Черная дыра: что это и как она формируется?

Черная дыра: что это и как она формируется?

05.06.20200 1 4 минут чтения

Увлекательная, тревожная, запутанная, черная дыра не перестает подпитывать перо всех сценаристов и писателей-фантастов. Но что такое черная дыра, и как она образуется?
Как можно предположить, черная дыра не состоит из пустот. Напротив, он содержит невероятное количество материи на очень маленькой площади. Для сравнения представьте себе Россию и все, что в ней есть, и положите ее себе в карман. Тогда плотность вашего кармана станет настолько сильной, что притянет к себе все, что его окружает.
Черная дыра - это точка в пространстве с таким сильным гравитационным притяжением, что ничто вокруг не может ей противостоять, даже фотоны. Фотоны - это элементарные частицы волн, в том числе световые.

Общая теория относительности как отправная точка

Понятие черной дыры становится значимым только тогда, когда мы связываем его с теорией общей теории относительности. В последнем пространство-время искривлено массой. Чем массивнее объект, тем больше искривляется пространство-время. Например, масса Солнца искажает пространство-время. Таким образом, Земля вращается вокруг Солнца, казалось бы, подвергаясь его притяжению, но объяснение состоит в том, что она заимствует кривизну пространства-времени, которую индуцировала масса Солнца. Если бы не было такого искажения, то Земля отправилась бы прямо в космос.
Черная дыра имеет такую большую плотность, что она приводит к чрезвычайно глубокому гравитационному колодцу, который разрывает пространство-время. Порожденная кривизна настолько сильна, что из этого колодца уже ничто не может выбраться.

Как образуется черная дыра?

Чтобы избежать притяжения массивного объекта, необходимо иметь достаточно высокую скорость. Это называется "скорость освобождения". Например, если вы хотите отправить зонд на другую планету, важно вывести его за пределы скорости освобождения Земли. Скорость освобождения Земли составляет 11,2 км/с, Луны - 2,4 км/с, Солнца - 617,5 км/с. Таким образом, чем больше масса объекта, тем быстрее увеличивается скорость освобождения. Важно также отметить, что скорость высвобождения зависит от того, где мы находимся по отношению к центру планеты. Легче уйти от земного притяжения, когда мы уже находимся на высоте 10 000 км, чем когда мы уходим с поверхности земной коры.
Например, можно было бы представить себе звезду настолько массивной, что скорость выхода была бы равна - или даже больше - скорости света (300 000 км/с). Это бы означало, что ничто, даже свет, не сможет вырваться из гравитационного поля звезды.
То, что мы видели выше, является чисто теоретическим, теперь нам нужно проявить конкретный интерес к тому, что может произойти, чтобы привести к образованию "черной дыры". Для этого необходимо интересоваться жизнью звезды.

Начало жизни звезды, которая родит черную дыру

Звезда - это огромная газовая сфера, состоящая в основном из водорода и гелия . Газ не уходит от звезды, потому что он удерживается гравитацией. Атомы водорода настолько сжимаются и сдавливаются внутри звездной сферы, что единственный способ их сосуществования - это слияние их атомов. Этот ядерный синтез атомы водорода приводят к образованию гелия. Количество энергии, испускаемой при этой реакции, настолько велико, что оно будет конкурировать с гравитационным действием, которое воздействует на водород. Энергия, излучаемая ядерным синтезом, создает силы, противоположные силе притяжения, которые устанавливают баланс внутри звезды. Эта противоположная сила называется "радиационным давлением". Интенсивная энергия, вырабатываемая ядерным синтезом, неизбежно вызывает тепло, и когда электроны оторваны от водорода, звезда находится в плазменном состоянии.

Плазма Солнца. Предоставлено: NASA

Конец жизни звезды, которая родит черную дыру

Затем гелий, образовавшийся в результате ядерного синтеза, скапливается в центре звезды, увеличивая силу гравитации. В результате увеличивается плотность звезды, что приводит к более интенсивным ядерным реакциям между атомами водорода, гелием и другими элементами, созданными в результате термоядерного синтеза. Это делается для того, чтобы восстановить равновесие между двумя противоборствующими силами. Именно от слияния водорода с гелием в звездах могут образоваться все остальные элементы периодической таблицы каскадным слиянием!
Но в жизни звезды наступает момент, когда ядерный синтез уже не может компенсировать гравитационную силу звезды - которая постепенно нарастает. Таким образом, ядро ее сжимается, и частицы оказываются сжатыми в центре звезды. Все эти реакции призваны заменить отсутствие ядерного синтеза, который позволил звезде иметь стабильность между двумя противоположными силами (гравитационной силой звезды и радиационным давлением).
Однако давление, противоположное гравитации, здесь больше не называется давлением излучения, а давлением вырождения. В то время плотность звезды огромна. Вес, который будет содержать 1 см³ ядра, ошеломляет: 100 миллионов тонн!
Если звезда становится в 3,2 раза массивнее массы Солнца, сила вырождения уже недостаточно сильна, чтобы противостоять силе гравитации. У звезды не останется другого выбора, кроме как рухнуть на себя, в невероятно крошечную точку, которая будет содержать всю массу ядра, и таким образом превратиться в черную дыру!

Как черная дыра искажает пространство-время?

Когда пространство-время искажается, меняется не только пространство (что объясняет, как Земля вращается вокруг Солнца), но и время. Общая теория относительности тесно связывает эти два аспекта, и это позволяет сказать, что чем больше масса, тем больше замедляется время вокруг объекта.
Давайте возьмем двух человек: А и Б. А - далеко от массивного объекта, в то время как Б - очень близко. У А создается впечатление, что Б идет в замедленном режиме. Но Б не чувствует замедления, и для него время проходит нормально.
Таким образом, время течет медленнее на Земле, чем на Луне. Но их масса недостаточно велика, чтобы разница в течении времени была заметна между ними. Для более любопытных: конкретное объяснение нашего GPS, чтобы объяснить и доказать разницу во времени, доступно в последней части этой статьи.
С другой стороны, масса черной дыры такова, что разница во времени между кем-то на краю черной дыры и далеким человеком, наблюдающим за первым человеком, очевидна. Представим, например, человека, который вплотную приближается к черной дыре, а вы - зрителя, любующегося зрелищем. Вы обнаружите, что ваш друг кажется почти неподвижным, и время и дата, указанные его смартфоном, будут меняться очень мало с течением времени - даже после нескольких лет наблюдения. Что касается смелого путешественника, он увидит, как вы стареете и умираете в течение дня. Он может даже опечалиться, увидев уничтожение Солнца и, следовательно, нашей планеты. Таким образом, время становится относительным как функция искажения пространства-времени, вызванного объектом большой массы.

Далее: спутники наших GPS используют общую теорию относительности и доказывают искажение пространства-времени

Чтобы спутники, работающие для нашего GPS, могли работать правильно и точно, они используют прогноз относительности, чтобы указать нам правильное направление.
Общая относительность указывает на замедление времени для движущихся объектов. Часы спутника примерно на 7 микросекунд медленнее наших после суток (потому что он находится на орбите со скоростью 14 000 км/ч). Наш GPS-приемник получает сигнал со спутника с задержкой 7 микросекунд. Если бы она не учитывала задержку спутника, мы были бы в двух километрах от места, указанного нашим GPS. Фактически, задержка тактовых импульсов должна умножаться на скорость света (скорость, с которой распространяется сигнал спутника).
Кроме того, общая теория относительности указывает, что время течет медленнее в более интенсивном гравитационном поле. Таким образом, атомные часы на Земле на 45 микросекунд отстают от спутников. Поэтому, если мы сделаем 45 минус 7, мы определим, что каждый день спутниковые часы считают на 38 микросекунд больше день за днем. Если приемник не принял во внимание эту задержку, то каждый день будет отображаться смещение в 11 км по индикации нашего GPS!