Что такое черная дыра в космосе простым языком для детей видео
Черные дыры — объяснение для детей
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.
Процесс формирования черной звезды
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.
Черные дыры в центрах сливающихся галактиках
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.
Что такое черная дыра в космосе? Что в черных дырах?
До конца изучить, что такое черная дыра в космосе и что представляет из себя этот феномен, можно лишь проведя научные эксперименты внутри этого явления. Однако сделать это не так-то просто.
Ближайший объект с характеристиками черной дыры под названием V4641 располагается на расстоянии 1600 световых лет от Земли.
А один световой год, как известно, равен 9 460 000 миллионам километров. Поэтому теории о природе таких объектов ученые строят на математических расчетах, впервые обоснованных Робертом Оппенгеймером и Хартландом Снайдером в 1939 году.
Но погружаться в запутанные формулы совсем не обязательно. Объяснить, что такое черная дыра в космосе простым языком тоже возможно.
Как зарождаются черные дыры?
Причиной появления подобных объектов становятся процессы, происходящие с ядрами супермассивных звезд. Пока в их недрах происходят термоядерные реакции, они позволяют сохранять высокую температуру и давление. Они, в свою очередь, не дают небесному телу сжаться под действием собственной гравитации.
Как только эти реакции заканчиваются, звезда постепенно сжимается и в итоге происходит коллапс. Если масса звезды меньше трех масс Солнца, то она превращается в так называемый белый карлик, а если больше — в черную дыру. В этом случае она как бы проваливается в саму себя.
То, что делает черная дыра со звездой, легко проиллюстрировать на примере воздушного шарика: при нажатии на его поверхность видно, как она вдавливается внутрь. Со звездой происходит тот же самый процесс и в итоге она превращается как бы в ничто.
Что внутри черных дыр?
И все же это “ничто” остается явлением, которое ученые способны зафиксировать. В космосе они ищут области, которые обладают наибольшей массой, но при этом располагаются в темном пространстве. Обнаружив такие участки, они тщательно изучают их и иногда обнаруживают черные дыры. Многолетние исследования позволили не только убедиться в существовании этого феномена, но и получить некоторое представление о том, из чего состоит черная дыра.
Когда супермассивная звезда коллапсирует, то есть сжимается как бы внутрь себя, образуется мощное гравитационное поле. Оно настолько сильное, что из него не может выбраться даже свет, поэтому дыра и называется черной.
Главное, что нужно знать о том, что находится внутри черной дыры в космосе, это то, что там перестают действовать привычные для обыденного мира законы. Согласно теории Альберта Эйнштейна, гравитация искривляет пространство, и ученые полагают, что пространство и время внутри такого объекта уже не имеют значения.
Если предположить, что в него попадет какой-нибудь предмет, то что с ним происходит дальше никто не узнает. Известно лишь, что после прохождения так называемого горизонта событий, предмет уже никогда не вернется обратно. Горизонт событий — это последний предел, точка невозврата, которая располагается перед входом в черную дыру. Сам горизонт событий излучает во Вселенную потоки частиц. Этот процесс называется излучением Хокинга. Это последняя видимая граница перед небытием.
Что будет, если прыгнуть в черную дыру?
Это невероятное на первый взгляд событие на самом деле можно себе вообразить. Только то, как это будет выглядеть, с трудом укладывается в привычные рамки представлений. Дело в том, что происходящее с человеком, попадающим в черную дыру, можно оценить сразу с двух точек зрения: наблюдателя со стороны и действующего лица. Загвоздка в том, что с каждой точки зрения с человеком происходят абсолютно разные вещи. По крайней мере, так, опираясь на законы Вселенной, утверждают ученые.
С точки зрения наблюдателя тело человека постепенно приближается к внешней границе черной дыры — горизонту событий. Когда оно достигает этой границы, то вытягивается в длину и сужается в ширину. Затем тело как бы застывает и постепенно нагревается, после чего превращается в пепел. То есть наблюдатель со стороны видит, как человек фактически погибает. Это плохая новость, но есть и хорошая. С точки зрения самого действующего лица в его жизни мало что меняется.
С позиции человека, движущегося в черную дыру, все выглядит, если можно так выразиться, довольно буднично. Он вообще может не переживать о том, что будет, если попасть в черную дыру. Во-первых, никакого замедления перед горизонтом событий не происходит и движение остается ровным. Во-вторых, никаких фокусов с вытягиванием тела и его последующим сгоранием нет и в помине. Человек летит себе спокойно и не чувствует своего веса. Он исчезает в черной дыре и продолжает там существование, в то время как наблюдатель со стороны уже мысленно его хоронит. В теоретической физике этот парадокс получил название “исчезновение информации в черной дыре”.
Жизнь после черной дыры
Свою версию о том, что происходит в черных дырах и можно ли выжить после нее, представили создатели фильма “Интерстеллар”. По их сценарию главный герой после того, как оказывается внутри, попадает в искаженный пространственно-временной континуум, где может одновременно находиться в разных местах. Эта действительно присутствующая в научной теории искривленность пространства-времени получила название гравитационной сингулярности. Возможно, именно такое существование ожидает попавшего в дыру человека.
Стоит отметить, что многие ученые высоко оценили изображенные в фильме события как максимально приближенные к существующим результатам исследований. Как бы там ни было, провести эксперимент с прохождением через черную дыру в реальной жизни пока никто не сумел. А не зная точно, что там происходит, лучше держаться от горизонта событий на почтительном расстоянии.
Еще не один год, а может быть десятилетие специалисты будут изучать этот феномен. Возможно когда-нибудь, благодаря черным дырам, новые открытия ученых перевернут представление о времени и пространстве. Пока же этот вопрос по большей части остается такой же загадкой космоса, как и присутствие во Вселенной других разумных существ кроме Homo Sapiens.
Черные дыры: почему они черные, как их находят и при чем здесь квазары
Что такое черная дыра
Черная дыра — это область внутри космоса с настолько сильной гравитацией, что она засасывает все вокруг, включая свет. Профессор РАН Сергей Попов объясняет, что у черных дыр нет одного четкого определения, и даже такое — это один из вариантов. Если спросить разных ученых — астрофизиков и физиков — они подойдут к ответу с разных сторон. Есть энциклопедические словари, которые закрепляют определения и дают конкретные ответы, но единственно верной формулировки не существует.
Сам Сергей определяет черные дыры как максимально компактный объект, который не демонстрирует свойств поверхности. И размер этого объекта соответствует радиусу Шварцшильда — расстоянию от центра тела до горизонта событий. Где горизонт событий — это «точка невозврата» или граница черной дыры. Для каждого объекта существует свой радиус Шварцшильда, который можно рассчитать. Если сжать любой предмет до этого радиуса, он превратится в черную дыру. Условно говоря, если бы мы хотели сжать Солнце и трансформировать его в черную дыру, его радиус составил бы всего 3 км, при изначальных около 700 тыс. км.
Само словосочетание «черная дыра» — это просто удачно придуманное обозначение. Примерно как «Большой взрыв». Сама идея черных дыр возникла в конце XVIII века. Тогда их называли по-другому: были варианты «застывшие звезды» или «коллапсары». Но в итоге научная журналистка Энн Юинг предложила такой термин.
Сергей рассказывает, что в науке часто приживается какое-то словосочетание именно благодаря тому, что оно удобное. Дыра — потому что, если что-то туда попало, то не может выбраться назад. А черная — потому, что сам по себе этот объект ничего или практически ничего не излучает. Если представить пустую Вселенную, черный космос, и поместить там черную дыру, то ее невозможно будет увидеть. Она ничем не выделяется на фоне этой черноты.
Черные дыры как область пространства-времени
Черные дыры еще определяют как область пространства-времени. Сергей Попов объясняет, что все современные теории гравитации — теории геометрические. В них гравитация описывается как свойство пространства и времени. Имеется в виду, что между пространством и временем можно составить уравнение, это взаимосвязанные величины.
С начала ХХ века, с первых работ Эйнштейна по теории относительности, пространство и время объединены в некоторую сущность. Любые тела, не только массивные, но и самые маленькие, искривляют пространство вокруг себя и одновременно влияют на ход времени. Современные измерения позволяют определить, что в одном месте время идет не так, как в другом. Можно провести эксперимент и обнаружить эту разницу.
Черная дыра — это экстремальный способ воздействия на пространство — когда в одном месте собрали так много вещества или энергии, что пространство-время свернулись и образовали специфическую область. Можно говорить, что черная дыра — это объект, но с бытовой точки зрения объект — это что-то имеющее поверхность. Если идти по абсолютно темной комнате, можно наткнуться на стол, это будет объект с началом в конкретной точке. Если в абсолютно темной комнате или с завязанными глазами попасть в черную дыру, невозможно заметить ее границу. Потому что нет никакой твердой поверхности, человек сразу окажется внутри этой области.
Сергей сравнивает такой переход с государственными или областными границами. Если идти по лесу из одной страны в другую, то без указателей и карт невозможно заметить, в какой точке кончается одно государство и начинается другое. Лес в Финляндии ничем не отличается от леса в России, и нет никакой четкой границы, на которую можно наткнуться. И черная дыра — это такая область, где масса свернула пространство-время, и в итоге никакие предметы не могут ее покинуть, как только пересекут границу. Все, что туда попало, навсегда останется за горизонтом.
Черные дыры интересны в первую очередь как экстремальные объекты. Это максимально скрученное пространство-время, и многие эффекты становятся более заметны вблизи черных дыр. Начинают появляться принципиально новые физические феномены.
В теории гравитации стремятся подобраться как можно ближе к этим экстремальным объектам. Поэтому, говорит Сергей, изучение поведения вещества в окрестности черных дыр — очень интересная штука.
Как обнаружить черную дыру
В конце своей жизни массивные звезды могут превращаться в черные дыры. И на этапе, когда только пытались найти первые черные дыры, возник вопрос: как их можно обнаружить. Первая идея была такой: звезды, особенно массивные, нередко рождаются парами. Одна из таких звезд превращается в черную дыру, и мы перестаем ее видеть. При этом она продолжает существовать. Предполагалось, что мы сможем увидеть вращение соседней звезды вокруг этого невидимого объекта, при помощи вычислений измерить его массу и обнаружить, что в этом месте находится черная дыра.
Сергей Попов рассказывает, что исторически это был первый предложенный способ поиска. С 60-х годов ученые пытались искать их по такому методу, но ничего не обнаружили. Последние пару лет стали появляться возможные кандидаты на звание черных дыр, но ученые пока не уверены, что в паре с обычными звездами находятся именно они.
Если опять обратиться к черной дыре, которая соседствует со звездой, то вещество с обычной звезды может перетекать в дыру. Черная дыра своей гравитацией будет засасывать это вещество. Если представить, что в нее одновременно кинули два камня, они могут столкнуться над горизонтом на скорости почти равной скорости света. При таком столкновении выделится много энергии, которую можно заметить.
Но в звездах не камни, а газ. Когда разные слои газа трутся друг о друга, они нагреваются до миллионов градусов, и это тепло можно увидеть. С помощью такого способа в конце 60-х — начале 70-х годов, когда стали запускать первые рентгеновские детекторы в космос, открыли и первые черные дыры.
В начале 60-х годов стало ясно, что есть яркие астрономические объекты — квазары. Дословно— «похожий на звезду радиоисточник». Это активные ядра галактик на начальном этапе развития, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Обнаружить их можно даже на очень отдаленных расстояниях. В ходе изучения квазаров стало ясно, что это небольшой источник, который находится в центре далекой галактики и при этом испускает много энергии. Попов рассказывает, что когда ученые открывают квазар, они уверены, что там «сидит» сверхмассивная черная дыра. Сейчас это самый массовый способ открытия черных дыр.
Почти все массивные звезды превращаются в черные дыры, но не все они находятся в двойных системах, или у них нет перетекания. В таком случае дыры ищут другим способом. Сергей рассказывает, что черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя, но тут важна не столько масса, сколько компактность. Понять это легко, достаточно представить острый предмет. Это предмет с очень маленькой площадью. Если просто ткнуть куда-то пальцем, нельзя проткнуть поверхность, а если с такой же силой надавить на иголку, то проткнется палец, которым на нее давят. Так вот маленькие объекты при той же массе сильнее искривляют пространство-время вокруг себя. Такой эффект называется гравитационным линзированием.
Ученые наблюдают за звездой и вдруг замечают, что ее блеск растет, а потом совершенно симметрично спадает обратно. Со звездой ничего не произошло, но между нами и звездой пролетел массивный объект. И этот массивный объект, искажая пространство-время, собрал световые лучи.
Поэтому кажется, будто возрастает светимость звезды, а на самом деле просто больше ее света было собрано и попало к нам. Звезда с массой десять масс Солнца светила бы очень заметно, ученые бы ее не пропустили. А в таких наблюдениях появляется абсолютно темный объект с массой примерно десять солнечных. Что это может быть? Только черная дыра.
Если есть пара черных дыр, то, сливаясь, они будут порождать гравитационно-волновой всплеск. И в 2015 году впервые были обнаружены такие всплески гравитационного излучения. Это последний на сегодняшний день хороший способ поиска черных дыр.
Как сфотографировать черную дыру
Сергей Попов предлагает вспомнить фильмы или книги о человеке-невидимке. Его не видно, но если он надевает на себя одежду, мы видим одежду. Если пытается скрыться, то можно обсыпать его мукой или заметить следы. Черные дыры изучают примерно тем же способом. Ученые не видят горизонт событий и не видят недра черной дыры, поскольку ничто не может пересечь горизонт обратно в нашу сторону. Но они изучают поведение вещества вокруг.
То, что принято называть фотографией черной дыры, на самом деле — изображение вещества, движущегося вокруг черной дыры. Но в центре действительно возникает темная область, поскольку там находится черная дыра, из которой не может исходить свет.
По большей части черные дыры — маленькие объекты, находящиеся очень далеко от нас. Разглядеть черноту внутри яркой области удалось всего в одном случае. Для качественного снимка нужна была самая большая черная дыра в центре относительно близкой галактики. Дальше встала техническая задача — получить изображение с достаточной детализацией. Ни один телескоп сам по себе не может сделать такое изображение. Но если совместить несколько телескопов и разнести их на большие расстояния, то с точки зрения деталей они будут работать как один большой телескоп. Именно таким способом, при помощи нескольких телескопов, разбросанных почти по всему земному шару, удалось сделать снимок того, что все называют фотографией черной дыры в галактике М87. Такая фотография пока остается единственной.
Чтобы получить нечто похожее на снимок от других объектов, ученым нужны новые инструменты. Тем не менее есть прямые данные наблюдения поведения вещества вокруг разных черных дыр, практически вплоть до самого горизонта. До расстояния всего в несколько раз превышающих размер горизонта черной дыры.
Черная дыра
Что такое чёрная дыра? Если объяснять простым языком, доступным для всех, то это этап цикла жизни звезды. Эта ступень развития, по мнению учёных, появляется у неё после ещё нескольких стадий в начале и середине жизни звезды, а точнее звезда сначала представляет из себя газово-пылевое (межзвёздное) облако, затем, по истечению миллионов, а может и миллиардов лет, превращается в раскалённый газовый шар.
В таком равномерном состоянии звезда средних размеров живёт несколько миллиардов лет. После, топливо в ней выгорает. Тут то её судьба делится на два пути: она может превратиться в красного гиганта, а может и в чёрную дыру. Так как же это происходит?
Судьба астронавта и горизонт событий
Черная дыра — это состояние тела, при котором его соотношение с размерами и плотностью превосходят критическое значение. Это область бесконечно искривлённого пространства-времени по мере приближения к ее середине. Там самое интересное. Простым языком, в центре такой звёзды располагается точка с бесконечной плотностью и остановившимся временем!
Поверхность черной дыры называется «горизонтом событий». Эта тонкая область, распространённая по всей сфере дыры, где фотоны не так далеко от её центра, чтобы улететь в космическое пространство, но и не настолько близко, чтобы провалиться внутрь. Они то и составляют горизонт событий, кружась по орбите.
По мнению учёных, вся жизнь такой звёзды на конечной стадии её цикла длится около 20 миллиардов (20 000 000 000) лет, в то время как всей вселенной всего тринадцать миллиардов (13 000 000 000).
Происхождение теории
Черная дыра, прежде всего, это теория, развитая с помощью математических уравнений.
Это одна из таких теорий, развитых «пером на бумаге». Теория о черной дыре появилась совсем недавно, в конце двадцатого века в силу развития квантовой механики и принципа неопределенности.
Основной деятель, вложивший наибольший вклад в определение и описание таких объектов, это Стивен Хокинг.
Одна из его работ показывает на теории, что такие объекты, несмотря на их бесконечную гравитацию, из-под которой не способен выбраться даже свет, всё же могут испускать излучение. Это объясняет уже квантовая механика.
Также на её основе и с помощью математики Стивен Хокинг сделал предположение о том, что, испарившись, чёрная дыра пропадает в пространстве-времени, таким образом заканчивая свою жизнь.