up
Тайны Вселенной
Jadaha от 25-06-2014, 21:54
Черны ли черные дыры
Вернуться на главную
1 993 просмотров
0 комментариев

черные дыры

Это самые загадочные объекты во Вселенной; их нельзя увидеть, и мы не знаем, что происходит в их глубинах. Мы решили разобраться, почему теперь утверждают, что черные дыры не такие ненасытные твари, как мы привыкли о них думать.

Когда-то считалось, что из черных дыр невозможно вырваться. Даже свет не в силах их покинуть, что и служит причиной «черноты». Потом явился Стивен Хокинг (Stephen Hawking) и поразил весь физический мир, показав, что пространство вокруг черной дыры испускает кванты света и другие субатомные частицы.

А в этом году кембриджский физик взорвал еще одну бомбу - заявил, что материя всё же может утекать из черных дыр. Если он прав, то черные дыры совсем не такие, как о них думают. В строгом смысле их может вовсе не существовать.

Один из способов образования черных дыр связан с массивными звездами, в ядрах которых исчерпывается ядерное топливо. При недостатке тепла, противостоящего гравитации, стремящейся сжать звезду, ядро испытывает катастрофический коллапс в сингулярность, имеющую точечные размеры. Сингулярность скрыта так называемым горизонтом событий, воображаемой сферической поверхностью, на которой лежат точки невозврата для падающего вещества. Существование такого горизонта выведено в 1916 году Карлом Шварцшильдом (Karl Schwarzschild) из едва только появившейся теории гравитации Эйнштейна. Первая черная дыра, Лебедь Х-1, была открыта в 1971 году орбитальной рентгеновской обсерваторией «Ухуру». Сейчас в Млечном Пути обнаружено около десятка черных дыр, хотя считается, что их должно быть миллионы.

Однако помимо черных дыр звездных масс природа может похвастаться и другой, куда более впечатляющей разновидностью. Первый намек на ее существование был получен в 1963 году, когда голландско-американский астроном Мартин Шмидт (Maarten Schmidt) открыл квазары. Типичный квазар выделяет энергию сотен обычных галактик и занимает объем меньше Солнечной системы. Единственный правдоподобный источник их поразительного энерговыделения — вещество, светящееся от разогрева, когда его затягивает в черную дыру. Но это не обычная черная дыра звездной массы, квазар может содержать до 30 млрд масс Солнца.

Первоначально такие сверхмассивные черные дыры считались источниками энергии лишь 1% так называемых активных галактик. Но, ко всеобщему удивлению, оказалось, что дремлющие сверхмассивные черные дыры есть в ядрах практически всех нынешних галактик. Млечный Путь, например, содержит скромный экземпляр массой всего 4,3 млн солнц, известный как Стрелец А*.

НЕЧТО ИЗ НИЧЕГО

В 1974 году Хокинг обнаружил, что черные дыры не только обеспечивают энергией мощнейшие источники излучения во Вселенной, но и представляют собой уникальное окно в физику самых экстремальных состояний. Квантовая теория наилучшим образом описывает микроскопический мир атомов и их составляющих, позволяя субмикроскопическим частицам и их античастицам возникать буквально из ничего при условии, что такая пара за малую долю секунды аннигилирует. Хокинг нашел, что у самого горизонта, с внешней его стороны, одна частица может упасть в черную дыру, тогда как другая останется за ее пределами. Оставшейся частице не с чем будет аннигилировать, и она продолжит свое существование. Вот такие частицы, уходящие от горизонта во все стороны, и составляют хокинговское излучение.

Энергия, необходимая для создания этих частиц, должна откуда-то черпаться. На нее тратится гравитационная энергия черной дыры, из-за чего последняя уменьшается и в конце концов полностью исчезает. Это создает серьезную проблему, поскольку ключевой принцип физики состоит в том, что информация не может создаваться или уничтожаться. Если черная дыра в итоге исчезает, то куда девается информация, описывающая звезду, которая первоначально эту черную дыру породила? В последние годы физики пришли к выводу, что хокинговское излучение «модулировано», подобно тому как несущая волна радиостанции модулирована человеческим голосом, и постепенно информация о звезде возвращается во Вселенную.

Температура черной дыры солнечной массы составляет всего 50 миллиардных градуса Кельвина. Хокинговские кванты почти всю свою энергию теряют в борьбе с колоссальным гравитационным полем. Но если спуститься пониже и зависнуть над горизонтом событий, то обнаружится, что чем к нему ближе, тем температура выше. Для медленно спускающегося наблюдателя горизонт событий выглядит непреодолимой «огненной стеной».

Но стоит только перестать сопротивляться гравитации и начать свободно падать в черную дыру, как всё волшебно меняется: «огненная стена» исчезает и пропускает вас сквозь горизонт. Так, во всяком случае, должно быть согласно общей теории относительности: ее основополагающий принцип эквивалентности гласит, что свободное падение в гравитационном поле неотличимо от движения по инерции в пустом пространстве.

черные дыры

 
РАСПУТЫВАНИЕ ЧЕРНЫХ ДЫР

Так считалось до 2012 года, когда Джозеф Полчински (Joseph Polchinski) с коллегами из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) проанализировал хокинговское излучение с учетом квантово-механической запутанности. По их выкладкам, «огненная стена» должна встретиться и свободно падающему наблюдателю. Но это прямо противоречит принципу эквивалентности.

Попыткам разрешить этот парадокс посвящено около полусотни научных работ. Не остался в стороне и Стивен Хокинг. Он отметил, что коллапс в черную дыру такого объекта, как звезда, — процесс крайне беспорядочный. Существующая теория доказывает, что после коллапса снаружи от горизонта не остается следов этого хаоса, но внутри горизонта и на нем самом может оставаться чрезвычайно сильная пространственно-временная турбулентность, сохраняющая всю информацию о том, что было до коллапса. И благодаря квантовым явлениям на горизонте эта информация может просачиваться наружу. В таком случае формального противоречия с общей теорией относительности не возникает.

Фактически Хокинг утверждает, что у черных дыр нет горизонта событий, а есть лишь «видимый горизонт», сквозь который «просвечивает» внутренний пространственно-временной хаос. «Отсутствие горизонта событий означает, что не существует черных дыр, то есть таких условий, которые не допускали бы ухода света на бесконечность, — объясняет он. — Есть, однако, видимые горизонты, которые держатся на протяжении определенного времени». Это «определенное время» может быть очень велико, но поскольку это всё же не вечность, информация, упавшая в такую черную дыру, не исчезает из нашей Вселенной.

Впрочем, полного успокоения среди физиков статья Хокинга не вызвала. «Если воспринимать слова его статьи буквально, то создается впечатление, что да, "огненную стену” он заменяет стеной хаоса, — поясняет Полчински. — Но я сомневаюсь, что он имел в виду именно это». Проблема, по словам Полчински, в том, что «статья Хокинга короткая и содержит мало подробностей, так что не вполне ясно, какова в точности его картина и чем он ее обосновывает».

Так остается ли горизонт вокруг черной дыры точкой невозврата для всякого, кто в нее сунется? Или, по Хокингу, это лишь видимый горизонт, допускающий утечку материи изнутри черной дыры? Дискуссии на эту тему продолжаются. Ведь противоречия между квантовой механикой и теорией гравитации остаются передним краем фундаментальной физики. И скорого ответа тут ждать не приходится — предыдущий подобный парадокс потребовал для своего решения около четверти века.

Тем временем радиоастрономы готовятся впервые построить такое изображение черной дыры Стрелец А* в центре нашей Галактики, на котором можно будет рассмотреть детали, сравнимые по размерам с горизонтом. Кто знает, быть может, наблюдения, как это не раз бывало в прошлом, принесут какой-то новый поворот в теоретические дискуссии. 

ТИПЫ ЧЕРНЫХ ДЫР

Черные дыры звездных масс
Образуются при неограниченном гравитационном коллапсе массивных звезд, достигших конца своей жизни и не имеющих больше топлива, чтобы отсрочить катастрофу. Их масса - от трех до нескольких десятков масс Солнца.

Сверхмассивные черные дыры
Могут достигать 30 млрд масс Солнца и находятся в центрах галактик. По одной из версий, они образуются так: плотное звездное скопление коллапсирует под действием своей гравитации и образует черную дыру, которая потом растет, дополнительно затягивая материю.

Черные дыры промежуточных масс
Это гипотетический класс черных дыр с массами в диапазоне от сотен до тысяч солнечных. Возможным свидетельством их существования являются ультраяркие рентгеновские источники. Они могут возникать при слиянии черных дыр звездных масс.

Первичные черные дыры
Большой взрыв мог породить первичные черные дыры. На этапе перехода от кварковой материи к адронной (возраст Вселенной около миллионной доли секунды) могли возникать черные дыры массой с Юпитер и размером с холодильник.

Новости по теме:
Поиск по сайту:
Тайное и неизведанное, загадки истории
Рейтинг@Mail.ru
© 2013-2017 Все права защищены