Немного про Черные дыры [АСТРОФИЗИКА] [УЛЬТРАЛОНГ] [ДТФ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ]

Поговорим немного о черных дырах, как они образуются, какие бывают, что делают и зачем нужны.

В данной статье не будет формул, потому что:

1. Вы в них скорее всего не шарите;

2. Я в них тоже не особо шарю.

Поэтому обсудим только реально интересную мякотку!

Есть пространство-время, оно искривлено и описывается тензором Эйнштейна, и есть материя, которая описывается тензором энергии импульса.

Тензор — способ описывать физические величины так, чтобы их смысл не зависел от системы координат.

Условно, теория относительности существует в виде уравнения, части которого и являются тензорами. Но уравнений у нас не будет, просто запомним эту схему. Ключевая идея из уравнения относительности, которого у нас не будет, заключается в том, что материя диктует пространству, как искривляться, а пространство (и время) диктует материи, как двигаться. Это обоюдная зависимость. Как если бы шарик положить на ткань: ткань прогнется, но если где-то потянуть, то шарик будет по ней кататься (если жестко обобщить).

Причем, материя может быть любая: даже давление и свет способны искривлять пространство.

Также надо иметь в виду, что пространство и время способны искривляться и самостоятельно, поддерживать какие-то возмущения, рябь (гравитационные волны) и прочее.

Собственно, искривление пространства и времени без материи — случай с черными дырами, так как это чистое искривление пространства. Буквально прокол (дырка)в ткани времени и пространства.

Черная дыра является одним из самых загадочных объектов во вселенной, но одновременно и самым простым (No-hair theorem, если кому-то захочется узнать, что там за волосы у черной дыры). Ее харатектиризует только два параметра: масса и скорость вращения. Или вообще один, если она не вращается.

У вращающейся черной дыры также очень простая структура: она состоит из горизонта событий и эргосферы. Все, что находится внутри горизонта событий не может посылать никаких соверешенно сигналов наружу.

Эргосфера — это такой некий район пространства-времени вокруг черной дыры, который вовлечен в ее вращение. Будь у человеков ракета с бесконечной энергией, если мы залетим в эргосферу и попытаемся двигаться в противоположную сторону от вращения черной дыры, у нас ничего не получится. Любой объект, который туда попадает, даже будь у него своя траектория движения, вынужден двигаться по ходу вращения черной дыры.

Возвращаясь к основной теме, вы, возможно, зададитесь вопросом, как это в черной дыре нет материи? Особенно, если учитывать, что большинство черных дыр образуются путем гравитационного коллапса из существующих звезд. Ведь в звезде-то материя была!

Вкратце, можно сказать так: у чёрной дыры есть масса, потому что она искривляет пространство-время, но нет материи в привычном смысле — вся её внутренняя структура скрыта за горизонтом событий.

Под массой понимается энергия, а не вещество.

В рамках Общей теории относительности сейчас принято считать, что при гравитационном коллапсе материя продолжает сжиматься без остановки и в итоге оказывается в так называемой сингулярности — состоянии с формально бесконечной плотностью и нулевым объёмом.

Однако это не стоит понимать как реальный физический объект в привычном смысле: эти “бесконечности” возникают потому, что уравнения теории выходят за пределы своей применимости.

Иначе говоря, сингулярность — это не какое-то там доказанное существование конкретной точки (бублика) внутри черной дыры с бесконечными свойствами, а признак того, что используемая нами научная модель перестаёт работать и требует более глубокой, пока ещё не завершённой теории, например квантовой гравитации.

Мы вообще не знаем точка это или не точка, и ничего об этом толком не знаем, просто знаем, что там пространство, время и материя — ✨ВСЁ✨

Если совсем упростить для визуализации, то звезда сжимается сжимается пока не становится такой плотной и массивной, что "проваливается" сквозь ткань пространства и времени. Куда — мы не знаем, что там внутри — мы не знаем, мы видим только оставшуюся дыру впределах горизонта событий, и в дыре условно пусто.

Оригинал работы Кипа можно почитать тут. Данный рисунок описывает, что объект (человечек), который находится ДО горизонта еще может посылать сигналы наружу, но человечек, который находится ЗА горизонтом, уже не может. Также здесь упомянута сингулярность, одно из "свойств" которой — она всегда находится в будущем для объекта, который попал за горизонт. Все, что падает в черную дыру, встречается с сингулярностью, которая становится концом существования и времени.

Теория относительности (опять она! ) демонстрирует две очень важные штуки:

1. Время замедляется на быстродвижущихся объектах;

2. Время замедляется в гравитационных полях массивных тел.

То есть на солнце время будет медленне, чем на земле, а на поверхности нейтронной звезды время вообще замедлится примерно на 30% (согласно теоретическим расчетам). Даже на орбите земли время каааааааааапельку быстрее течет.

Кстати, технология GPS учитывает теорию относительности!

Несмотря на то, что на горизонте черной дыры время останавливается, это будет заметно исключительно для внешнего наблюдателя, находящегося снаружи. Человечек, падающий вниз, который пеерсечет горизонт, не заметит ничего необычного, и часы у него будут идти как обычно (привет, Интерстеллар!).

Как мы обсуждали выше, черная дыра — объект, в котором нет материи. НО чтобы СДЕЛАТЬ черную дыру нужна материя!

На примере объекта размером с Землю: нужно сжать его до размеров небольшой сливы, чтобы получилась черная дыра. О таких случаях, конечно, науке неизвестно, но может быть, такое и есть где-то в космосе.

Тут надо отметить, что в черные дыры превращаются именно звезды. У планет слишком маленькая масса и слабее гравитация. Звезды массивнее, настолько, что гравитация побеждает все силы, удерживающие материю от сжатия.

В основном звезды "распирает" наружу из-за термоядерных реакций внутри ядра. Термоядерная энергия нагревает вещество (мы знаем со школы, что нагрев расширяет материю, так как заставляет атомы двигаться активнее, отталкиваться друг от друга, разлетаясь на бОльшие расстояния, но и сталкиваются они сильнее) и создает давление излучения и газа. Оно и удерживает звезду от схлопывания, так как внутрь давит гравитация, зависящая от массы. Больше термоядерной энергии — больше масса — больше гравитация. Все противостоит друг другу, но и зависит друг от друга. Пока реакции внутри звезды есть, все стабильно, как только они начинают угасать, то начинается сжатие, потому что гравитация берет верх.

С Солнцем нам жестко повезло, оно у нас стабильное, и после смерти, согласно прогнозам, превратится в мирный белый карлик :) В основном в зоне риска звезды с массой больше Солнца, но жизнью меньше Солнца. Они более хаотичные.

1. Масса — более 25-30 масс Солнца.

2. Живет менее 10 миллионов лет.

3. Погибает от гравитационного коллапса.

4. Образует после себя черную дыру.

Причем, размер такой черной дыры от звезды с массой около 30 солнечных масс будет в районе 60-100км (не такая уж большая, согласитесь?).

Черные дыры звездных масс (не сверхмассивные!) могут наблюдаться следующими способами:

1. Видны, только если у них есть близкий звездный компаньон;

2. Можно наблюдать разогретый аккреционный диск;

Масса черной дыры вычисляется из наблюдаемого движения ее компаньона по ее орбите.

Если короче, то мы наблюдаем черную дыру только по определенным косвенным признакам. Черная дыра — это просто буквально дырка с чернотой, а космос тоже ЧЕРНЫЙ, поэтому просто так ее не видно. Нам нужно, чтобы мы заметили звезду, которая будет подозрительно крутиться вокруг "пустоты" и увидеть аккреционный диск.

Аккреционный диск образуется за счет того, что черная дыра своей гравитацией поглощает ближайшее небесное тело в себя, расщепляя его на крошки. Чтобы расщепить что-то огромное на крошки по чуть-чуть нужна ужасающая энергия, и вся эта энергия высвобождается (от трения частиц, поэтому он светится в рентгеновском излучении) и по этому диску (орбите, фактически) крутится вокруг черной дыры потихоньку "засасываясь" внутрь. Условно, это просто визуальный путь высвобожденной энергии, который виден в рентгене.

Собственно, невозможность как-то увидеть или измерить черные дыры, кроме опосредованных способов привели нас к созданию LIGO.

LIGO (The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — это огромная установка в США, которая измеряет искажения пространства-времени. Типа "слышит" гравитационные изменения. Они, кстати, всегда уникальны для всех событий в космосе, как отпечатки пальцев.

И вот в 2015 году произошло событие GW150914 (это название сигнала), зафиксированное данной установкой, а именно — произошло столкновение и слияние двех черных дыр, и образование одной гигантской черной дыры. Это самое первое подобное событие, благодаря которому мы получили новое знание: черные дыры могут сливаться.

То есть, черные дыры с помощью LIGO измерили не напрямую, а через их гравитационный эээ...“звук” (почему-то это так называют иногда, хотя я бы охарактеризовала это как "шум" на поверхности что ли) — форму волн, которую они создают при слиянии.

Предположение о массе и возможноси слияния черных дыр у нас и до этого были (косвенные), а тут мы буквально измерили две огромные дыры, открыв для себя их гигантские размеры, а они еще схлопнулись и образовали еще более огромную черную дыру фактически у нас на глазах.

Этот момент стал моментом, когда все известные физики признали существование черных дыр, так как до этого у нас не было настолько прямого подтверждения, и не все соглашались с доказательствами, которые не являлись прямыми наблюдениями (хотя, на секундочку, в 2015 году это было аж!). Не всех убеждало то, что мы можем измерить только эффекты, которые производят черные дыры на окружение, но не сами черные дыры.

Здесь начнем с Квазаров!

Квазар — это самое яркое активное ядро молодой галактики, находящееся на очень большом расстоянии от Земли.

Квазары испускают колоссальное количество энергии, превышая светимость всей галактики, в которой находятся. Это буквально самые мощные источники излучения во Вселенной, превосходящие по светимости сотни триллионов солнц.

Важно отметить, что квазар, в привычном нам понимании — это не прямо-таки конкретный "объект", а скорее "процесс" по смыслу (так как объединяет в себе несколько происходящих одновременно процессов и условий), но совокупность этого всего нам привычнее называть объектом.

То есть внутри зарождающейся галактики есть сверхмассивная черная дыра, которая сама по себе, как мы уже знаем, не светится, но эта сверхмассивная черная дыра находится в центре активно зарождающейся галактики, а значит там вокруг присутствует материя, а значит черная дыра, находясь в центре, активно поглощающает окружающее вещество (газ и звезды), которое образует раскаленный аккреционный диск.

В данном процессе задействовано колоссальное количество энергии.

Квазары настолько яркие, что за ними очень сложно увидеть галактику и получить о ней какие-то данные, а это тоже ценные исследования, учитывая, что квазары находятся в центре молодых галактик на стадии формирования.

Сверхмассивные черные дыры есть во многих галактиках, согласно нашей информации, почти вообще в каждой, у которой есть балдж.

Балдж (от английского слова bulge) — некая плотная сферическая/овальная часть в центре галактики.

Галактики бывают: спиральные (наш Млечный Путь), эллиптические (почти полностью состоят из балджа, их еще называют линзообразные, потому что они прям на линзу похожи) и неправильные (хаотичные, без четкой структуры). Вот в первых и вторых почти всегда есть своя сверхмассивная черная дыра.

В нашей галактике тоже есть эта героиня дня: Sagittarius A*! И находится она прямо в центре Млечного Пути.

Для понимания "сверхмассивности" таких черных дыр: обычная черная дыра, как мы обсуждали выше, имеет массу 20-70 солнечных масс. Сверхмассивная черная дыра имет массу, измеряемую от миллионов до миллиардов солнечных масс.

Самая большая известная нам сверхмассивная черная дыра имеет массу 10 миллиардов солнечных масс (представили? вот и я нет).

Сверхмассивные черные дыры являются самыми мощными источниками энергии во вселенной.

Лебедь А (на русском) является одним из самых известных квазаров в науке. Размер этих струй — миллионы световых лет. Для сравнения — это больше, чем наша галактика.

Это примеры активных галактических ядер со сверхмассивными черными дырами, которые находятся в центрах скопления галактик. А что характерно для центра скопления галактик — там огромные скопления горячего газа, которые излучают рентгеновские фотоны.

Собственно, на картинке, желтый — это рентгеновские фотоны горячего газа, а в середине каждого снимка синяя полость, что означает, что оттуда рентгеновские фотоны не идут, там их нет. Почему их нет? Потому что в центре этих скоплений находятся черные дыры.

Когда окружающее вещество падает на черную дыру, часть энергии не уходит внутрь, а выбрасывается наружу в виде узких релятивистских струй — джетов (как у Лебедя А на картинке). Эти струи буквально врезаются в окружающий горячий газ, раздвигают его и выталкивают, формируя полости. Внутри этих полостей плотность ниже, а значит почти нет рентгеновского излучения, поэтому на картах они выглядят как тёмные пузырьки на фоне яркого горячего газа.

Казалось бы, ну и каков смысл? Мне пришлось чуток дополнительно посерчить этот вопрос перед написанием данного материала, потому что какую функцию выполняют эти пузыри, я, если честно, не знала.

Так вот, в норме горячий газ в центре скопления должен постепенно остывать, терять давление и падать к центру, где из него образовывались бы новые звёзды. Однако наблюдения показывают, что этого не происходит в ожидаемых масштабах. Причина в том, что чёрная дыра через джеты (напомню, что это те струи энергии) возвращает энергию обратно в окружающую среду.

Когда струи надувают пузыри, они не просто создают пустоты вокруг — они переносят энергию в газ. То есть, эти пузыри затем поднимаются вверх в гравитационном поле, перемешивают среду и нагревают её, компенсируя охлаждение (перенос энергии = нагрев). В результате газ не может эффективно схлопываться и образовывать звёзды.

Таким образом, пузыри — это видимая часть механизма саморегуляции. Газ пытается упасть на чёрную дыру, чёрная дыра отвечает на это выбросом энергии, и эта энергия через пузыри нагревает газ, замедляя его дальнейшее падение (помним, что горячее поднимается, холодное падает в направлении гравитации).

Это и есть одна из ключевых причин, почему галактики и скопления не переполняются слишком быстро и долго сохраняют свою структуру. В противном случае мы бы наблюдали либо очень переполненные (за короткое время по космическим меркам) звездные системы, либо много мертвых (они переполнились раньше и успели погибнуть).

Сверхмассивные черные дыры играют огромнейшую роль на формирование галактик, в том числе на нашу в свое время.

Это романтично, и да! Находят. Есть двойные системы черных дыр.

Собственно, есть два сценария:

1. Две звезды в системе, вращающиеся вокруг друг друга, в процессе эволюции обе становятся черными дырами, которые продолжат вращаться друг вокруг друга.

2. В большом скоплении звезд какие-то звезды в процессе эволюции становятся черными дырами, но они настолько более массивные, чем окружающее скопление, что буквально "проваливаются" в центр и обе обнаруживаются рядом друг с другом.

Если есть разница в массах, то со временем черные дыры сливаются (большая поглощает ту, что поменьше). К сожалению, в том первом слиянии, обнаруженным LIGO, ученые не смогли понять, по какому сценарию развивались две черные дыры в итоге слившиеся воедино.

На основе известных моделей эволюции и того факта, что нам известно, что галактики сливаются между собой (а внутри большинства галактик есть сверхмассивная черная дыра), наука почти точно предполагает, что сверхмассивные черные дыры тоже сливаются между собой (что за ужас получается в итоге??). Но прямых доказательств от LIGO пока что нет.

Они большие, медленные, массивные, так что пока не удалось поймать такой момент. К тому же частоты их волн очень низкие, и LIGO невозможно их уловить.

Для этого сейчас проектируется LISA (The Laser Interferometer Space Antenna) — это будущая космическая обсерватория гравитационных волн.

В общих словах, разница в том, что гравитационные волны искажают пространство-время, LIGO сейчас способен ловить только быстрые волны (буквально доли секунд), а сверхмассивные черные дыры дают медленные. LISA будет улавливать часы, дни, и даже годы (по прогнозам).

LISA будет регистрировать гравитационные волны от слияний сверхмассивных чёрных дыр, наблюдать процессы в ранней Вселенной и фиксировать экстремальные орбиты, когда объекты вроде звёзд постепенно падают в чёрные дыры.

Запуск планируется вроде на 2030 год!

Я не претендую на эскпертность в данной теме, и это не моя профессия, поэтому любые комментарии от настоящих экспертов приветствуются!

Мой опыт основывается только на самостоятельном многолетнем изучении, лекциях популярных ученых (Юрий Левин, Сурдин, на которого я хожу лично, если он приезжает, Janna Levin, Becky Smethurst, Brian Cox, Sabine Hossenfelder, Алекс Филиппенко, Roger Penrose и другие ученые, которые ведут свои лекции онлайн), и пройденных курсах по астрофизике от МГУ. Текст написан мной, картинки взяты частично просто из интернета (настоящие снимки и тд), частично сгенерированы в стиле визуальных слайдов и мемов по моему тексту из данного лонга эксклюзивно для него же (хотелось как-то визуализировать происходящее для лучшего понимания).

Помимо работы Кипа Торна, которая приведена по ссылке в данной статье чуть выше, можно еще ознакомиться с фундаментальным трудом Новикова и Фролова. Статья 2001 года, но хорошо состарилась и во многом еще актуальна.