О черных дырах.

Здравствуйте уважаемые и какие-либо другие посетители Ёжина,

В одном из постов о черных дырах (не очень инфорамативном) появилась идейка забацать длиннопост об оных, а почему бы таки и не забацать — подумал я….

То что я здесь накопипащу(стю), в основном или полностью взято из книг Хокинга и наверное, сохраню стиль его изложения, т.к. он весьма хорош но я постараюсь поместить в этот пост только информацию о черных дырах.

Что такое черная дыра?

Итак, кратко то, о чем мы будем говорить.

Черная дыра — это область в пространстве-времени, гравитационное
притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а ее характерный размер — гравитационным радиусом.
Впервые идея о таком объекте, как черная дыра была высказана Джоном Митчелом в 1784 году, он рассчитал, что для тела с радиусом в 500 солнечных радиусов и с плотностью Солнца вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света. Таким образом, свет не сможет покинуть это тело, и оно будет невидимым.

Образование черной дыры

Представьте себе звезду с массой в десять раз больше солнечной. Большую часть своей жизни, то есть около миллиарда лет, звезда генерирует в своих недрах тепло, преобразуя водород в гелий. Высвобожденная энергия создает достаточное давление, чтобы уравновесить созданную звездой силу тяжести и поддерживать размеры звезды с радиусом примерно в пять раз больше солнечного.

Скорость для отрыва от поверхности такой звезды будет около 1000 км/с. То есть объект, выстреленый с поверхности звезды вертикально вверх со скоростью меньше 1000 км/с, будет притянут гравитационным полем звезды назад и вернется на поверхность, в то время как объект, вылетевший с большей скоростью, улетит в бесконечность.

Когда звезда выработает все свое ядерное топливо, ничто уже не сможет поддерживать внутреннее давление, и под действием собственной силы тяжести она начнет сжиматься. По мере сжатия звезды сила тяжести на ее поверхности становится все больше и необходимая для отрыва скорость возрастает. Когда радиус уменьшится до 30 км, необходимая для отрыва скорость достигнет 300 000 км/с — скорости света. После этого никакой свет, испускаемый звездой, не сможет уйти в бесконечность, а будет притягиваться обратно гравитационным полем. Согласно специальной теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, так что если не может вырваться свет, то не может и ничто другое.

В результате получается черная дыра — область пространства-времени, откуда ничто не может улететь в бесконечность. Границы черной дыры называются горизонтом событий, он соответствует фронту тех световых волн от звезды, которым не удалось улететь в бесконечность, но которые и не упали обратно, а парят на радиусе Шварцшильда.

Пофантазируем

Падение в черную дыру стало одним из ужасов научной фантастики. на самом деле о черных дырах сейчас можно сказать, что это научный факт, а не фантастика, как я покажу ниже есть достаточные основания утверждать, что черные дыры должны существовать, и наблюдения четко указывают на присутствие в нашей Галактике множества черных дыр, а в других галактиках их еще больше.

Конечно, описывать, что происходит, когда падаешь в черную дыру, — это поистине раздолье для фантастов.

Обычно предполагают, что если черная дыра вращается то можно провалиться через дырочку в пространстве-времени и оказаться в другой части Вселенной. Это дает большие возможности для путешествий в космосе. И в самом деле если путешествия на другие звезды, не говоря уж о других галактиках, в будущем окажутся осуществимыми на практике, нам понадобится нечто подобное. В противном случае тот факт, что ничто не может двигаться быстрее света, растянет путешествие к ближайшей звезде «по меньшей мере лет на восемь. Многовато, чтобы провести выходные на Альфе Центавра! А вот если суметь нырнуть в черную дыру, то можно вынырнуть в любой точке Вселенной. Правда не совсем ясно, каким образом выбрать место назначения: вы можете решить съездить на праздники в Вирго, а окажетесь в Крабовидной туманности.

Мне жаль разочаровывать галактических туристов, но этот сценарий не работает: если вы прыгнете в черную дыру, вас разорвет на части и расплющит так, что от вас ничего не останется. Однако в некотором смысле частицы составляющие ваше тело, окажутся в другом мире. Не знаю, утешится ли превратившийся в спагетти в черной дыре сознанием того, что его частицы, возможно, уцелели.

Испарение черной дыры и «первобытные» черные дыры.

Да вы не ослышались, в конце 1974 года Стивен Хокинг исследовал, как будет вести себя материя вблизи черной дыры согласно квантовой механике. Квантовая механика позволяет частице вырваться из черной дыры, чего не допускает классическая механика. Однако в ядерной и атомной физике есть много других ситуации, когда существует некоторый барьер, который по классическим принципам частицы преодолеть не могут, но через который могут проложить тоннель согласно принципам квантовой механики. Но это тема не этого поста, слишком много нужно доносить информации для неподкованного в теме теоретической физики читателя.

Очень немногие частицы могут вырваться из такой большой черной дыры, каковой предположительно является X-I Лебедя, но из черных дыр поменьше частицы могут просачиваться весьма быстро. Тщательные расчеты показывают, что выпущенные частицы имеют тепловой спектр соответствующий температуре, возрастающей же скоростью, с какой убывает масса черной дыры. Температура черной дыры с массой Солнца составляет всего лишь одну десяти миллионную градуса относительно абсолютного нуля. Тепловое излучение, покидающее черную дыру с такой температурой, совершенно поглотилось бы радиационным фоном Вселенной. С другой стороны, черная дыра с массой всего миллиард тонн есть первобытная черная дыра размером примерно с протон, имела бы температуру около 120 миллиардов градусов Кельвина, что соответствует энергии в несколько десятков миллионов электрон-вольт. При такой температуре черная дыра могла бы порождать электронно-позитронные пары и частицы пулевой массы, такие как фотоны, нейтрино и гравитоны (предположительно несущие гравитационную энергию) Первобытная черная дыра выделяла бы энергию с мощностью порядка 6000 мегаватт, что равно мощности шести больших ядерных электростанции. Привет Portal 2 )

Поскольку черная дыра испускает частицы, ее масса, и размеры постоянно уменьшаются. Это облегчает другим частицам возможность проделать тоннель наружу, и потому эмиссия будет продолжаться, постоянно возрастая, пока в конце концов черная дыра не сойдет на нет. Таким образом, в конечном итоге все черные дыры во Вселенной испарятся, однако для этого понадобится действительно долгое время. Черная дыра с массой Солнца просуществует 10 . 66 степени лет. С другой стороны, первобытная черная дыра должна почти полностью испариться за десять миллиардов лет, что прошло со времени Большого Взрыва, когда, как нам известно, возникла Вселенная. Такие черные дыры теперь должны испускать жесткое гамма-излучение с энергией около 100 миллионов электрон-вольт.

Подсчеты, сделанные Доном Н. Пейджем показали, что ближайшая к нам подобная черная дыра находится по меньшей мере на том же расстоянии, что и Плутон.

Последняя стадия испарения черной дыры проходит так быстро, что заканчивается страшным взрывом. Большой Взрыв схож со взрывом черной дыры, но в гораздо больше масштабе. Поэтому можно надеяться, что, поняв, как черные дыры порождают частицы, мы придем к аналогичному пониманию, как Большой Взрыв породил все во Вселенной. В черной дыре материя сжимается и пропадает навек, но на ее месте возникает новая материя. Поэтому, может быть, существовала какая-то более ранняя фаза Вселенной, когда материя сжималась, чтобы опять возникнуть после Большого Взрыва.

Надеюсь эта тема космологии таки заинтересовала некоторый круг людей, ранее в этим не интересующихся, несмотря на отсутствие большого количества картинок, трудно представить иллюстрации к объектам и понятиям, которые мы никогда не видели в живую, а можем только рассуждать и догадываться.