Большинство людей знают, что черные дыры немного пугающие. Конечно, это правда, но черные дыры — это гораздо больше. Они действительно завораживающие чудеса, начиная от того, как они формируются, их многочисленных типов и даже от того, как они умирают. Каждый аспект черных дыр ошеломляет, если вы знаете правду о них.
Что такое черные дыры?
Черные дыры очень сложны, но давайте начнем с основ — что они делают, откуда они берутся и где их можно найти. Но прежде чем что-либо из этого, я хочу развеять определенный миф о черных дырах, который, возможно, увековечили популярные СМИ (ты знаешь, что ты сделал, Интерстеллар).
Черные дыры Червоточины. Они не телепортируют вас в другое измерение. Они не позволяют вам путешествовать во времени. Они даже не отправляют вас в другую точку пространства. Это просто большие массы с такой большой гравитацией, что они притягивают все вокруг себя, как большой космический монстр, который существует только для того, чтобы питаться, а не как магические врата в другое место.
Конечно, мы не знаем этого наверняка, поскольку никто никогда лично не погружался в черную дыру, но что касается нашего теоретического понимания черных дыр, это верно.
Хорошо, теперь, когда мы разобрались с этим — черная дыра — это область пространства, где гравитация настолько сильна, что ни один известный объект не может избежать ее притяжения за пределами определенной точки, даже свет. Вот почему они изначально кажутся черными. На самом деле вы вообще не можете увидеть черную дыру, вы можете только видеть, как материя вокруг нее втягивается в нее. В конце концов, если свет от самой черной дыры не достигает наших глаз, мы на самом деле не можем ее увидеть.
Сильная гравитация черной дыры загоняет материю в невероятно маленькое (относительно говоря) пространство, поэтому они невероятно плотные. Например, в центре галактики Млечный Путь находится сверхмассивная черная дыра под названием Стрелец А* (также известная как Звезда Стрельца А), масса которой в четыре миллиона раз больше массы нашего Солнца. Вы можете подумать, что такие черные дыры редки, но, по оценкам, только в Млечном Пути может быть более ста миллионов черных дыр, хотя не все они сверхмассивны. Подробнее об этом позже.
Черные дыры можно найти по всей Вселенной, потому что они образованы веществами, которые также встречаются почти везде — звездами и газами. Черные дыры могут образовываться двумя способами. Первый способ происходит, когда умирает звезда достаточной массы. Обычно это сверхмассивная звезда с массой, по крайней мере, в три раза больше массы нашего Солнца. Когда эти звезды вырабатывают топливо, они взрываются сверхновой, оставляя после себя невероятно плотную массу, черную дыру звездной массы.
Все звезды в конце концов умирают, но те, у которых недостаточно массы, чтобы создать черную дыру, когда они умирают, часто оставляют после себя белый карлик или нейтронную звезду. Второй способ образования черной дыры — прямой коллапс, хотя это произошло только в далеком прошлом, когда Вселенная только формировалась. Прямой коллапс довольно сложен и был возможен только в один определенный период времени в жизни нашей Вселенной, около 100-250 миллионов лет.
Суть в том, что в космосе были большие облака водорода и гелия, купающиеся в ультрафиолетовом излучении, которые темная материя сжимала в плотный объект. Обычно такое облако охлаждалось бы и фрагментировалось, в конечном итоге образуя звезды. Однако присутствие всего этого ультрафиолетового излучения препятствует этому, и газ продолжает сжиматься, не фрагментируясь, что создает идеальные условия для сверхмассивной черной дыры, такой как Стрелец A*.
Тем не менее, условия для прямого коллапса черных дыр давно прошли, поэтому этот метод формирования сегодня невозможен, насколько известно человеческой науке. Сегодня черные дыры образуются различными другими способами, включая смерть звезд и слияние компактных звездных остатков. Несмотря на ограниченный набор источников, в нашей Вселенной все еще существует несколько различных типов черных дыр.
Типы черных дыр
Существует множество различных типов черных дыр: звездные, сверхмассивные, промежуточные и двойные. Технически, есть еще один тип, известный как первичные черные дыры, но это теоретические черные дыры, образовавшиеся в ранние дни Вселенной. Эти черные дыры являются гипотетическими, и технически нет никаких конкретных доказательств их существования, поэтому сейчас мы сосредоточимся на черных дырах, о существовании которых мы знаем.
Звездные черные дыры
Звездные черные дыры образуются, когда умирает звезда значительной массы. Когда у звезды заканчивается топливо, она коллапсирует сама в себя. Если массы недостаточно, то, скорее всего, останется белый карлик или нейтронная звезда. Но если массы достаточно, коллапс продолжит сжиматься в очень маленькую точку (называемую сингулярностью), создавая звездную черную дыру.
Эти черные дыры, как правило, меньше других типов, но также невероятно плотные. Например, звездная черная дыра могла бы вместить массу, в несколько раз превышающую массу нашего Солнца, в область размером с город на Земле. Это, в свою очередь, создает тонну гравитационной силы, притягивая другие близлежащие объекты, такие как пыль и газ из окружающей галактики. Это позволяет звездным черным дырам расти до размеров, намного превышающих массу исходной звезды, из которой они образовались.
Сверхмассивные черные дыры
Сверхмассивные черные дыры являются крупнейшими из всех типов. По оценкам, их масса в миллионы или миллиарды раз больше массы нашего Солнца, хотя некоторые из них меньше — некоторые сверхмассивные черные дыры имеют диаметр менее половины диаметра Солнца. Считается, что сверхмассивная черная дыра находится в центре почти каждой известной галактики. Так же, как и звездные черные дыры, этот тип может продолжать расти до еще больших размеров, поглощая материю из галактики вокруг себя.
Ученые не совсем уверены, как образуются сверхмассивные черные дыры, но у них есть несколько теорий. Возможно, сотни или тысячи более мелких черных дыр сливаются в сверхмассивную. Скопления темной материи могут быть ответственны. Возможно, коллапс целого звездного скопления может создать сверхмассивную черную дыру. Популярная теория заключается в том, что сверхмассивные черные дыры могут быть результатом прямого коллапса на ранних стадиях развития Вселенной.
Хотя мы не знаем подробностей их формирования, факт остается фактом: сверхмассивные черные дыры являются самыми большими из всех по массе.
Черные дыры средней массы
Долгое время люди считали, что черные дыры бывают только двух размеров — очень маленькие и чрезвычайно большие. Но в последние годы ученые открыли промежуточную модель — промежуточные черные дыры. Честно говоря, в этих черных дырах нет ничего особенного. Они не такие маленькие, как звездные черные дыры, и не такие большие, как сверхмассивные черные дыры, и это все.
Тем не менее, нам еще многое предстоит узнать о промежуточных черных дырах, поскольку происхождение их формирования может привести человечество к новому пониманию того, как все работает во Вселенной. Если эти черные дыры являются первичными по своей природе, они могли бы рассказать нам многое о ранних днях Вселенной. Если у них есть другие способы формирования, такие как последовательные слияния черных дыр или белых карликов, мы могли бы узнать что-то новое и из этого.
В настоящее время предпочтительная гипотеза заключается в том, что промежуточные черные дыры образуются, когда несколько звезд в скоплении сталкиваются и создают цепную реакцию, и их объединенная масса создает новую черную дыру, которая больше обычной звездной черной дыры, но не такая большая, как сверхмассивная. Также предполагается, что они существуют в центре карликовых галактик, которые меньше обычных. Однако на данный момент мы не знаем наверняка, как они образуются.
Двойные черные дыры
Система двойной черной дыры — это когда две черные дыры находятся в процессе слияния, поэтому они вращаются вокруг друг друга по постепенно уменьшающейся орбите. Они обе могут вращаться в одном направлении или в противоположных направлениях. В конце концов, эти две черные дыры сольются, но для этого может потребоваться очень много времени. За исключением их близкого расположения друг к другу, в этих черных дырах нет ничего уникального, которые обычно представляют собой просто два звездных типа. Однако они производят невероятно интенсивные гравитационные волны, которые астрономы теперь могут измерить.
Как выглядят черные дыры?
Хотя невозможно «увидеть» черную дыру глазами, ученые смогли определить, как они выглядят, считывая излучение черных дыр, когда они притягивают массу вокруг себя. Иногда этот материал может блокировать излучение и затруднять наблюдение за тем, как выглядит черная дыра, что часто случается со сверхмассивными черными дырами. В любом случае, человечество имеет довольно хорошее представление о том, как выглядят черные дыры.
Для начала, есть три слоя: внешний и внутренний горизонт событий и сама сингулярность. Горизонт событий — это точка, где гравитация становится настолько сильной, что, если частица ее пересечет, она не сможет вырваться. Сама черная дыра, точка в пространстве-времени, где находится ее масса, и есть сингулярность. Иногда материя может выбрасываться из горизонта событий и выбрасываться в космос со скоростью, близкой к скорости света, создавая яркие струи энергии.
Итак, давайте разберем, как все это выглядит, и сами части. Для начала, сингулярность не видна. Это самый центр черной дыры, за горизонтом событий, откуда не может вырваться никакой свет. Сам горизонт событий на самом деле является «черной» частью черной дыры — большим сферическим объектом, который вы представляете, когда думаете о черной дыре. Сразу за горизонтом событий находится кольцо света, называемое фотонной сферой.
Фотоны испускаются горячей плазмой из струй или аккреционного диска вокруг черной дыры. Обычно они движутся по прямой, но сильная гравитация сингулярности изгибает их вокруг себя, создавая яркое кольцо. За пределами этого находится аккреционный диск, представляющий собой огромную закрученную массу всей пыли, газа и другой материи, которую черная дыра втягивает в себя. Эта материя ускоряется до скорости, близкой к скорости света, заставляя ее испускать энергию, которую мы можем обнаружить и «увидеть».
Наконец, есть релятивистские струи. Это огромные пучки частиц и излучения, испускаемые полюсами черной дыры, когда материя выбрасывается из горизонта событий и выстреливается в космос. Релятивистские струи массивны и могут растягиваться на тысячи световых лет или даже сотни тысяч световых лет.
В конечном счете, наше понимание того, как выглядят черные дыры, сформировано почти полностью инструментами, а наше фактическое визуальное понимание их ограничено несколькими изображениями, сделанными в течение последнего десятилетия, все из которых довольно размыты. Вероятно, пройдет некоторое время, прежде чем человечество сможет ясно увидеть собственными глазами, как выглядит черная дыра.
Черные дыры невероятно загадочны, и хотя мы знаем о них много, всегда есть новые открытия, которые можно сделать об этих далеких утробах и их ненасытном космическом голоде. К сожалению, они все слишком далеки, чтобы когда-либо исследовать их вблизи, поэтому наши исследования ограничены измерениями с помощью инструментов, которые у нас есть здесь, на Земле. Тем не менее, нет никаких сомнений, что в будущем мы откроем еще больше удивительных вещей о черных дырах.
