Как умирает черная дыра
Как рождаются и умирают черные дыры? Главное
Сейчас много говорят о черных дырах. Они вращаются в центре галактики, каждый день поглощают массу равную половине Солнца, помнят рассвет вселенной. Черные дыры — один из самых интересных космических объектов. Вот, что мы о них знаем.
Рождение
Черные дыры начинают свою жизнь со смерти. Они рождаются, когда звезды, которые больше Солнца как минимум в три раза, полностью выгорают и взрывом отбрасывают внешнюю оболочку. Внутреннее давление разрушает ядро звезды, а она сама сжимается. Если масса звезды больше трех масс Солнца, то сжатие не остановится, и появится черная дыра.
Во вселенной звезды очень часто соседствуют с черными дырами: одни умирают, другие появляются. Чем больше масса звезды, тем быстрее она сжигает свое топливо и потухает. Взрывная волна, вызванная смертью одной из больших звезд, сжимает огромное количество газа и пыли в космосе, это провоцирует рождение новых светил.
Так в космосе появляется много черных дыр — но далеко не все. Происхождение сверхмассивных черных дыр (они тяжелее Солнца в миллионы и миллиарды раз) до сих пор неизвестно. Астрономы выяснили, что они появились примерно 13 миллиардов лет назад и изначально были меньше. Как они появились на заре вселенной — непонятно, ведь тогда все вещество помещалось в очень маленьком пространстве.
Теорий о рождении сверхмассивных черных дыр несколько. Во-первых, они могли образоваться из-за коллапса очень плотных областей молодой вселенной. Горячий газ и пыль на заре времен сжимались в звезды, но, возможно, сразу после Большого взрыва химические процессы были иными, поэтому в некоторых регионах сжатие не прекратилось и появились черные дыры.
Сейчас сверхмассивные черные дыры существуют в центре многих галактик, отсюда вторая теория. Возможно, они сформировались в центре молодых галактик в процессе слияния нескольких небольших черных дыр.
Но предположить, что каждая сверхмассивная черная дыра выросла из обычной, ученые не могут. Знакомые нам черные дыры слишком маленькие, чтобы за время своего существования вырасти в таких космических монстров. Ученые предполагают, что между черными дырами звездных масс и сверхмассивными объектами существует промежуточная форма — средние черные дыры, но их пока никто не обнаружил. Не потому что их нет — просто они, вероятно, расположены далеко от нас, поэтому их излучение в рентгеновском спектре теряется в излучении других космических объектов.
Жизнь
Черная дыра развивается за счет вещества, которое поглощает. Гравитационное притяжение в ней настолько велико, что никакие объекты, никакие частицы не смогут вернуться назад, если залетели в пределы черной дыры. Туда попадают развалившиеся звезды и планеты, но легче всего дыра поглощает газ: он заполняет ее, как вода ванну.
Иногда черные дыры сливаются друг с другом, и отследить это очень сложно, ведь, по сути, происходит слияние двух невидимых объектов. Впервые ученые зафиксировали этот процесс в 2015 году благодаря изучению гравитационных волн.
Смерть
Самый интересный вопрос — может ли черная дыра умереть? Теоретически, да.
Так считал Стивен Хокинг, и поэтому гипотетическая причина смерти черной дыры называется излучением Хокинга. Изначально считалось, что черные дыры ничего не излучают, ведь ни одна частица, включая частицы света, не может преодолеть их притяжение. Но квантовая физика уничтожила эту теорию.
Оказалось, что на границе черной дыры есть пары частиц и античастиц. В обычных условиях они сразу сталкиваются и взаимоуничтожаются (так появляется энергия), но здесь одна из частиц падает в черную дыру, а другая улетает в космос, тем самым забирая энергию у объекта.
Теоретически, если в дыру не будет попадать другая энергия (а она в нее попадает), то через какое-то время она полностью излучится. Но даже при таких условиях понадобится 1054 лет, чтобы дыра начала умирать, поэтому зафиксировать излучение Хокинга на практике, скорее всего, не получится. Пока правоту ученого можно доказать только в лаборатории.
Как умирают черные дыры?
Самыми таинственными объектами во Вселенной по праву можно назвать черные дыры – области пространства-времени гравитация которых настолько сильна, что ничто, даже свет, не может их покинуть. Интересно, что на просторах бесконечной Вселенной существуют черные дыры, масса которых превышает массу Солнца в пять-сто раз, но есть и такие, чья масса превышает миллиард солнечных. Сегодня астрономы считают, что сверхмассивные черные дыры скрываются в сердце большинства галактик, отмечая при этом, что Вселенная находится в так называемой «звездной эре» – этапе эволюции Вселенной, во время которого звезды и галактики рождаются непрерывно. Но что лежит за границей звездной эры? Исследователи полагают, что в конечном итоге все ингредиенты для создания черных дыр будут исчерпаны, а звезды в ночном небе медленно погаснут, превратив тем самым черные дыры в единственных обитателей Вселенной. Но даже эти космические монстры не могут существовать вечно. Когда-нибудь и они погибнут, озарив, на прощание, пустое и безжизненное пространство фейерверком.
Доказать существование черных дыр ученым удалось совсем недавно.
Как появляются черные дыры?
Та часть вещества, которую не выбросило в межзвездную среду, как правило, преобразуется либо в компактный объект – нейтронную звезду (в случае, если масса звезды до взрыва составляла более 8 солнечных масс), либо в черную дыру – область пространства-времени, в которой всем управляет ее величество гравитация (в случае, если масса оставшегося после взрыва ядра превышает солнечную в пять раз).
Так выглядит вспышка сверхновой в объективе космического телескопа NASA Hubble.
Как отмечают астрономы, подобная связь между рождением черной дыры и смертью звезды, которая ее образовала, довольно распространенное явление во Вселенной. Особенно близки черные дыры с другими звездами в тех ее уголках, где звездообразование происходит с высокой скоростью. Напомним также, что звездообразование является крупномасштабным процессом, в ходе которого из межзвездного газа в галактике начинают массово формироваться звезды.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира астрономии и физики? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!
Эволюция черных дыр
Итак, после рождения черной дыры в результате гибели массивной звезды, ее главным занятием становится поглощение любых объектов, оказавшихся поблизости. В некоторых случаях поглощенный материал (газ и звезды) окружает этих космических монстров, двигаясь все быстрее и скапливаясь вокруг. Так как трение между пылью генерирует тепло, аккреционный диск черной дыры начинает светиться, очерчивая ее тень или горизонт событий. Именно его в 2019 году удалось сфотографировать ученым, о чем подробно рассказал мой коллега Николай Хижняк в своем материале.
Но помимо того, что горизонт событий окружает черную дыру, он также является ключом к ее гибели. Все потому, что любой поглощенный черной дырой материал пропадает навсегда, по крайней мере, это следует из нашего понимания гравитации. Однако эта так называемая точка невозврата не учитывает квантовую механику – да, да, физики по-прежнему трудятся над созданием единой теории квантовой гравитации и, кстати, недавно добились довольно интересных результатов.
Стивен Хокинг – английский физик-теоретик, космолог и астрофизик. Хокинг первым изложил космологическую теорию, в которой были объединены представления общей теории относительности и квантовой механики.
Исследователи сравнивают этот процесс с песочными часами, где песок наверху – это количество времени, оставшееся у черной дыры. Поглощая все больше звезд и газа, прожорливый космический монстр продолжает добавлять песчинки в «тикающие» песочные часы, даже когда отдельные частицы просачиваются наружу. Но по мере старения Вселенной материал вокруг черной дыры иссякнет, знаменуя ее неминуемую погибель.
Кстати, самая мощная из когда-либо зарегистрированных сверхновых (ASSASN-15lh) сегодня считается в 22 триллиона раз более взрывоопасной, чем черная дыра в ее последние мгновения. А как вы думаете, каким будет конец Вселенной? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.
Все за сегодня
Политика
Экономика
Наука
Война и ВПК
Общество
ИноБлоги
Подкасты
Мультимедиа
Как умирают черные дыры
Черные дыры, самые плотные, самые массивные объекты во Вселенной, могут существовать очень долгое время, но они не вечны. Вот, что с ними происходит
«Сядьте перед фактом, как маленький ребенок, будьте готовы отказаться от всех заранее предуготовленных представлений, смиренно следуйте за природой, в какую бы пропасть она вас ни завела, иначе вы ничему не научитесь», — Томас Хаксли (T.H. Huxley).
Когда речь заходит о черных дырах, вы, вероятнее всего, представляете себе эти сверхплотные и сверхмассивные участки пространства, от которых ничто не может ускользнуть. Ни материя, ни антиматерия, ни даже свет! Вы также, возможно, размышляете над тем, как они продолжают питаться тем, что имеет несчастье оказаться внутри них, в том числе темной материей. Тем не менее, в какой-то момент все черные дыры во Вселенной не только перестают расти, но и начинают уменьшаться и терять массу до тех пор, пока они полностью не испарятся! На этой неделе в рубрике вопросов к Этану мы попытаемся ответить на письмо Павла Жужельского (Paweł Zuzelski), в котором он спрашивает следующее:
В объяснениях излучения Хокинга я часто встречаю следующие строки: «На горизонте событий рождается пара виртуальных частиц. Одна частица попадает внутрь чёрной дыры, а другая улетает, унося с собой часть массы дыры». Обычно рядом с этими строками мелким шрифтом указано, что это является упрощением. Такое объяснение на самом деле, должно быть, представляет собой чрезмерное упрощение: если одна из частиц попадает в черную дыру, то масса последней должна увеличиться на массу этой частицы. В чем тут фокус?
Это чрезвычайно сложная тема, тем не менее, это именно та тема, в которой мы разбираемся. Давайте начнем с объяснения того, что из себя представляет вакуум.
В общей теории относительности пространство и время тесным образом связаны и образуют четырехмерную структуру пространственно-временного континуума. Если вы возьмете все частицы во Вселенной и удалите их на бесконечно далекое расстояние от того района, где мы находимся, если вы примете тот факт, что пространство постоянно расширяется, если вы также удалите все формы излучения и внутреннюю кривизну самого пространства, вы будете вправе сказать, что вы создали плоское пустое пространство.
Но когда вы задумаетесь над тем, что мы живем во Вселенной, где всеми частицами и их взаимодействиями управляет квантовая теория поля, вам придется признать, что, даже если убрать все физические частицы, то физические поля, управляющие их взаимодействиями, все равно останутся. И одним из следствий этого становится тот факт, что то, что мы считаем «плоским пустым пространством», на самом деле не является некой постоянной величиной, лишенной всякой энергии. В этом смысле правильнее было бы рассматривать плоское пустое пространство как квантовый вакуум, в котором присутствует множество квантовых полей.
Возможно, вы слышали о гипотезе о том, что на квантовом уровне Вселенной мы порой сталкиваемся с внутренними неопределенностями, когда речь заходит о конкретных величинах. Мы не можем одновременно знать и месторасположение частицы, и ее импульс, и чем точнее мы измеряем одну из этих величин, тем более неопределенной становится другая. То же самое соотношение неопределенностей применимо к энергии и времени, и это крайней важно.
Если вы посмотрите на то, что считаете абсолютно пустым пространством или вакуумом, но посмотрите на него в течение одного конкретного мгновения, вы должны помнить, что мгновение — это бесконечно малый промежуток времени. В силу действия принципа соотношения неопределенностей общее количество энергии в вашем (даже пустом!) пространстве в этот момент будет чрезвычайно неопределенным. Это значит, что в принципе там могут находиться пары частица-античастица, которые существуют на протяжении самых коротких мгновений в каждый конкретный период времени, при условии что они подчиняются всем известным законам сохранения, действующим в физической Вселенной.
Мы часто слышим, что этот процесс описывается как процесс «появления и исчезновения пар частица-античастица в квантовом вакууме», и хотя такое объяснение можно назвать вполне наглядным, на самом деле все происходит не совсем так. Речь не идет о реальных частицах в том смысле, что если вы пропустите фотон или электрон через этот участок пространства, он не сможет оттолкнуться от этой частицы квантового вакуума. Вместо этого такое объяснение дает нам возможность увидеть некую внутреннюю «возбудимость» квантового вакуума и представить себе, что существует некий резервуар виртуальных частиц, позволяющий нам рассматривать энергию, присущую самому вакууму, как сумму энергий всех этих виртуальных частиц.
Я скажу это еще раз, потому что это важно: вакууму присуща энергия, если мы рассмотрим все квантовые флуктации, присущие этому вакууму, и суммируем их, то мы получим его энергию.
Давайте двигаться дальше. Представим себе, что вместо плоского и пустого пространства наше пространство является пустым, но уже искривленным, то есть что существует некий градиент в гравитационном поле пространства.
Как теперь будут выглядеть квантовые флуктуации? В частности, если пространство искривляется в силу присутствия черной дыры, как будут выглядеть эти флуктуации внутри и за пределами горизонта событий?
Это очень важные вопросы, и чаще всего в ответ на них вы получаете ту картину (довольно обманчивую), которая представлена ниже — в сущности, Павел спрашивает нас именно об этом.
Если вы рассматриваете пары частица-античастица как «реальные» объекты и если одна из них ускользает от горизонта событий черной дыры, а другая попадает в него, тогда вы предполагаете, что энергия Вселенной должна увеличиться за счет энергии частиц: половина энергии уходит вовне, а половина добавляется к массе черной дыры. Но эти пары частица-античастица не являются реальными объектами, это всего лишь визуализация (и способ расчета) энергии, присущей самому пространству.
Суть в том, что, когда пространство искривлено, то, как я писал выше, существует некий градиент гравитационного поля. У нас есть флуктуации, которые помогают нам визуализировать энергию, присущую вакууму, но должны быть также флуктуации, которые начинаются за пределами горизонта событий черной дыры и которые попадают внутрь горизонта событий раньше, чем они могут исчезнуть. Но нельзя просто так забрать энергию у вакуума: должно произойти что-то, что поможет сохранить ее. Таким образом, каждый раз, когда виртуальная частица (или античастица) исчезает, должен появиться реальный фотон (или набор фотонов), чтобы компенсировать его исчезновение. И именно этот реальный фотон, покидающий горизонт событий, и есть то, как черная дыра лишается своей энергии.
То, как мы воспринимали этот процесс прежде — то есть когда одна частица пары частица-античастица попадала внутрь дыры, а другая — за ее пределы — слишком наивно, чтобы оказаться полезным, потому что угасание черных дыр вызывают не частицы и античастицы, а скорее фотоны, следующие спектру абсолютно черного тела.
Более правдоподобная картина (лично я предпочитаю именно ее), которая, тем не менее, тоже немного наивна, заключается в том, что все эти квантовые флуктуации сохраняются, но что каждый раз, когда возникает пара частица-античастица, одна из частиц которой попадает внутрь горизонта событий, возникает аналогичная пара частица-античастица, противоположная частица которой также попадает внутрь горизонта событий. Пара частица-античастица, оказавшаяся за пределами горизонта событий, исчезает, выделяя реальные, обладающие энергией фотоны, а частицы, которые попадают внутрь горизонта событий, забирают у черной дыры соответствующее количество массы (E = mc^2).
Это не является идеальной аналогией (потому что это всего лишь аналогия), но, по крайней мере, на этот раз мы говорим о том, что горизонт событий покидают именно фотоны — как раз это предсказывает теория излучения Хокинга. На самом деле — хотя вам придется выполнить вычисления в рамках квантовой теории поля в искривленном пространстве, чтобы это выяснить — теория излучения Хокинга предполагает, что вы получите фотонный спектр абсолютно черного тела с температурой, вычисляемой по сложной формуле, и эта температура составляет менее 1 микрокельвина для черной дыры такой же массы, как наше солнце, менее 1 пикокельвина для черной дыры, находящейся в центре нашей галактики, и всего лишь несколько десятых аттокельвина для самой большой черной дыры, известной людям. Такие скорости угасания черных дыр, которым соответствует это излучение, являются ничтожно малыми, и это значит, что черные дыры продолжат расти до тех пор, пока они будут поглощать всего один протон на то количество времени, в течение которого существует наша Вселенная. То есть это будет происходить в течение 10^20 с лишним лет.
Потом вследствие излучения Хокинга черные дыры, масса которых равна массе Солнца, наконец, начнут терять больше энергии, чем они будут поглощать, и полностью они испарятся через
10^67 лет, а самые большие черные дыры во Вселенной исчезнут спустя примерно
10^100 лет. Это намного больше возраста нашей Вселенной, тем не менее, это не бесконечность. И исчезнут они благодаря механизму излучения фотонов в процессе излучения Хокинга.
Подведем итоги: вакуум обладает нулевой энергией, которая на самом деле не нулевая, и в искривленном пространстве это приводит к возникновению чрезвычайно низкоэнергетического спектра излучения абсолютно черного тела, который образуется прямо на горизонте событий черной дыры. Это излучение забирает массу у центральной черной дыры и приводит к тому, что горизонт событий со временем немного сокращается. Если вы настаиваете на том, что источником этого излучения являются пары частица-античастица, пожалуйста, по крайней мере, представляйте себе сразу две такие пары, чтобы частица одной пары и античастица другой могли исчезнуть, породив при этом реальные фотоны, которые покидают черную дыру, и чтобы та (виртуальная) пара, которая попадет в нее, забрала энергию (или массу) у самой черной дыры.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Как умирает черная дыра
Все рождается и умирает. Умирают и черные дыры. Их губят их же суперсильные гравитационные поля, в которых квантовые процессы протекают по-особому. Чтобы понять эти процессы, надо рассмотреть свойства физического вакуума.
Пустоты как таковой в природе нет. Есть вакуум, физический вакуум, в котором находится море не рожденных (виртуальных) частиц и античастиц. Никаким вакуумным насосом убрать эти не рожденные частицы нельзя. Нет и других способов устранить их. Эти не рожденные частицы рождаются только в том случае, если появится энергия. Тогда они превратятся в реальные частицы. Носители этой энергии могут быть разные — сильные электромагнитные поля, сильное гравитационное поле и т. д. В обычных же условиях только на короткий миг в каждой точке физического вакуума появляется пара — частица и античастица. Но они тут же сливаются и исчезают. Они возвращаются в свое «эмбриональное» состояние.
Рождение частиц и античастиц происходит, в частности, в переменном поле. Это может быть переменное гравитационное поле. Если гравитационное поле изменяется во времени, то из физического вакуума рождаются фотоны. Их частота соответствует времени изменения поля. В слабом гравитационном поле такой эффект очень мал. Но в сильном поле ситуация меняется. Подобным образом сильное электрическое поле вызывает рождение из физического вакуума пар заряженных частиц — электронов и позитронов.
Из сказанного выше ясно, что в сильных переменных гравитационных полях черных дыр могут рождаться (и рождаются) элементарные частицы и античастицы. При сжатии электрически заряженного тела и превращении его в заряженную черную дыру электрическое поле усиливается настолько, что оно порождает электроны и позитроны. Элементарные частицы рождаются и в эргосфере вращающейся черной дыры. При этом часть энергии вращения черной дыры уходит на рождение частиц. Но, по сути, здесь речь идет не об энергии самой черной дыры, а об энергии полей вокруг черной дыры. В результате рождения частиц и расхода на этот процесс энергии эти поля уменьшают свою энергию.
Однако оказалось, что и сама черная дыра может рождать элементарные частицы. То есть на переход частиц из виртуального состояния в реальное тратится энергия самой черной дыры. Естественно, что это энергия гравитационного поля черной дыры. В результате уменьшается как масса черной дыры, так и ее размеры.
Частица и античастица в физическом вакууме являются сиамскими близнецами. Они превращаются в реальные частицу и античастицу только вместе. Вместе они должны и исчезать, а точнее, возвращаться в физический вакуум. Так всегда и бывает в обычных физических условиях. Но в условиях черной дыры частица и античастица могут оказаться в разных мирах: одна из них может оказаться в области, откуда путь один — падать на черную дыру, а другая в это время может убежать от черной дыры. Рубиконом служит горизонт черной дыры. Если частица и античастица оказались по разные стороны горизонта черной дыры, то они уже никогда не могут слиться и уйти в физический вакуум, превратиться в физическое «ничто». Та частица, которая окажется по эту сторону горизонта черной дыры, спокойно уйдет в космос, унося с собой частичку энергии и массы черной дыры. Но на самом деле это процесс очень маломощный, и он с лихвой компенсируется тем, что на черную дыру непрерывно падает вещество из межзвездного пространства.
Черная дыра рождает не только фотоны, но и другие частицы. Если черная дыра обладает массой, равной массе нескольких Солнц, то их температура настолько низкая, что они могут производить только такие частицы, которые не обладают массой покоя. Это фотоны, электронные и мюонные нейтрино, а также их античастицы. Излучаются такой черной дырой и кванты гравитационных волн — гравитоны. Типичная звездная дыра рождает больше всего нейтрино всех сортов (84 % от всех частиц). Количество рожденных при этом фотонов составляет 17 %. Гравитонов рождается 2 %.
Черная дыра излучает больше всего нейтрино, потому что их квантовое вращение (спин) минимально. Оно равно 1/2. У гравитонов спин равен 2, поэтому их меньше всего.
Черная дыра с малой массой имеет высокую температуру. Такие черные дыры порождают кроме этих частиц и электронно-позитронные пары. Но речь идет о черных дырах, размеры которых в тысячу раз меньше атома. Это, конечно, очень похоже на фантастику. Но, оказывается, должны быть и черные дыры, которые еще меньше. Такие микроскопические черные дыры, как полагают физики, способны излучать также мюоны и более тяжелые элементарные частицы. Эти черные дыры не просто микроскопические. Их размер меньше атомного ядра. Ясно, что такие черные дыры не могут возникать путем бесконечного сжатия звезд. Полагают, что в далеком прошлом могли быть условия, необходимые для рождения таких черных дыр.
Черные дыры могут испаряться. Но это испарение является квантовым. Суть этого испарения состоит в следующем. По законам классической физики у частицы нет возможности вырваться из черной дыры. Но по законам квантовой механики у определенной доли частиц имеется возможность «просочиться» через запретный энергетический барьер. Запретный потому, что у частицы нет достаточного количества энергии для того, чтобы это сделать законно. Она просачивается через энергетический барьер вопреки всем законам физики. Именно вследствие такого процесса просачивания частиц и происходит испарение черных дыр. Получается, что черные дыры сами затягиваются без всяких внешних воздействий. Они просто превращаются в тепловое излучение.
от обычной звезды до черной дыры
Активный период жизни звезды определяется скоростью потери энергии на излучение и запасами топлива. Это зависит от массы звезды. Продолжительность жизни звезды определяется ее массой. Если масса звезды равна массе Солнца, то такая звезда живет активной жизнью примерно десять миллиардов лет. Чем массивнее звезда, тем короче ее активная жизнь. Если масса звезды составляет три массы Солнца, то такая звезда живет всего один миллиард лет. Звезда с массой, равной 10 масс Солнца, живет всего сто миллионов лет.
В том случае, если масса звезды больше 1,2 массы Солнца, то в результате сжатия плотность ее вещества станет еще больше. При такой плотности начнут протекать ядерные реакции, которые поглощают много энергии. Поэтому звезда начинает стремительно сжиматься. Такое сжатие может закончиться ядерным взрывом, он называется вспышкой сверхновой звезды. В результате ядерного взрыва звезда сбрасывает оболочку и превращается в нейтронную звезду. В центре звезды плотность достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре. Примерно такова плотность атомного ядра. Собственно, специалисты считают, что нейтронная звезда есть что-то вроде атомного ядра размером в несколько километров. Ядерные частицы-нуклоны очень тесно упакованы в нейтронной звезде.
Если масса звезды не превосходит две массы Солнца, то нук-лонный газ способен квантовыми силами воспрепятствовать дальнейшему сжатию звезды. Тогда нейтронная звезда перестанет сжиматься и будет существовать в этом качестве. Нейтронные звезды считают холодными. Но на самом деле в ее центре температура достигает сотен — миллионов градусов, а на поверхности миллиона градусов. Тут нет никакого противоречия. При таком состоянии вещества как у нейтронной звезды понятие температуры является формальным, вычислительным и не имеет ничего общего с тем, к которому мы привыкли в повседневной жизни. Собственно, таково положение не только на нейтронной звезде, но даже в нашей атмосфере на высоте в сотни километров. Там ситуация обратная — плотность атмосферного газа столь мала, что можно говорить о вакууме. При такой малой плотности газа, как и при чрезмерно большой плотности, как в нейтронных звездах, температура является чисто вычислительной.