Чёрные дыры: возникновение и эволюция

Более того, со временем газ  и пыль вокруг черной дыры (ну, довольно далеко, но все-таки вблизи от центра галактики) превращаются в звезды. Газу попасть в чёрную дыру намного легче, чем звезде — при лобовом столкновении два газовых облака останавливаются относительно чёрной дыры, что облегчает их падение в неё; звёзды же слишком малы и слишком разрозненны, чтобы такое могло произойти. Так что в какой-то момент чёрная дыра прекращает поглощать материю, потому что в неё больше нечему падать. Она перестает расти, галактика становится стабильной, и все довольны.

На самом деле, глядя  во Вселенную, мы видим, что в центре почти каждой большой галактики  находится сверхмассивная черная дыра. Даже в ядре Млечного Пути находится  черная дыра размером в четыре миллиона солнечных масс. Но прежде чем вы начнете бегать кругами и кричать, помните:

• она очень далеко - на расстоянии 26000 световых лет (260 квадриллионов километров),
• ее масса все еще слишком мала по сравнению с массой нашей галактики в 200 миллиардов солнечных масс, и, наконец,
• она не может нам навредить.

Если только не начнет активно  питаться. Чего не происходит. Но когда-нибудь это может начаться, если что-нибудь упадет в нее. В любом случае, нам  не известно ничего, что может упасть туда в ближайшем будущем. Хотя, мы могли пропустить холодный газ.

 

Как бы то ни было, запомните: хотя черные дыры могут причинить  смерть и разрушения в огромных масштабах, но они также помогают формированию галактик! Так что мы обязаны им своим существованием.

 

10) Чёрные дыры могут иметь малую  плотность.

 

Из всех странностей чёрных дыр эта кажется мне самой странной.

Как вы можете ожидать, по мере роста массы черной дыры горизонт событий также увеличивается  в размерах. Потому что если добавить массы, то сила притяжения становится сильнее, что означает увеличение горизонта  событий.

Если вы внимательно проделаете вычисления, то обнаружите, что горизонт событий растет линейно относительно массы. Другими словами, если вы увеличите  вдвое массу черной дыры, то радиус горизонта событий увеличится также вдовое.

Это странно! Почему?

Объем сферы зависит от радиуса в кубе (вернемся обратно  в среднюю школу: объем = 4/3 * π * радиус в кубе). Увеличьте  радиус вдвое, и объем возрастет в 2 x 2 x 2 = 8 раз. Сделайте радиус сферы в 10 раз больше и объем увеличиться в 10 x 10 x 10 = 1000 раз.

Итак, объем увеличивается  действительно быстро по мере увеличения размера сферы.

Теперь вообразите, что  у вас есть две глиняные сферы одинакового размера. Смешайте их. Увеличится ли результирующая сфера вдвое? Нет! Вы увеличили массу вдвое, но радиус увеличился лишь не на много. Потому что объем соответствует радиусу в кубе, и чтобы увеличить радиус вашего финального шара из глины, вам нужно смешать вместе 8 шаров.

 

Но у черной дыры все  по-другому. Увеличение массы в несколько раз приводит к увеличению размера горизонта событий во столько же раз. Странный вывод...

Плотность - это количество массы умещающееся в заданном объёме. Оставьте размер прежним и  добавьте массу, и плотность возрастёт. Увеличьте объём, но оставьте массу  прежней, и плотность упадёт.

Давайте теперь посмотрим  на среднюю плотность вещества внутри горизонта событий чёрной дыры. Если мы возьмём две одинаковые чёрные дыры и столкну их, горизонт событий удвоится, и масса удвоится тоже. Но объём возрастёт в восемь раз! Поэтому плотность на самом деле уменьшится, и станет 1/4 от начальной (двойная масса и восьмикратный объём даёт нам 1/4 плотности). Продолжим делать это, и плотность будет уменьшаться.

 

Средняя чёрная дыра - такая, которая обладает тройной массой Солнца - имеет горизонт событий  с радиусом 9 километров. Это означает, что она обладает гигантской плотностью, около двух квадриллионов грамм  на кубический сантиметр (2x10^15). Но удвоим эту массу, и плотность упадёт в 4 раза. Возьмём 10-кратную массу, и плотность упадёт в 100 раз. Чёрная дыра с массой миллиарда солнечных (как те, которые мы видим в центрах галактик) сбросит плотность в 1x10^18. Это будет плотность приблизительно 1/1000 грамм на кубический сантиметр... и это плотность воздуха!

Черная дыра с массой в  миллиард солнечных будет иметь  горизонт событий радиусом в 3 миллиарда  километров - примерно равно расстоянию от Солнца до Нептуна.

Видите, к чему мы пришли? Если бы вы взяли солнечную систему  ограниченную орбитой Нептуна, заключили  её в гигантскую сферу, и наполнили  её воздухом, она могла бы быть чёрной дырой!

 

Впервые эта мысль пришла в голову Филу Плейту несколько лет назад на конференции в Стэнфорде, посвященной черным дырам. Это произошло, когда он прогуливался с известным специалистом в области черных дыр Роджером Блэндфордом. Быстро подсчитав кое-что в уме, чтобы убедиться, что числа правдоподобны,  он сообщил Роджеру, что Солнечная система, наполненная воздухом, была бы черной дырой. Тот на минутку задумался и сказал: "Да, похоже на правду".

 

***

Недавно ученые США нашли  в космосе черную дыру, по космическим  меркам, она еще в младенческом возрасте, ей всего 30 млн. лет, это дает ученым уникальный шанс на практике проверить главное качество черных дыр — возможность перемещаться во времени.

Еще Эйнштейном была выдвинута  гипотеза о том, что с их помощью  можно перемещаться в прошлое  и будущее. С помощью самого мощного  орбитального телескопа «Астрон» на земле ученые впервые смогут заглянуть  внутрь черной дыры, узнать ее строение и понять, куда она ведет. Над космическим  проектом еще начинали работать в  Советском союзе, но достроили обсерваторию только сейчас. Старт Астрона запланирован на 2012 год, возможно совсем скоро российские ученые сделают открытие, позволяющее  путешествовать во времени.

Во все времена люди мечтали создать машину времени, но для этого она должна была двигаться  быстрее скорости света, построить  сверхсветовой двигатель не удавалось  никому. До сих пор такая скорость непреодолима, даже для самой большой ракеты. Ученые Третьего рейха предполагали, что машину времени нужно искать на полюсах земли, по их версии Арктика и Антарктида могли быть воротами в другое пространство и время. Для научных исследований немцы даже построили в Антарктиде секретную базу.

 

Владимир Васильев, доктор экономических наук, главный  научный сотрудник Института  США и Канады РАН:

Они выдвинули  идею червячных переходов, согласно которой, черные дыры находятся в  непосредственной близости от нашей  планеты и принимают форму  червячных переходов.

Немецкие ученые ошиблись только в одном: искать машину времени  нужно было в космосе. О черных дырах еще в 1915 году говорил Альберт  Эйнштейн. Когда-то на месте черных дыр были гигантские звезды, они  были больше солнца в десятки раз, но постепенно эти звезды начали потухать и в какой-то момент сжались под  собственным весом до невероятных  размеров. Ученые подсчитали, если бы Земля  вдруг превратилась в черную дыру, ее радиус был бы 9 мм. У тела с  такой плотностью настолько большая  сила притяжения, что оно всасывает  в себя все, что попадается ему  на пути, даже свет не может вырваться  из черной дыры.

 

Сергей Попов, астрофизик, кандидат физико-математических наук:

Если вы из черной дыры попробуете посветить фонариком, то луч света не выйдет наружу, он завернется. Есть разные модели, которые  не противоречивы, но не имеют подтверждений. Они говорят о том, что черные дыры могут быть связаны с какими-то другими областями пространства и вещество может попадать куда-то дальше.

Расчеты показывают, что  пространство и время в глубине  черной дыры сильно искривляется, они  буквально заворачиваются в воронку  и меняются местами, другими словами, путешествие в пространстве становится путешествием во времени.

 

Михаил Менский, доктор физико-математических наук, главный  научный сотрудник Физического  института П.Н. Лебедева РАН:

В каком-то смысле там меняются местами пространство и время. Например, направление в будущее становится пространственным направлением — вправо, влево. А пространственное направление становится направлением в будущее.

Но, по словам ученых, использовать черные дыры как машины времени пока нельзя. Физики установили, что прежде чем путешественник достигнет зоны, где законы гравитационной физики только перестают действовать, черная дыра убьет его, человека попросту разорвет на молекулы. Но даже если бы путешественник не погиб, он все равно не смог бы вернуться на землю. Для того чтобы вырваться из этой машины времени нужно двигаться быстрее скорости света, а это пока невозможно.

 

Сергей Попов:

Пока мы думаем, что черная дыра — это локализованный объект, куда вещество попало и осталось в этой области.

Но ставить крест на машине времени ученые не спешат. Недавно  астрофизики сделали еще одно открытие. Кроме черных дыр в космосе  обнаружены кротовые норы и червоточины, они тоже могут переносить человека из прошлого в будущее. Внешне кротовые норы ничем не отличаются от черных дыр, но разница между ними огромная. Если из черной дыры обратной дороги нет, то у кротовой норы есть выход.

 

Николай Кардашев, астроном, директор Астрокосмического  центра ФИАН: 
Кротовые норы могут объединять между собой разные точки нашей вселенной, вероятно с их помощью будут возможны полеты в другие вселенные.

Кротовые норы до конца  не изучены, например не изучен, насколько  устойчив вход в червоточину. По словам специалистов тоннель может неожиданно закрываться и появляться в другом месте, в этом случае путешественник просто-напросто не найдет дорогу домой.

Но необходимо еще учесть и этические нормы, потому что  путешествие во времени может  принести вред. Сегодня ученые разрабатывают  парадоксы времени. Один из самых  известных — парадокс дедушки, он говорит о том, что вернувшись в прошлое, человек может очень  сильно изменить ход истории и  не всегда в хорошую сторону. Если путешественник во времени убьет  своего предка в прошлом, то в будущем  не будет и его.

 

Николай Кардашев:

Все хорошо проработанные  модели говорят о том, что эта  машина времени будет работать так, что прошлое не должно изменяться.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Заключение.

 

Черные дыры являются в некотором смысле и очень простыми объектами. Их свойства никак не зависят от свойств сколлапсировавшего вещества, от всех сложностей строения вещества, его атомной структуры, находящихся в нем физических полей, не зависят от того, было ли вещество водородом или железом и т. д. При образовании черной дыры для внешнего наблюдателя все свойства сколлапсировавшего тела как бы исчезают, они не влияют ни на границу черной дыры, ни на что другое во внешнем пространстве, остается только гравитационное поле, характеризуемое лишь двумя параметрами — массой и вращением. Этим определяются и форма черной дыры, и ее размеры, и все остальные ее свойства. Так что с полной определенностью можно сказать, что нет ничего проще черной дыры: человеческое тело, например, несравненно сложнее, — его двумя числами, как черную дыру, не охарактеризуешь.

 

По поводу такой удивительной простоты черных дыр американский физик  Кип Тори как-то воскликнул: “Представьте себе, что мы могли бы судить обо всех особенностях характера женщины только по ее весу и цвету волос!”

 

Но и нет ничего более  сложного, чем черная дыра, — ведь человеческое воображение даже не в  состоянии представить себе, до какой  степени происходит искривление  пространства и изменение течения  времени, что в них возникает  дыра. Изучение физики черных дыр позволяет  расширить наши познания о фундаментальных  свойствах пространства и времени. В окрестности черных дыр возникают, например, квантовые процессы, обнаруживающие сложнейшую структуру так называемого физического вакуума. Еще более мощные (катастрофически мощные) квантовые процессы происходят внутри самой черной дыры (в окрестности сингулярности). Экспериментальное открытие черных дыр в природе было бы чрезвычайно важным для естествознания. Мы смогли бы изучать новые законы, управляющие свойствами пространства и времени в сильных гравитационных полях, новые законы, управляющие движением материи в необычных условиях. Образно говоря, черные дыры — это дверь в новую, широчайшую область нашего познания физического мира.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  использованной литературы:

1. «Черные дыры и молодые вселенные» Стивен Хокинг, Амфора 2004; СПб; Перевод: М. Кононов.