда "падать".
Стоит однако отметить, что на самом деле никакого колодца или ямы в пространстве нет. Просто масса изменяет геометрию пространства таким образом, что другие тела, которые находятся в этом пространстве, устремляются к массивному объекту.
Условный пример: представьте что вы идёте по тоннелю в скале, и этот тоннель начал сворачивать в сторону. Вы тоже пойдёте в эту сторону, т.к. ваша траектория движения зависит от геометрии тоннеля, в котором вы двигаетесь, и если этот тоннель искривляется, то у вас нет другого выбора кроме как двигаться в соответствие с этим искривлением.
Однако условный образ гравитационной ямы удобен для дальнейшего описания, поэтому я буду его использовать.
В разных видеороликах и на картинках гравитационную яму изображают в виде впадины на куске ткани или на какой-нибудь плоскости, но это 2-мерная проекция.
А как представить эту впадину в 3-мерном пространстве?
Представьте себе шар, который со всех сторон окружён стрелками, указывающими прямо в его центр. Стрелки обозначают направления падения в гравитационную яму, а центр шара — это её дно. Я не нашёл подобных картинок, но вот есть нечто похожее. Просто замените круг на этой гифке на сферу.
Когда мы подбрасываем камень на Земле, то мы как-бы пытаемся выбросить его из гравитационной ямы, образованной массой нашей планеты, но наших усилий недостаточно и камень падает обратно вниз. Но если мы подбросим камень достаточно сильно (т.е. сообщим ему достаточное количество энергии), то он сможет выбраться из гравитационной ямы Земли и окажется на её орбите.
Такая скорость, при достижении которой объект может выйти на орбиту космического тела, называется 1я космическая скорость (запомнили).
Скорость света.
Как мы знаем, скорость света в вакууме является максимально возможной (запомнили). Пока оставим вопрос "А почему именно 300.000 км/c?", т.к. это ведёт нас к другому вопросу "А почему физические величины в нашей вселенной именно такие?".
Почему скорость света максимальная? Потому что при её достижении течение времени останавливается и само понятие скорости не имеет смысла, т.к. скорость это расстояние за время.
Горизонт событий.
У чёрной дыры есть штука под названием горизонт событий. Это граница, при пересечении которой объект падает в гравитационную яму чёрной дыры и уже не сможет из неё выбраться (запомнили), даже если это будет безмассовый фотон.
Кстати, а почему фотоны, у которых нет массы, тоже попадают в чёрную дыру и не могут её покинуть? Тут фишка в искривлении пространства-времени внутри дыры. С точки зрения самого фотона он всегда движется прямолинейно. Однако фотон, как и любая другая частица, существует в каком-то пространстве-времени (в нашей вселенной), и у этого пространства-времени есть какая-то метрика, от которой зависит всё содержимое этого пространства (пример с тоннелем).
Соответственно, если геометрия пространства-времени искривляется, то и траектория движения фотона искривляется (наглядный пример: гравитационные линзы), хотя сам фотон об этом никогда не узнает (насколько я знаю, то в принципе невозможно изнутри искривлённого пространства-времени определить, что мы в нём находимся).
Попадая за горизонт событий, фотон уже не сможет покинуть чёрную дыру из-за экстремального искривления пространства-времени, кривизна которого стремится к бесконечности.
Теперь мы можем дать 2 определения чёрной дыры, которые будут нам понятны:
— Чёрная дыра это объект, для которого 1я космическая скорость превышает скорость света.
а также
— Чёрная дыра это область пространства-времени, отделённая от остальной части наблюдаемой вселенной горизонтом событий.
И на последок: излучение Хокинга.
Существует гипотеза о том, что чёрные дыры не будут существовать вечно, а очень медленно теряют массу (испаряются) за счёт излучения. Тут стоит упомянуть, что Хокинг был не единственный, кто об этом задумался. Об этом говорили в СССР физики В.Грибов, Я.Зельдович и А.Старобинский, а также израильский физик Я.Бекенштейн.
Механизм излучения Хокинга в двух словах:
В квантовой теории поля физический вакуум не пустой. Он заполнен полями, в нём происходят квантовые флуктуации и постоянно рождаются виртуальные частицы, с участием которых происходят все фундаментальные взаимодействия. Эти частицы не могут улететь на бесконечность, а должны поглотиться другими частицами или проаннигилировать друг с другом.
Вблизи горизонта событий чёрной дыры могут рождаться пары частица-античастица, и одна из частиц может пересечь горизонт событий и оказаться внутри дыры. В этом случае вторая частица из пары "улетит" от чёрной дыры, унося с собой часть энергии, а значит и массы.
Чем больше размер чёрной дыры, тем медленнее она испаряется. Предполагается, что в самом конце процесса испарения чёрная дыра должна взрываться.
На данный момент все известные чёрные дыры слишком велики и их температура слишком мала для измерения излучения Хокинга, поэтому оно пока ещё остаётся гипотезой.
Если у кого есть что добавить или исправить ошибки, то я только за.
Размер черных дыр
UPD. Оригинал
Чёрные дыры и их поведение в пространстве
Вчера меня пробило на астрофизику, я в комментариях под каким-то постом рассказал про нейтронные звёзды и гравитационные линзы. Пикабушникам понравилось, от них поступил запрос на пост про чёрные дыры, так что приступим.
Чёрная дыра — объект весьма популярный, у всех на слуху. Но что это вообще такое? Это область в космосе, в которой сила притяжения настолько велика, что засасывает всё подряд, даже свет. На самом деле, точного определения нет, а это лишь одно из наиболее понятных. Теоретическое обоснование существования подобных объектов в космосе было получено в первой четверти ХХ в. из точного решения уравнений Эйнштейна по общей теории относительности.
Своё название чёрная дыра получила довольно-таки случайно: автор термина неизвестен, говорят, это была журналистка Энн Юинг, но потом в 1967 году американский теорфизик Джон Уилер на публичной лекции применил словосочетание "чёрная дыра", и оно прижилось благодаря тому, что удобное. Дыра — потому что, если что-то туда попало, то не может выбраться назад. А черная — потому, что сам по себе этот объект ничего или практически ничего не излучает. До принятия такого названия в ходу были «сколлапсировавшие звёзды» и «застывшие звёзды» — указание на происхождение чёрных дыр, но об этом чуть позже.
Чёрная дыра не была бы дырой, если бы у неё не было границы — горизонта событий. Всё, что его пересекает, обречено свалиться во вселенскую дырку. А до горизонта можно наблюдать очень красивую и, пожалуй, жуткую картину — аккреционный диск. Это газовый диск, который образуется вокруг компактных звездных остатков (белых карликов, нейтронных звезд и главных героинь этого поста). Этот диск представляет собой размазанный вселенский паштет из разорванных в клочья планет и звёзд, к которому примешаны случайно пролетавшие рядом более мелкие объекты или свет.
Что делать, если ты попал в чёрную дыру? Если ты это сделал, то ты, скорее всего, обладаешь кучей свободного времени и бесконечным терпением, поэтому можешь просто подождать. Горизонт событий лучится энергией. Благодаря квантовым эффектам, на нем возникают потоки горячих частиц, излучаемых во Вселенную. Это явление называется излучением Хокинга - в честь описавшего его британского физика-теоретика Стивена Хокинга. Несмотря на то, что материя не может вырваться за пределы горизонта событий, черная дыра, тем не менее, "испаряется" - со временем она окончательно потеряет свою массу и исчезнет, в процессе исторгнет тебя по частям. И если ты достаточно терпеливый и удачливый (а без этого ты бы в ЧД не попал), то когда-нибудь соберёшься обратно.
В детской книге того же Хокинга "Джордж и тайны вселенной" как раз описан механизм излучения и процесс вызволения с его помощью человека из чёрной дыры.
Откуда чёрные дыры берутся? Тут есть разные теории, из наиболее распространённых - та, что сверхмассивные звёзды от собственной тяжести сжимаются, самохаваются и становятся такими же тяжёлыми, но уже не такими толстыми. Есть также теория, что некоторые ЧД появились сами собой на заре вселенной, постепенно откармливаясь на бесплатных звёздных харчах.
Вернёмся к аккреционному диску. Этот паштет очень горячий и светится, что позволяет его сфотографировать, в чём преуспело NASA несколько лет назад:
Кроме того, вокруг аккреционного диска можно построить сферу Дайсона -- гипотетический астроинженерный объект, представляющий собой относительно тонкую сферу достаточно большого радиуса, чтобы покрыть планету, звезду или чёрную дыру, и вытягивать из неё энергию. Ну или не из самой ЧД, а тепло аккреционного диска. Если удастся когда-нибудь что-то такое построить, то получится неплохой такой реактор для галактической цивилизации.
На этом, пожалуй, всё. Чукча не писатель-астрофизик, а читатель-погромист, пост первый, фотографии сделаны на тапок найдены в поисковике, баянометр ругался на фотку чёрной дыры, инфа набрана по ссылкам ниже, так что судите как хотите, хоть нестрого. Всем спасибо!
https://spacegid.com/akkretsionnyiy-disk.html
https://ru.wikipedia.org/wiki/Сфера_Дайсона
https://trends.rbc.ru/trends/futurology/60741be59a7947054749...
https://www.bbc.com/russian/science/2015/07/150706_vert_ear_...
https://techno.nv.ua/popscience/kak-obrazuetsya-chernaya-dyr...
У астрономов появился новый способ измерения массы сверхмассивных черных дыр
Даже самые сверхмассивные из сверхмассивных черных дыр не очень велики, что чрезвычайно затрудняет измерение их размеров. Однако недавно астрономы разработали новую методику, которая позволяет оценить массу черной дыры на основе движения горячего газа вокруг них - даже если сама черная дыра меньше одного пикселя.
Сверхмассивные черные дыры окружены тоннами перегретой плазмы. Эта плазма закручивается вокруг, образуя тор и аккреционный диск, материал которых постоянно подает в черную дыру. Из-за чрезвычайной силы тяжести этот газ движется невероятно быстро и ярко светится. Это тот свет, который мы идентифицируем как квазар, который можно увидеть со всех концов Вселенной.
Хотя квазары относительно легко обнаружить, гораздо сложнее количественно оценить свойства центральной черной дыры. Феликс Боско в тесном сотрудничестве с колегами впервые удалось продемонстрировать возможность прямого определения массы квазара с помощью метода, называемого спектроастрометрией.
Спектроастрометрия основана на наблюдении за областью вокруг черной дыры. Когда газ закручивается вокруг нее, часть его будет двигаться в нашем направлении, а часть - в обратном направлении. Часть газа, движущаяся к нам, будет окрашена в синий цвет, а часть, которая удаляется, станет более красной. Даже если центральная черная дыра и аккреционный диск слишком малы для разрешения, эту технику все же можно применить к более далеким регионам, и с помощью моделирования исследователи могут оценить массу.
"Разделяя спектральную и пространственную информацию в собранном свете, а также статистически моделируя измеренные данные, мы можем получить расстояния из размера намного менее одного пикселя от центра аккреционного диска", - объяснил Боско.
Команда успешно применила этот метод к J2123-0050, квазару, активному, когда Вселенной было всего 2,9 миллиарда лет. Они обнаружили, что центральная черная дыра весила 1,8 миллиарда солнечных масс. Однако для того, чтобы вывести эту технику на новый уровень и нацелиться на самые ранние квазары, потребуется несколько новых телескопов.
Джо Хеннави добавляет: "Благодаря значительно возросшей чувствительности Космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) и Чрезвычайно Большого телескопа (ELT, с диаметром основного зеркала 39 метров), который в настоящее время строится, мы скоро сможем определять массы квазаров с максимальными красными смещениями". Йорг-Уве Потт, который также возглавляет гейдельбергский проект ELT, MICADO, добавляет: "Опубликованное сейчас технико-экономическое обоснование поможет нам определить и подготовить наши запланированные исследовательские программы ELT".
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=...
Поиграем в бизнесменов?
Одна вакансия, два кандидата. Сможете выбрать лучшего? И так пять раз.