Существование черных дыр

В статье рассмотрены такие космические объекты как черные дыры, приведено их определение, освещено их влияние на пространственно-временной континуум. Также определены причины появления и способы их обнаружения. Смоделирована ситуация свободного падения тела в черную дыру. Данный процесс описан как со стороны объекта, попадающего за горизонт событий, так и со стороны наблюдателя.

Ключевые слова: черная дыра, звезда, галактика, Вселенная.

Во Вселенной существует бесчисленное количество космических объектов. Некоторые из них могут оказывать огромное влияние на пространство вокруг себя, одними из таких являются черные дыры.

Наука, которая изучает принципы физики и химии, физические процессы в астрономических объектах, таких как звёзды, галактики, экзопланеты и т. д., называется астрофизикой.

Черная дыра — область пространства-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. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он представляет собой сферу с радиусом Шварцшильда, который считается характерным размером чёрной дыры [1].

Обнаружение черных дыр является трудной задачей в настоящее время, так как они не излучают свет и обнаружить их можно только по косвенным признакам.

Целью настоящей работы является:

− изучение методов обнаружения черных дыр;

− выяснение, что произойдет с телом при попадании в черную дыру.

На данный момент учёными обнаружено около тысячи объектов во Вселенной, которые причисляются к чёрным дырам. Всего же, предполагают учёные, существуют десятки миллионов таких объектов [2].

В настоящее время единственный достоверный способ отличить чёрную дыру от объекта другого типа состоит в том, чтобы измерить массу и размеры объекта и сравнить его радиус с гравитационным радиусом, который задаётся формулой:

где G ‒ гравитационная постоянная (;

M ‒ масса объекта, кг;

с ‒ скорость света, м/с.

Одним из способов обнаружения черных дыр является обращающиеся вокруг них газопылевые облака. Излучение от газопылевых облаков можно наблюдать в рентгеновском диапазоне, поскольку, вращаясь вокруг черной дыры, газопылевые облака нагреваются до очень высоких температур. По излучению можно измерить массу объекта в центре вращения, а уже по массе сделать вывод, является ли этот объект черной дырой [3].

Другим способом обнаружения черных дыр является метод гравитационного возмущения. Таким образом, наличие черной дыры можно определить по гравитационному влиянию на окружающие тела, изменяющему траектории движения космических объектов. Например, расхождение расчетной траектории движения планеты вокруг некоторой звезды с фактической может указать о наличии массивного объекта, оказывающего влияние на траекторию планеты. Черные дыры же могут искажать траекторию огромных облаков газа и звезд.

Также в обнаружении черной дыры может помочь такое явление, как гравитационное линзирование, т. е. свет, находящийся вблизи черной дыры, будет изменять траекторию, искажаясь и огибая космическое тело (рис. 1.).

Рис. 1. Модель огибания светом черной дыры

Крупнейшие известные черные дыры в данный момент представлены в табл. 1.

Таблица 1

Крупнейшие черные дыры

В настоящее время в астрофизике существуют две реалистичные причины появления черных дыр и две гипотетические, рассмотрим реалистичные.

Гравитационный коллапс очень массивной звезды или части галактики. Звезда, утратившая энергию своих термоядерных реакций, имеющая массу более трёх солнечных может превратиться в нейтронную звезду и, если она превысит верхний предел массы невращающейся нейтронной звезды, то превратится в черную дыру. По гипотезе ученых данный процесс может протекать не только со звездой, но и с частью галактики.

Рассмотрим ситуацию, при которой тело свободно падает в черную дыру. Известно, что при уменьшении расстояния до центра черной дыры её влияние на пространственно-временной континуум увеличивается. В зависимости от расстояния до центра пространство и время искажаются в различной степени, таким образом, достигнув горизонта событий объект с точки зрения наблюдателя бесконечно замедлится и будет растянут в одном направлении и сжат в другом. Для объекта и наблюдателя картины будут различаться. С точки зрения объекта в данной ситуации время не замрет на одном месте. По гипотезе при пересечении горизонта событий на объект будет действовать бесконечная гравитация и, даже двигаясь со скоростью света, покинуть черную дыру ему не удастся [4].

Такие сверхмассивные гравитационные объекты как черные дыры сложно определить среди множества других космических тел. До сих пор не ясны многие явления, связанные с существованием черных дыр. До конца не понятно, какое влияние они оказывают непосредственно на человечество сейчас, но очевидно, что такие объекты могут представлять опасность при условии возникновения вблизи Солнечной системы. Многие вопросы в этой области еще предстоит изучить.

По полученным результатам можно сделать следующие выводы:

1. Обнаружение черных дыр весьма затруднительно, они не излучают свет, поэтому для их обнаружения используют косвенные методы.
2. Реалистичными причинами возникновения черных дыр являются схлопывание нейтронных звезд или частей галактик под собственной тяжестью.
3. Модель ситуации попадания объекта в черную дыру показывает, что покинуть черную дыру невозможно.

Литература:

1. Шапиро С. А.,Тьюколски С. А. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды: в 2-х ч. Ч. 2. Пер. с англ. ‒ М.: Мир, 1985, 257‒656 с., ил.
2. Robert M. Wald. General Relativity. ‒ University of Chicago Press, 1984. ‒ 506 с.
3. Новиков И. Д., Фролов В. П. Физика Черных дыр. ‒ М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986.‒ 328 с.
4. Свободная энциклопедия Википедия: Черная дыра [Электронный ресурс], — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Черная_дыра, свободный. — Загл. с экрана.