Какие бывают и как образуются черные дыры.

Черные дыры являются одними из самых удивительных и в то же время пугающих объектов нашей Вселенной. Возникают они в тот момент, когда в звездах, имеющих огромную массу, заканчивается ядерное топливо. Ядерные реакции прекращаются и светила начинают остывать. Тело звезды сжимается под действием гравитации и постепенно она начинает притягивать к себе более мелкие объекты, трансформируясь в черную дыру.

Первые исследования

Изучать черные дыры светила науки начали не так давно, несмотря на то что основные концепции их существования были разработаны еще в прошлом столетии. Само понятие «черной дыры» было введено в 1967 году Дж. Уиллером, хотя вывод о том, что эти объекты неизбежно возникают при коллапсе массивных звезд, был сделан еще в 30-х годах прошлого столетия. Все, что внутри черной дыры - астероиды, свет, поглощенные ею кометы, - когда-то приблизилось слишком близко к границам этого загадочного объекта и не сумело их покинуть.

Границы черных дыр

Первая из границ черной дыры называется пределом статичности. Это граница области, попадая в которую посторонний объект уже не может находиться в состоянии покоя и начинает вращаться относительно черной дыры, чтобы удержаться от падения в нее. Вторая граница зовется горизонтом событий. Все, что внутри черной дыры, когда-то проходило ее внешнюю границу и двигалось по направлению к точке сингулярности. По мнению ученых, здесь вещество вливается в эту центральную точку, плотность которой стремится к значению бесконечности. Люди не могут знать, какие законы физики действуют внутри объектов с такой плотностью, и поэтому описать характеристики этого места невозможно. В буквальном смысле слова оно является «черной дырой» (или, быть может, «пробелом») в знаниях человечества об окружающем мире.

Строение черных дыр

Горизонтом событий называется неприступная граница черной дыры. Внутри этой границы находится зона, которую не могут покинуть даже объекты, скорость движения которых равна скорости света. Даже кванты самого света не могут покинуть горизонт событий. Находясь в этой точке, никакой предмет уже не может вырваться из черной дыры. О том, что внутри черной дыры, мы не можем узнать по определению - ведь в ее глубинах находится так называемая точка сингулярности, которая формируется за счет предельного сжатия вещества. Когда объект попадает внутрь горизонта событий, с этого момента он никогда не сможет вырваться снова из нее и стать видимым для наблюдателей. С другой стороны, те, кто находятся внутри черных дыр, не могут видеть ничего из происходящего снаружи.

Размер горизонта событий, окружающего этот загадочный космический объект, всегда прямо пропорционален массе самой дыры. Если ее масса будет удвоена, то вдвое больше станет и внешняя граница. Если бы ученые смогли найти способ, позволяющий превратить Землю в черную дыру, то размер горизонта событий составлял бы всего лишь 2 см в поперечном разрезе.

Основные категории

Как правило, масса среднестатистических черных дыр приблизительно равна трем солнечным массам и более. Из двух видов черных дыр выделяют звездные, а также сверхмассивные. Их масса превосходит массу Солнца в несколько сотен тысяч раз. Звездные образуются после смерти больших небесных светил. Черные дыры обычной массы появляются после завершения жизненного цикла больших звезд. Оба вида черных дыр, несмотря на различное происхождение, имеют сходные свойства. Сверхмассивные черные дыры расположены в центрах галактик. Ученые предполагают, что они сформировались во времена образования галактик за счет слияния плотно прилежащих друг к другу звезд. Однако это только догадки, не подтвержденные фактами.

Что внутри черной дыры: догадки

Некоторые из математиков считают, что внутри этих загадочных объектов Вселенной находятся так называемые червоточины - переходы в другие Вселенные. Иными словами, в точке сингулярности расположен пространственно-временной туннель. Эта концепция послужила для многих писателей и режиссеров. Однако подавляющее большинство астрономов считают, что никаких туннелей между Вселенными не существует. Однако даже если бы они действительно были, у человека нет никаких способов узнать, что находится внутри черной дыры.

Существует и другая концепция, согласно которой в противоположном конце такого туннеля находится белая дыра, откуда из нашей Вселенной в другой мир через черные дыры поступает гигантское количество энергии. Однако на данном этапе развития науки и техники о путешествиях подобного рода не может быть и речи.

Связь с теорией относительности

Черные дыры являются одним из самых удивительных предсказаний А. Эйнштейна. Известно, что сила тяготения, которая создается на поверхности любой планеты, обратно пропорциональна квадрату ее радиуса и прямо пропорциональна ее массе. Для этого небесного тела можно определить понятие второй космической скорости, которая необходима, чтобы преодолеть эту силу тяготения. Для Земли она равна 11 км/сек. Если же масса небесного тела будет увеличиваться, а диаметр - наоборот, уменьшаться, то вторая космическая скорость со временем может превысить скорость света. И поскольку, согласно теории относительности, никакой объект не может двигаться быстрее скорости света, то образуется объект, не дающий ничему вырваться за его пределы.

В 1963 году учеными были обнаружены квазары - космические объекты, являющиеся гигантскими источниками радиоизлучения. Располагаются они очень далеко от нашей галактики - их удаленность составляет миллиарды световых лет от Земли. Чтобы объяснить чрезвычайно высокую активность квазаров, ученые ввели гипотезу о том, что внутри них располагаются черные дыры. Эта точка зрения сейчас является общепринятой в научных кругах. Исследования, которые проводились в течение последних 50 лет, не только подтвердили данную гипотезу, но и привели ученых к выводу о том, что черные дыры есть в центре каждой галактики. В центре нашей галактики также есть такой объект, его масса составляет 4 миллиона солнечных масс. Эта черная дыра носит название «Стрелец А», и поскольку она расположена ближе всего к нам, ее больше всего исследуют астрономы.

Излучение Хокинга

Этот тип излучения, открытый известным физиком Стивеном Хокингом, значительно усложняет жизнь современным ученым - ведь из-за этого открытия в теории черных дыр появилось немало трудностей. В классической физике существует понятие вакуума. Этим словом обозначается полная пустота и отсутствие материи. Однако с развитием квантовой физики понятие вакуума было видоизменено. Ученые выяснили, что он заполнен так называемыми виртуальными частицами - под воздействием сильного поля они могут превратиться в реальные. В 1974 году Хокинг выяснил, что подобные превращения могут происходить в сильном гравитационном поле черной дыры - возле ее внешней границы, горизонта событий. Такое рождение является парным - появляется частица и античастица. Как правило, античастица обречена на падение в черную дыру, а частица улетает. В результате ученые наблюдают некоторое излучение вокруг этих космических объектов. Оно и получило название излучения Хокинга.

В ходе этого излучения то вещество, что внутри черной дыры, медленно испаряется. Дыра теряет массу, при этом интенсивность излучения обратно пропорциональна величине квадрата ее массы. Интенсивность излучения Хокинга ничтожно мала по космическим меркам. Если предположить, что существует дыра массой в 10 солнц, и на нее не попадает ни свет, ни какие-либо материальные объекты, то даже в этом случае время ее распада будет чудовищно велико. Жизнь такой дыры будет превосходить все время существования нашей Вселенной на 65 порядков.

Вопрос о сохранении информации

Одной из основных проблем, которая появилась после открытия излучения Хокинга, является проблема потери информации. Связана она с вопросом, кажущимся на первый взгляд очень простым: что произойдет, когда черная дыра испарится полностью? Обе теории - как квантовая физика, так и классическая - имеют дело с описанием состояния системы. Обладая информацией о начальном состоянии системы, при помощи теории можно описать, каким образом она будет меняться.

При этом в процессе эволюции информация о начальном состоянии не теряется - действует своего рода закон о сохранении информации. Но если черная дыра испарится полностью, то наблюдатель теряет информацию о той части физического мира, который когда-то попал в дыру. Стивен Хокинг считал, что информация о начальном состоянии системы каким-то образом восстанавливается после того, как черная дыра испарилась полностью. Но трудность состоит в том, что по определению из черной дыры передача информации невозможна - ничто не может покинуть горизонт событий.

Что будет, если попадешь в черную дыру?

Считается, что если бы каким-либо невероятным способом человек мог попасть на поверхность черной дыры, то она сразу стала бы его затягивать в направлении себя. В конечном счете человек бы растянулся настолько, что превратился бы в поток субатомных частиц, движущихся по направлению к точке сингулярности. Доказать эту гипотезу, конечо же, невозможно, ведь ученые вряд ли когда-нибудь смогут узнать, что происходит внутри черных дыр. Сейчас некоторые физики заявляют, что если бы человек попал в черную дыру, то у него появился бы клон. Первая из его версий сразу же была бы уничтожена потоком раскаленных частиц излучения Хокинга, а вторая бы прошла через горизонт событий без возможности вернуться назад.

> Черные дыры

Что такое черная дыра – объяснение для детей: описание с фото, как найти в космосе Вселенной, как появляются, смерть звезды, сверхмассивные черны дыры галактик.

Для самых маленьких родители или в школе должны объяснить , что воспринимать черную дыру как пустое место – грубейшая ошибка. Наоборот, в ней сконцентрировано невероятное количество материи, которая замкнута в маленьком пространстве. Чтобы объяснение для детей было более красочным, просто представьте, что вы взяли звезду в 10 раз массивнее Солнца и попытались впихнуть в область размером с Нью-Йорк. Из-за такого давления, гравитационное поле обретает настолько большую силу, что никто и даже световой луч не может вырваться. С развитием технологий НАСА удается все больше узнать об этих загадочных объектах.

Начать объяснение для детей можно с того, что термина «черная дыра» не существовало до 1967 года (ввел Джон Уилер). Но до этого уже несколько веков упоминалось о существовании странных объектов, которые своей плотностью и массивностью не выпускают свет. Их даже предсказал Альберт Эйнштейн в общей теории относительности. Она доказала, что при смерти массивной звезды остается небольшое плотное ядро. Если звезда по массе в трое превышает солнечную, то сила тяжести превозмогает остальные силы, и мы получаем черную дыру.

Конечно, важно объяснить детям , что исследователи лишены возможности наблюдать эти особенности напрямую (телескопы находят лишь свет, рентгеновское излучение и прочие формы электромагнитного излучения), так что ждать фото черной дыры не приходится. Но можно высчитать их местоположение и даже определить размер из-за влияния, которое они оказывают на окружающие объекты. Например, если она пройдет сквозь облако межзвездной материи, то в процессе начнет втягивать вещество внутрь – аккреция. То же самое повторится, если вблизи пройдет звезда. Правда звезда может разорваться.

В момент притягивания вещество нагревается и ускоряется, выпуская в пространство рентгеновские лучи. Недавние открытия заметили несколько мощных всплесков гамма-лучей, демонстрируя процесс пожирания дырой соседних звезд. В этот момент они стимулируют рост одних и останавливают у других.

Смерть звезды – начало для черной дыры

Большая часть черных дыр появляется из остаточного материала умирающих крупных звезд (взрыв сверхновой). Меньшие по размеру звезды превращаются в плотные нейтронные, которым не хватает массивности, чтобы удерживать свет. Если масса звезды больше солнечной в 3 раза, то она становится кандидатом на пост черной дыры. Важно объяснить детям одну странность. Когда звезда разрушается, то ее поверхность приближается к воображаемой поверхности (горизонт событий). Время на самой звезде становится медленнее, чем у наблюдателя. Когда поверхность настигла горизонта событий, то время замирает, и звезда больше не может разрушаться – замороженный разрушающийся объект.

Более крупные черные дыры способны появляться после звездного столкновения. После запуска в декабре 2004 года телескопу НАСА удалось заметить сильные мимолетные световые вспышки – гамма-излучения. После этого Чандра и Хаббл собрали данные о событии и поняли, что эти вспышки могли быть следствием столкновения черной дыры и нейтронной звезды, что порождает новую черную дыру.

Хотя в процессе образования дети и родители уже разобрались, но загадкой остается один момент. Кажется, будто дыры существуют в двух разных масштабах. Есть множество черных дыр – остатки массивных звезд. Как правило, они в 10-24 раз массивнее Солнца. Ученые постоянно видят их, если посторонняя звезда приближается критически близко. Но большинство черных дыр существуют изолированно и их просто нельзя заметить. Однако, если судить по количеству звезд, обладающих достаточным размером, чтобы стать кандидатом на черную дыру, то в Млечном Пути таких черных дыр должно присутствовать десятки миллионов миллиардов.

Есть также и сверхмассивные черные дыры, которые в миллион и даже миллиард раз превосходят по размерам наше Солнце. Полагают, что такие монстры обитают в центрах практически всех крупных галактик (и в нашей).

Для самых маленьких будет интересно узнать, что долгое время ученые полагали, будто среднего размера для черных дыр не существует. Но данные Чандры, XMM-Newton и Хаббла показывают, что они есть.

Возможно, сверхмассивные черные дыры появляются из-за цепной реакции, вызванной столкновением звезд в компактных скоплениях. Из-за этого накапливается очень много массивных звезд, которые разрушаются и производят черные дыры. Затем эти скопления занимают галактический центр, где черные дыры сливаются и превращаются в сверхмассивного представителя.

Вы уже могли понять, что у вас не получится полюбоваться на черную дыру в высоком качестве в режиме онлайн, потому что эти объекты не выпускают свет. Но детям будет интересно изучить фото и схемы, созданные на основе контакта черных дыр и обычной материи.

Объекты космоса

Как не потеряться в разнообразии потока слов от маленьких почемучек? Ведь дети чрезвычайно любопытны и хотят все на свете знать. Стоит правильно прививать им знания и любовь к науке, чтобы в будущем им легче давалась учеба, и был интерес к новым познаниям, особенно к таким удивительным как космос!

1. Что такое астрономия и космос?

Начать, прежде всего, стоит с того, что рассказать ребенку, что такое астрономия. Ведь с нее, по сути, и начинается изучение звезд и космоса.

Астрономия - это наука, которая занимается не только звездами, но изучает также и космос, и все частицы, которые движутся во Вселенной. В сферу ее изучения входят и изменения и преобразования, которые проходят со всеми небесными телами, пространством и временем.

Кстати, слово «космос» имеет греческие корни и означает упорядоченность и взаимосвязь всего, что находится во Вселенной.

2. Солнечная система.

Солнечная система состоит из девяти планет и одной звезды. Все девять планет вращаются вокруг звезды под название Солнце.

Планеты имеют свои названия: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Самая первая - Венера, является наиболее приближенной к солнцу, последняя - Плутон находится дальше всего от звезды. Планета Земля , на которой мы живем, - третья.

Помимо планет в Солнечной системе вращаются также множество спутников, комет, малых планет, астероидов, пыли и газа.

3. Галактика.

Галактики - представляют из себя большие звездные системы, звезды в которых держатся в их пределах благодаря гравитации.

Ученые считают, что во Вселенной существуют миллиарды галактик . Поэтому вероятность того, что где-то на других планетах есть какая-то жизнь и люди в этом мире не одиноки очень велика.

Все галактики отличаются друг от друга по форме. Форм бывает всего три: эллиптическая, спиралевидная и нерегулярная.

Кстати, наша галактика носит название Млечный Путь . Поблизости также существуют еще две крупные галактики под названиями Андромеда и Треугольник. Наша галактика входит в группу 30-ти других галактик.

4. Черные дыры.

Чёрная дыра - это область в пространстве времени, которая имеет свойство поглощать близлежащие объекты, даже те, которые движутся со скоростью света.

Чтобы объяснить ребенку действие Черной дыры, можно сравнить ее с пылесосом. Принцип действия примерно такой же, с единственным отличием в том, что Черные дыры используют не всасывание, а силу тяжести, чтобы притянуть к себе космические частицы.

Таинственные и неуловимые черные дыры. Законы физики подтверждают возможность их существования во вселенной, но сих пор остается множество вопросов. Многочисленные наблюдения показывают, что дыры существуют во вселенной и этих объектов - больше миллиона.

Что такое черные дыры?

Ещё в 1915 году при решении уравнений Эйнштейна было предсказано такое явление как «черные дыры». Однако научное сообщество заинтересовалось ими только в 1967 году. Их тогда называли «сколлапсировавшие звёзды», «застывшие звёзды».

Сейчас черной дырой называют область времени и пространства, которые обладают такой гравитацией, что из неё не может выбраться даже луч света.

Как образуются черные дыры?

Существуют несколько теорий появления черных дыр, которые делятся на гипотетические и реалистичные. Самая простая и распространенная реалистичная - теория гравитационного каллапса больших звезды.

Когда достаточно массивная звезда перед «смертью» разрастается в размерах и становится не стабильной, расходуя последнее топливо. В то же время масса звезды остается неизменной, но её размеры уменьшаются так как происходит, так называемое, уплотнение. Иными словами при уплотнении тяжелое ядро "падает" в само себя. Параллельно с этим уплотнение приводит к резкому повышению температуры внутри звезды и внешние слои небесного тела отрываются, из них образуются новые звезды. В это же время в центре звезды - ядро падает в свой собственный "центр". В результате действия сил гравитации центр обваливается в точку - т.е силы гравитации на столько сильны, что поглощают уплотненное ядро. Так рождается черная дыра, которая начинает искажать пространство и время, что даже свет не может вырваться из неё.

В центрах всех галактик находится сверхмассивная черная дыра. Согласно теории относительности Эйнштейна:

«Любая масса искажает пространство и время».

А теперь представьте, как сильно черная дыра искажает время и пространство, ведь её масса огромна и одновременно втиснута в сверхмалый объем. Из-за этой способности возникает следующая странность:

«Черные дыры обладают способностью практически останавливать время и сжимать пространство. Из-за этого сильнейшего искажения дыры становятся не видимыми для нас».

Если черные дыры не видны, откуда мы знаем, что они существуют?

Да, хоть черная дыра и невидимка, но она должна быть заметна за счет материи, которая падает в неё. А так же звездный газ, который притягивается черной дырой, при приближении к горизонту событий температура газа начинает расти до сверхвысоких значений, что приводит к свечению. Именно поэтому черные дыры светятся. Благодаря такому, хоть и слабому свечению, астрономы и астрофизики объясняют наличие в центре галактики объекта с малым объемом, но огромной массой. В данный момент в результате наблюдений обнаружено порядка 1000 объектов, которые похожи по поведению на черные дыры.

Черные дыры и галактики

Как черные дыры могут влиять на галактики? Этот вопрос мучает ученых всего мира. Есть гипотеза, согласно которой именно черные дыры, находящиеся в центре галактики влияет на её формы и эволюцию. И что при столкновении двух галактик происходит слияние черных дыр и во время этого процесса выбрасывается такое огромное количество энергии и материи, что образуются новые звезды.

Типы черных дыр

• Согласно существующей теории, есть три типа черных дыр: звездные, сверхмассивные, миниатюрные. И каждая из них сформировалась особым образом.
• - Черные дыры звездных масс, она разрастается до огромных размеров и разрушается.
  - Сверхмассивные черные дыры, которые могут иметь массу, эквивалентную миллионам Солнц, с большой вероятностью существуют в центрах практически всех галактик, включая наш Млечный путь. Ученые все ещё имеют разные гипотизы образования сверхмассивных черных дыр. Пока известно только одно - сверхмассивные черные дыры - побочный продукт образования галактик. Сверхмассивные черные дыры - они отличаются от обычных тем, что имеют очень большой размер, но парадоксально маленькую плотность.
• - Еще никто не смог обнаружить миниатюрную черную дыру, которая имела бы массу меньшую, чем Солнце. Вполне возможно, что миниатюрные дыры могли бы образоваться вскоре после «Большого взрыва», который является начальной точной существования нашей вселенной (около 13,7 млрд лет назад).
• - Совсем недавно было введено новое понятие как "белые черные дыры". Это пока гипотетическая черня дыра, которая является противоположностью черной дыре. Активно изучал возможность существования белых дыр Стивен Хокинг.
• - Квантовые черные дыры - они существуют пока только в теории. Квантовые черные дыры могут образовываться при столкновении сверхмалых частиц в результате ядерной реакции.
• - Первичные черные дыры - тоже теория. Они образовались сразу после возникновения.

В данный момент существует большое количество открытых вопросов, на которые ещё предстоит ответить будущим поколениям. Например, могут ли в действительности существовать так называемые "кротовые норы", с помощью которых можно путешествовать по пространству и времени. Что именно происходит внутри черной дыры и каким законам подчиняются эти явления. И как быть с исчезновением информации в черной дыре?

Что такое черные дыры?

Дети , как вы думаете, могли ли вы когда нибудь видеть эффект вакуума в вашей комнате? Когда вы что-то делаете, внимательно следите, потому что вы можете увидеть, как грязь и крошки начинают двигаться по направлению к пылесосу. Черная дыра похожа на пылесос, но только в космосе. Тем не менее, это не мощное всасывание, которое заставляет вещи падать в черную дыру. Силы всасывание не будет достаточно сильным. Вместо этого, черная дыра использует силу тяжести, чтобы притягивать все вокруг.

Как формируются черные дыры? Объяснение для детей

Когда у большой звезды заканчивается топливо, она не может больше поддерживать свой вес. Давление от массивных слоев водорода заставляет звезду сжиматься все меньше и меньше. В конце концов, звезда станет меньше атома. Представьте себе дети на мгновение, что вся звезда раздавиться в точку, меньше атома.

Как может получиться что-то меньше, но сохранить тоже количество массы?

На самом деле все очень просто. Возьмите дети губку, размером с бутылку, вы легко можете раздавить ее в руках. Но вот интересный момент. Если вы делаете что-то меньшее, сжимая ее, ее гравитация становится сильнее. Представьте себе дети, если вы сжимаете звезду в размер атома, насколько мощным станет ее гравитация?

Гравитация черной дыры настолько мощная, что поглощает все, даже свет, который проходит слишком близко. Совершенно верно, даже свет не может избежать черную дыру.

Строение черной дыры. Астрономия для детей

Черные дыры состоят из трех основных частей. Внешний слой черной дыры называется внешним горизонтом событий. Внутри внешнего горизонта событий вы еще можете вырваться от гравитации черной дыры, потому что сила тяжести здесь не так сильна. Средний слой черной дыры называется внутренним горизонтом событий. Если вы не избежали силы тяжести черной дыры, прежде чем вошли во внутренний горизонт событий, то вы, дети, упустили свой шанс. Сила тяжести в этом слое намного сильнее и не отпускает объекты, которая она захватывает. В этом момент вы начинаете падать к центру черной дыры. Центр черной дыры называется Сингулярность. Это странное слово означает раздавленную звезду. Сингулярность, это место, где гравитация черной дыры самая сильная.

Как вы можете попасть в черную дыру?

Подумайте о Земле. Если вы приближаетесь слишком близко к Земле, вы сталкиваетесь с ее гравитацией. На Земле вы могли бы снова улететь в космос на ракете. Тем не менее, если вы упадете в черную дыру, то у вас, дети, нет никакой возможности выбраться, так как гравитация очень сильна.