Мир вам ничего не должен – он был тут раньше вас.
- Марк Твен
Читатель спрашивает:
А почему Вселенная не сжалась в чёрную дыру сразу после Большого взрыва?
Честно говоря, я и сам об этом много думал. И вот почему.
Вселенная в наше время полна всего. Наша галактика - это крутой замес из звёзд, планет, газа, пыли, большого количества тёмной материи, содержащая от 200 до 400 миллиардов звёзд, и весящая в сумме в триллион раз больше, чем вся наша Солнечная система. Но наша галактика - всего лишь одна из триллиона галактик схожего размера, разбросанных по Вселенной.
Но как бы ни была массивна Вселенная, эта масса распределена по огромному пространству. Наблюдаемая часть Вселенной составляет в диаметре порядка 92 миллиардов световых лет, что по сравнению с границами нашей Солнечной системы трудно себе представить. Орбита Плутона и других объектов пояса Койпера составляет 0,06% от светового года. Поэтому у нас есть огромная масса, распределённая по огромному объёму. И хотелось бы представить, как они соотносятся друг с другом.
Ну, наше Солнце весит 2*10^30 кг. Это значит, что оно содержит 10^57 протонов и нейтронов. Если учесть, что во Вселенной содержится 10^24 солнечных масс обычной материи, получается, что в сфере радиусом 46 миллиардов километров содержится 10^81 нуклонов. Если посчитать среднюю плотность Вселенной, она окажется равной примерно двум протонам на кубический метр. А это МИЗЕР!
Поэтому, если начать думать о ранней стадии развития нашей Вселенной, когда вся материя и энергия были собраны в очень маленьком пространстве, которое было гораздо меньше даже нашей Солнечной системы, приходится задуматься над вопросом нашего читателя.
Когда Вселенная была возрастом в одну пикосекунду после Большого взрыва, вся эта материя, содержащаяся сейчас в звёздах, галактиках, кластерах и суперкластерах Вселенной, находилась в объёме меньшем, чем сфера с радиусом равным текущему радиусу орбиты Земли.
И, не умаляя теории насчёт того, что вся Вселенная уместилась в таком маленьком объёме, скажем, что нам известны чёрные дыры, которые уже существуют, и масса которых гораздо меньше массы Вселенной, а их размер при этом гораздо больше, чем упомянутый объём!
Перед вами - гигантская эллиптическая галактика Messier 87, самая большая галактика на расстоянии в 50 миллионов световых лет от нас, что составляет 0.1% от радиуса наблюдаемой Вселенной. В её центре есть супермассивная чёрная дыра, с массой в 3.5 миллиардов солнечных. Это значит, что у неё шварцшильдовский радиус - или радиус, из которого не может убежать свет. Он составляет примерно 10 миллиардов километров, что в 70 раз больше расстояния от Земли до Солнца.
Так что если такая масса в таком маленьком объёме приводит к появлению чёрной дыры, почему же масса в 10^14 раз большая, находясь в ещё меньшем объёме, не привела к появлению чёрной дыры, а, очевидно, привела к появлению нашей Вселенной?
Так она чуть и не привела. Вселенная со временем расширяется, а скорость её расширения уменьшается по мере нашего движения в будущее. В далёком прошлом, в первых пикосекундах Вселенной скорость её расширения была намного, намного больше, чем сейчас. Насколько больше?
Сегодня Вселенная расширяется со скоростью примерно 67 км/с/МПк, что означает что на каждый мегапарсек (примерно 3,26 миллиона световых лет) на котором что либо находится от нас, расстояние между нами и этим объектом расширяется со скоростью 67 километров в секунду. Когда возраст вселенной составлял пикосекунды, эта скорость была ближе к 10^46 км/с/МПк. Чтобы представить себе это, можно сказать, что такая скорость расширения сегодня привела бы к тому, что каждый атом материи на Земле удалялся бы от других так быстро, что расстояние между ними увеличивалось бы на световой год каждую секунду!
Это расширение описывает уравнение выше. На одной его стороне есть H, хаббловская скорость расширения Вселенной, а на другой - много всякого. Но самое важное – это переменная ρ, которая обозначает плотность энергии Вселенной. Если H и ρ идеально сбалансировать, Вселенная сможет прожить очень долго. Но даже небольшой дисбаланс приведет к одному из двух очень неприятных последствий.
Если бы скорость расширения Вселенной была чуть поменьше, относительно количества её массы и энергии, то нашу Вселенную ждал бы почти мгновенный коллапс. Превращение в чёрную дыру или Большое сжатие произошло бы очень быстро. А если бы скорость расширения была бы чуть-чуть повыше, то атомы вообще бы не соединились друг с другом. Всё расширялось бы так быстро, что каждая субатомная частица существовала бы в своей собственной Вселенной, и ей не с чем было бы взаимодействовать.
А насколько должны были отличаться скорости расширения для получения таких разных результатов? На 10%? На 1%? На 0.1%?
Берите выше. Потребовалась бы разница менее чем в 1/10^24, чтобы дать Вселенной время просуществовать в течении 10 миллиардов лет. То есть, даже отличия на 0.00000001% от произошедшей скорости расширения было бы достаточно, чтобы Вселенная сколлапсировала бы обратно меньше чем за секунду, если бы расширение было слишком медленным. Или для предотвращения формирования даже одного атома гелия, если бы расширение было слишком большим.
Но у нас ничего этого нет: у нас есть Вселенная, представляющая собой пример почти идеального баланса между расширением и плотностью материи и излучения, и отличается текущее состояние от идеального баланса всего лишь на очень небольшую ненулевую космологическую константу. Почему она есть, мы объяснить пока не можем, но может быть, вам понравится изучать то, что её не объясняет!
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. COMBES
Давайте попробуем отвести часы назад. До возникновения жизни, до появления Земли, до рождения Солнца и формирования галактик, до того, как начал литься свет, произошёл . И это было 13,8 миллиарда лет назад.
Но что же раньше? Многие физики утверждают, что никакого «раньше» не существует. Они полагают, что само время началось в момент Большого Взрыва, а всё что было до этого не умещается в научной сфере. Согласно этой точке зрения, мы никогда не сможем постичь, какой была реальность до Большого Взрыва, из каких компонентов он сформировался, и почему случился, дав начало нашей вселенной.
Но есть учёные чуждые условностям, и они не согласны. Эти люди строят замысловатые теории о том, что за мимолётное мгновение до Большого Взрыва вся энергия и масса зарождавшейся вселенной сжалась в нереально плотную, но вполне ограниченную крупинку. Можно назвать её «Семенем новой действительности».
Эти взбалмошные физики полагают, что Семя было невообразимо крохотным, вероятно, в триллионы раз меньше любой элементарной частицы, которую может наблюдать человек. И тем не менее, именно эта крупица стала толчком для появления всего прочего: других частиц, галактик, нашей солнечной системы и людей. Если вы по-настоящему горите желанием назвать хоть что-нибудь частицей Бога, то это Семя — лучший кандидат для такого названия.
А как тогда возникло это Семя? Идея, выдвинутая Никодимом Поплавским из университета Нью-Хейвена, гласит, что Семя нашей реальности появилось в первичной печи чёрной дыры.
Размножение мультивселенных
Прежде чем мы копнём глубже, стоит понять, что за последние годы многие интересующиеся данным вопросом пришли к заключению, что наша вселенная далеко не единственная. Она может быть лишь крохотной частью огромной мультивселенной, одним из светящихся шаров в истинных ночных небесах.
Никто не знает, как эти вселенные связаны между собой, и есть ли вообще подобная связь. И хоть возникающие по этому поводу споры умозрительны и недоказуемы, всё же есть одна занятная идея, гласящая, что Семя каждой вселенной очень похоже на семя растения. Маленький кусочек драгоценно важной материи, компактно сжатый и скрытый под защитной оболочкой.
Этим весьма точно объясняются события, происходящие внутри Чёрной Дыры. Все Чёрные Дыры это останки гигантских звёзд, у которых закончилось топливо, а ядро схлопнулось. Когда силы гравитации сжимают всё с умопомрачительной и постоянно увеличивающейся мощью. Тогда температура поднимается до 100 миллиардов градусов, атомы распадаются, а электроны разрывает на куски. И затем эта каша ещё больше сжимается.
Теперь звезда — это Чёрная Дыра. А это означает, что сила её притяжения столь громадна, что из неё не может выскользнуть даже луч света. Граница между внешней и внутренней частями Чёрной Дыры носит название горизонта событий. В центре практически каждой галактики, не исключая и наш Млечный Путь, если хорошенько присмотреться, можно обнаружить массивные Чёрные Дыры, которые в миллионы раз крупнее нашего Солнца.
Вопросы без дна
Воспользовавшись теорией Эйнштейна для того, чтобы определить, что же твориться на дне Чёрной Дыры, мы непременно упрёмся в концепцию сингулярности, согласно которой, там бесконечно плотная и бесконечно малая точка. А это противоречит самой природе, в которой бесконечностей вроде как не существует... Неувязка кроется в самих формулах Эйнштейна, которые идеально подходят для расчётов касательно большей части пространства-времени, однако напрочь не работают в квантовых масштабах неимоверных сил, что правят рождением вселенных и живут внутри Чёрных Дыр.
Такие физики-теоретики как доктор Поплавский утверждают, что материя в Чёрной Дыре доходит до того, что сдавить её больше не является возможным. Это крохотное Семя весит как миллиард звёзд, но в отличие от сингулярности, всё же вполне реально.
Поплавский считает, что сжатие останавливается, ибо Чёрные Дыры очень быстро крутятся, возможно, достигая в этом вращении скорости света. А это маленькое и тяжёлое Семя, обладающее нереальным осевым кручением, сжатое и искривлённое можно сравнить с пружиной черта из табакерки. Совершенно внезапно это Семя может прорасти и сделать это с мощным хлопком. Подобные дела и именуются Большим Взрывом, или, как предпочитает выражаться Поплавский, Большим Отскоком.
Другими словами, может оказаться, что Чёрная Дыра — это тоннель между двумя вселенными, при чём в один конец. Что в свою очередь означает, попади вы в Чёрную Дыру, тут же окажетесь в другой вселенной (точнее то, что от вас останется). Та другая вселенная не имеет отношения к нашей; дыра — это лишь соединительное звено, словно общий корень, из которого растут два дерева.
Так как же на счёт всех нас, внутри нашей родной вселенной? Мы можем быть детьми иной, более древней пра-вселенной. Семя, выкованное внутри Чёрной Дыры матерью-вселенной, могло 13,8 миллиарда лет назад исполнить Большой Отскок, и не смотря на то, что с тех пор наша вселенная по-прежнему быстро расширяется, мы всё ещё можем существовать за горизонтом событий той Чёрной Дыры.
Чёрная дыра в физике определяется как область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе и кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер – гравитационным радиусом, который назван радиусом Шварцвальда. Чёрные дыры – это самые загадочные объекты во Вселенной. Своим неудачным названием они обязаны американскому астрофизику Джону Уиллеру. Это он в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» в 1967 г. назвал эти сверхплотные тела дырами. Ранее подобные объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары». Но термин «чёрная дыра» прижился, и менять его уже стало просто невозможно. Во Вселенной существует два типа черных дыр: 1 – сверхмассивные черные дыры, масса которых в миллионы раз больше массы Солнца (считается, что такие объекты находятся в центрах галактик); 2 – менее массивные черные дыры, которые возникают в результате сжатия гигантских умирающих звезд, масса их больше трех масс Солнца; при сжатии звезды вещество все сильнее уплотняется и в результате гравитация объекта усиливается до такой степени, что свет не может преодолеть ее. Чёрную дыру не может покинуть ни излучение, ни вещество. Чёрные дыры – это сверхмощные гравитаторы.
Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в чёрную дыру, называется гравитационным радиусом. Для чёрных дыр, образовавшихся из звезд, он составляет всего лишь несколько десятков километров. В некоторых парах двойных звезд одна из них невидима в самый мощный телескоп, но масса невидимого компонента в такой гравитационной системе оказывается чрезвычайно большой. Скорее всего, такие объекты являются или нейтронными звездами, или чёрными дырами. Иногда невидимые компоненты в таких парах срывают вещество с нормальной звезды. В этом случае газ отделяется от внешних слоев видимой звезды и падает неведомо куда – на невидимую чёрную дыру. Но прежде чем упасть на дыру, газ излучает электромагнитные волны самой разной длины, в том числе и очень короткие рентгеновские волны. Более того, вблизи нейтронной звезды или чёрной дыры газ сильно разогревается и становится источником мощного высокоэнергичного электромагнитного излучения в рентгеновском и гамма-диапазонах. Такое излучение не проходит сквозь земную атмосферу, но его можно наблюдать с помощью космических телескопов. Одним из вероятных кандидатов в чёрные дыры считается мощный источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя.
Понятие чёрной дыры известно всем — от школьника до людей преклонного возраста, оно используется в научной и фантастической литературе, в желтых СМИ и на научных конференциях. Но что конкретно представляют собой такие дыры, известно далеко не всем.
Из истории чёрных дыр
1783 г. Первая гипотеза существования такого явления, как чёрная дыра, была выдвинута в 1783 году английским учёным Джоном Мичеллом. В своей теории он объединил два творению Ньютона — оптику и механику. Идея Мичелла была такова: если свет — это поток мельчайших частиц, то, как и все другие тела, частицы должны испытывать притяжение гравитационного поля. Получается, чем массивнее звезда, тем сложнее свету противиться её притяжению. Через 13 лет после Мичелла, французский астроном и математик Лаплас выдвинул (скорее всего, независимо от британского коллеги) схожую теорию.
1915 г. Однако, все их труды оставались невостребованными вплоть до начала XX века. В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности и показал, что гравитация есть искривление пространства-времени, вызванное материей, а спустя несколько месяцев немецкий астроном и физик-теоретик Карл Шварцшильд использовал её для решения конкретной астрономической задачи. Он исследовал структуру искривленного пространства-времени вокруг Солнца и заново открыл феномен чёрных дыр.
(Джон Уилер ввел в научный обиход термин "Чёрные дыры")
1967 г. Американский физик Джон Уилер обрисовал пространство, которое можно скомкать, подобно листику бумаги, в бесконечно малую точку и обозначил термином "Чёрная дыра".
1974 г. Британский физик Стивен Хокинг доказал, что чёрные дыры, хоть и поглащают метерию без возврата, могут испускать излучение и в конце концов испаряться. Такое явление получило название "излучение Хокинга".
2013 г. Новейшие исследования пульсаров и квазаров, а также открытие реликтового излучения, наконец сделали возможным описать само понятие чёрных дыр. В 2013 году газовое облако G2 приблизилось на очень близкое расстояние к чёрной дыре и скорее всего будет поглощено ей, наблюдения за уникальным процессом даёт огромные возможности для новых открытий особенностей чёрных дыр.
(Массивный объект Стрелец А*, его масса больше Солнца в 4 млн раз, где подразумевается скопление звезд и образование чёрной дыры )
2017 г . Группа ученых из коллоборации нескольких стран Event Horizon Telescope, связав восемь телескопов с разных точек континентов Земли, проводили наблюдения за чёрной дырой, которая является сверхмассивным объектом и находится в галактике М87, созвездие Дева. Масса объекта 6,5 млрд (!) солнечных масс, в гигантские разы больше массивного объекта Стрелец А*, для сравнения диаметром чуть менее расстояния от Солнца до Плутона.
Наблюдения проводились в несколько этапов, начиная с весны 2017 года и в течении периодов 2018 года. Объём информации исчислялся петабайтами, которые затем следовало расшифровать и получить подлинный снимок сверхдалекого объекта. Поэтому потребовалось ещё целых два года для досканальной обработки всех данных и соединения их в одно целое.
2019 г. Данные были успешно расшифрованы и приведены в вид, получив первое в истории изображение чёрной дыры.
(Первый в истории снимок чёрной дыры в галактики М87 в созвездии Дева )
Разрешение изображения позволяет увидеть тень точки невозврата в центре объекта. Изображение получено в результате интерферометрических наблюдений со сверхдлинной базой. Это, так называемые, синхронные наблюдения одного объекта с нескольких радиотелескопов, соединенных между собой сетью и находящихся в разных частях земного шара, направленных в одну сторону.
Чем на самом деле являются чёрные дыры
Лаконичное объяснение феномена звучит так.
Чёрная дыра — это пространственно-временная область, чье гравитационное притяжение настолько велико, что её не может покинуть ни один объект, в том числе световые кванты.
Когда-то чёрная дыра была массивной звёздой. Пока термоядерные реакции поддерживают в её недрах высокое давление, всё остаётся в норме. Но со временем запас энергии истощается и небесное тело, под действием собственной гравитации, начинает сжиматься. Завершающий этап этого процесса — схлопывание звездного ядра и образование чёрной дыры.
- 1. Выбрасывание черной дырой струи на высокой скорости
- 2. Диск материи перерастает в чёрную дыру
- 3. Чёрная дыра
- 4. Детальная схема региона чёрной дыры
- 5. Размер найденных новых наблюдений
Самая распространённая теория гласит, что подобные феномены есть в каждой галактике, в том числе и в центре нашего Млечного пути. Огромная сила притяжения дыры способна удерживать вокруг себя несколько галактик, не давая им удаляться друг от друга. «Площадь покрытия» может быть разной, всё зависит от массы звёзды, которая превратилась в чёрную дыру, и может составлять тысячи световых лет.
Радиус Шварцшильда
Главное свойство чёрной дыры — любое вещество, которое в неё попало, никогда не сможет вернуться. Это же касается и света. По своей сути дыры — это тела, которые полностью поглощают весь попадающий на них свет и не испускающие собственного. Такие объекты визуально могут казаться сгустками абсолютной темноты.
- 1. Движущаяся материя в половину скорости света
- 2. Фотонное кольцо
- 3. Внутреннее фотонное кольцо
- 4. Горизонт событий в чёрной дыре
Отталкиваясь от Общей теории относительности Эйнштейна, если тело приблизилось на критическое расстояние к центру дыры, оно уже не сможет вернуться. Это расстояние называют радиусом Шварцшильда. Что именно происходит внутри этого радиуса доподлинно неизвестно, но есть наиболее распространенная теория. Считается, что всё вещество чёрной дыры концентрируется в бесконечно малой точке, а в её центре находится объект с бесконечной плотностью, который ученые именуют сингулярным возмущением.
Как происходит падение в чёрную дыру
(На картинке чёрная дыра Стрельца А* выглядит крайне ярким скоплением света)
Не так давно, в 2011 году, ученые обнаружили газовое облако, дав ему несложное название G2, которое испускает необычные свет. Такое свечение может давать трение в газе и пыли, вызываемое действием чёрной дыры Стрельца А* и которые вращаются вокруг нее в виде аккреционного диска. Таким образом, мы становимся наблюдателями удивительного явления поглощения сверхмассивной чёрной дырой газового облака.
По последним исследованиям наибольшее сближение с черной дырой произойдет в марте 2014 года. Мы можем воссоздать картину того, как будет происходит это захватывающее зрелище.
- 1. При первом появлении в данных газовое облако напоминает огромный шар из газа и пыли.
- 2. Сейчас по состоянию на июнь 2013 года облако находится в десятках миллиардов километров от чёрной дыры. Оно падает в неё со скоростью 2500 км/с.
- 3. Ожидается, что облако пройдет мимо чёрной дыры, но приливные силы, вызванные различием в притяжении, действующем на передний и задний край облака, заставят его принимать всё более вытянутую форму.
- 4. После того, как облако будет разорвано, большая его часть, скорее всего, вольется в аккреционный диск вокруг Стрельца А*, порождая в нём ударные волны. Температура при этом подскочит до нескольких миллионов градусов.
- 5. Часть облака упадёт прямо в чёрную дыру. Никто не знает в точности, что случится потом с этим веществом, но ожидается, что в процессе падения оно будет испускать мощные потоки рентгеновских лучей, и больше его никто не увидит.
Видео: чёрная дыра поглощает газовое облако
(Компьютерное моделирование того, как большая часть газового облака G2 будет разрушено и поглощено чёрной дырой Стрельцом А*)
Что там внутри чёрной дыры
Есть теория, которая утверждает, что чёрная дыра внутри практически пуста, а вся её масса сосредоточена в невероятно маленькой точке, находящейся в самом её центре - сингулярности.
Согласно другой теории, существующей на протяжении полувека, всё, что попадает в чёрную дыру, переходит в другую вселенную, находящуюся в самой чёрной дыре. Сейчас это теория не является основной.
И есть третья, самая современная и живучая теория, по которой всё, что попадает в чёрную дыру, растворяется в колебаниях струн на её поверхности, которую обозначают, как горизонт событий.
Так что же такое - горизонт событий? Внутрь чёрной дыры заглянуть нельзя даже сверхмощным телескопом, так как даже свет, попадая внутрь гигантской космической воронки, не имеет шансов вынырнуть назад. Всё, что можно хоть как-то рассмотреть, находится в её ближайших окрестностях.
Горизонт событий - это условная линия поверхности, из под которой ничто (ни газ, ни пыль, ни звезды, ни свет) выйти уже не сможет. И вот это и есть та самая таинственная точка невозврата в чёрных дырах Вселенной.
Хотя черные дыры считаются одной из самых разрушительных сил в пространстве, в них также могут жить развитые цивилизации, похожие на нашу, считают исследователи. Исходя из этой радикальной теории можно сделать вывод, что и мы можем жить в нашей собственной черной дыре. Та же теория предполагает, что если мы попадаем в черную дыру в центре Млечного Пути, то наши частицы могут оказаться разбросанными по другой Вселенной.
Ряд физиков-теоретиков исследовали эту концепцию в течение последних нескольких лет, в первую очередь, Никодем Поплавский из Университета Нью-Хейвена. Эйнштейн предсказал, что центр черной дыры - бесконечно плотный и небольшой, однако группа молодых ученых утверждает, что бесконечность, обычно, не встречается в природе. Они считают, что вместо этого в ее центре может находиться что-то маленькое, но конечное.
Согласно теории доктора Поплавского, в центре Большого Взрыва находилось "семя", сформированное внутри черной дыры. Это семя, как полагают, было в триллионы раз меньше любой частицы из тех, что людям удалось определить на сегодняшний день, говорится в докладе Майкла Финкеля, опубликованном National Geographic.
Эта крошечная частица была достаточно мощной, чтобы вызвать производство любой другой частицы, которые в настоящее время составляют галактики, солнечные системы, планеты и людей. Доктор Поплавский предполагает, что это семя появилось из черных дыр - супер-мощных "печей" Вселенной.
Ученый говорит, что черная дыра может являться "дверью" между двумя Вселенными, ведущей, правда, только в одну сторону. Он утверждает, что если что-то попадает в черную дыру в центре Млечного Пути, то оно, в итоге, оказывается в параллельной Вселенной. Если наша Вселенная была создана из сверхплотного "семени", теория предполагает, что мы, возможно, также живет в одной из этих черных дыр.
Русский космолог Вячеслав Докучаев утверждает, что если жизнь может существовать внутри сверхмассивных черных дыр, то именно там бы развились наиболее развитые цивилизации в . В 2011 году профессор Докучаев из московского Института ядерных исследований Российской академии наук заявил, что ранее имевшиеся данные, в сочетании с новыми исследованиями, подбрасывают интригующие возможности для определенных типов черных дыр.
