Астрономия. Физика. Черные дыры.

Черные дыры Горизонт событий

Стивен Хокинг

Что такое черная дыра?

В 1783 г. Джон Мичелл опубликовал в журнале «Философские труды Лондонского королевского общества» статью, в которой обратил внимание на то, что достаточно массивная и компактная звезда должна обладать настолько сильным гравитационным полем, что свет не сможет его преодолеть. Свет, излучаемый с поверхности звезды, не сможет преодолеть гравитационные притяжение звезды и удалиться от нее на значительное расстояние. Мичелл предположил, что таких звезд должно быть много. Мы не можем их увидеть, поскольку их свет не достигает нас, однако мы можем «почувствовать» их гравитационное притяжение

Исходя из исследований и теоретических предположений, сегодня в науке существует четыре сценария образования черных звезд:

гравитационный коллапс массивной звезды на финальном этапе ее эволюции;
коллапс центральной области галактики;
формирование черных дыр в процессе Большого взрыва;
образование квантовых черных дыр.

Откуда берутся черные дыры?

Пространство

Пространство вблизи черной дыры изгибается подобно батуту.
Сингулярность — это крошечная область, где поверхность «бесконечно искривляется» и сходится в точку, в которой силы приливной гравитации бесконечно велики, из-за чего материя в том виде, как мы ее знаем, растягивается и сжимается вплоть до полного исчезновения

Горизонт событий

В соответствии с теорией относительности ничто не может двигаться быстрее света. Таким образом, если даже свет не может ускользнуть от звезды, значит, и ничто другое не может. Все притягивается обратно гравитационным полем. Итак, существует совокупность событий, область пространства-времени, из которой невозможно выбраться, чтобы достичь удаленного наблюдателя. Эту область мы теперь и называем черной дырой, а ее границу – горизонтом событий. Он совпадает с траекториями световых лучей, которые не могут вырваться из черной дыры

Кольцо Эйнштейна

Художественное изображение Кольца Эйнштейна, наблюдаемого, когда два массивных объекта находятся на одном луче зрения. Здесь черная дыра (в центре) находится между Землей и некоторой галактикой. Свет, идущий от далекой галактики, отклоняется при прохождении вблизи черной дыры под действием сильнейшего гравитационного поля последней, образуя световое кольцо. Это явление называют гравитационным линзированием

Разница во времени

Чтобы понять, что бы мы увидели, если бы наблюдали коллапс звезды и образование черной дыры, следует вспомнить, что в теории относительности нет абсолютного времени. Каждый наблюдатель имеет свою меру времени. Время на звезде будет отличаться от времени наблюдателя, находящегося на расстоянии от нее, из-за влияния гравитационного поля звезды. Этот эффект был измерен на Земле с помощью эксперимента с часами, расположенными на вершине и возле основания водонапорной башни. Предположим, что находящийся на поверхности коллапсирующей звезды бесстрашный астронавт, ориентируясь по своим часам, каждую секунду посылает сигнал на свой космический корабль, находящийся на орбите. В некоторый момент времени по его часам, например в 11 часов утра, радиус сжимающейся звезды становится меньше критического, при котором гравитационное поле усиливается настолько, что сигналы больше не достигают космического корабля

Экипаж корабля, наблюдающий за его сигналами, отметит, что по мере приближения к 11 часам интервалы между последовательными сигналами астронавта становятся все длиннее и длиннее. Впрочем, до 10:59:59 эффект был бы очень незначительным. Между сигналами, переданными по часам астронавта в 10:59:58 и 10:59:59, для экипажа на орбите прошло бы чуть больше секунды, но сигнала, отправленного в 11 часов, им пришлось бы ждать вечно. Световые волны, испущенные с поверхности звезды между 10:59:59 и 11:00:00 по часам астронавта, для наблюдателей на борту корабля будут распространяться в течение бесконечного периода времени.

Временной интервал между приемом последовательных сигналов на космическом корабле будет становиться все продолжительнее, а свет звезды будет казаться все краснее и слабее. Со временем звезда станет настолько тусклой, что уже не будет видна с корабля. Останется только черная дыра в космическом пространстве. Однако гравитационное поле звезды по-прежнему будет действовать на космический корабль. Звезда, по крайней мере в принципе, будет все еще видимой для наблюдателей на корабле. Просто свет от ее поверхности претерпевает такое большое красное смещение под действием гравитационного поля звезды, что звезда становится неразличимой. Однако само гравитационное поле звезды не подвержено красному смещению. Таким образом, корабль продолжит обращаться вокруг черной дыры.

Стивен Хокинг о природе черных дыр

Это процесс «испарения» черных дыр, который был предсказан Хокингом в 1974 году: «Когда огромная звезда сжимается, ее гравитация становится настолько сильной, что даже свет не может больше покидать ее пределы. Область, из которой ничто не может выйти, и называется «черная дыра». А ее границы называются «горизонт событий»

Хокинг начал изучать поведение элементарных частиц вблизи черной дыры с точки зрения квантовой механики. Он выяснил, что частицы могут выходить за ее пределы и что черная дыра не может быть абсолютно черной, то есть существует остаточная радиация

Позже Хокинг обнаружил и механизм, посредством которого черные дыры могут излучать радиацию. Он пояснил, что с точки зрения квантовой механики пространство наполнено виртуальными частицами

Из этого Хокинг делает вывод, что черные дыры существуют не вечно: они излучают все более сильный ветер и, в конце концов, исчезают в результате гигантского взрыва

Материя | Тёмная материя

Хэппи Квинн, т.с. «Скорпион»

Материя  — одно из основных понятий физики, общий термин, определяющийся множеством всего содержимого пространства-времени и влияющий на его свойства.
Определение материи расширялось с развитием различных областей науки. Раньше это были объекты, которые можно было описать классическими свойствами (масса, температура, делимость и т. п.), и в представлениях Ньютона об абсолютности пространства и времени, рассматриваемые независимо; с развитием оптики, а за ней специальной и общей теории относительности это понятие дополнилось его связями с гравитацией и волнами

Что есть материя?

Виды материи

Вещество

Поля

Материальные объекты неясной физической природы

Адронное вещество

Адронами называют частицы, участвующие в сильном взаимодействии

Адроны

Мезоны

Барионы

Все адроны — составные частицы, они состоят из кварков или антикварков. Мезоны — это адроны, состоящие из кварк-антикварковой пары, барионы — это адроны, состоящие из трех кварков (соответственно, антибарионы состоят их трех антикварков).

Антивещество

-

Ядро

+

Позитрон

Атом Антиводорода

Антивещество — вещество, состоящее из античастиц, стабильно не образующееся в природе
Ядра антивещества, синтезированные учёными, состоят из антипротонов и антинейтронов, а оболочки — из позитронов.
При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергетические фотоны или пары частиц-античастиц.
В наблюдаемой нами части Вселенной существенных скоплений антивещества не обнаружено, однако ведутся споры о том, состоит ли Вселенная почти исключительно из вещества, и существуют ли другие места, заполненные, наоборот, практически полностью антивеществом. Асимметрия вещества и антивещества во Вселенной — одна из самых больших нерешенных задач физики; предполагается, что асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва.

Электромагнитное поле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля.

Гравитационное поле, или поле тяготения, — фундаментальное физическое поле, через которое осуществляется гравитационное взаимодействие между всеми материальными телами

Гравитационное поле

Темная материя

Это такая гипотетическая форма материи, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступна прямому наблюдению. Она составляет четверть массы энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии

Звезды производят 100% света, который мы видим во Вселенной, но всего 2% ее массы. Когда мы смотрим на движения галактик, скоплений и прочего, то находим, что количество гравитационной массы перевешивает звездную массу в 50 раз. Можно было бы подумать, что другие типы обычной материи могли бы объяснить эту разницу

Но даже если суммировать все эти компоненты вместе, мы получим всего 15–17% общего количества вещества, которое необходимо для объяснения гравитации. Для остального движения, что мы видим, нам нужна форма материи, которая не только отличается от протонов, нейтронов и электронов, но и не соответствует ни одной известной частице Стандартной модели. Нам нужна в некотором роде темная материя

Состав и природа темной материи на настоящий момент неизвестны. В рамках общепринятой космологической модели наиболее вероятной считается модель холодной темной материи. Наиболее вероятные кандидаты на роль частиц темной материи — вимпы. Несмотря на активные поиски, экспериментально они пока не обнаружены

Темная материя нам нужна не только для объяснения астрофизических явлений вроде галактического вращения, движения скоплений и их столкновений, но и для объяснения самого происхождения жизни.



Чтобы объяснить почему, нужно вспомнить, что Вселенная началась с горячего и плотного состояния — Большого взрыва, когда все было в виде практически однородного моря отдельных, свободных, высокоэнергетических частиц.

По мере охлаждения и расширения Вселенной образовались протоны, нейтроны и легчайшие ядра (водород, гелий, дейтерий и немного лития), но ничего больше. Только спустя десятки или сотни миллионов лет назад эта материя коллапсировала в достаточно плотные регионы, чтобы образовать звезды и галактики

Главное свидетельство — это наблюдения флуктуаций реликтового излучения, то есть результаты, которые за последние 15 лет получили космические аппараты WMAP и «Планк»


Они с высокой точностью измеряли возмущение температуры космического микроволнового фона, то есть реликтового излучения. Эти возмущения сохранились с эпохи рекомбинации, когда ионизованный водород превратился в нейтральные атомы


Эти измерения показали присутствие флуктуаций, очень небольших, примерно в одну десятитысячную Кельвина. Но когда они стали сравнивать эти данные с теоретическими моделями, то обнаружили важные отличия, которые нельзя объяснить никак иначе, кроме как присутствием темной материи. Благодаря этому они с точностью до процентов смогли посчитать доли темной и обычной материи во Вселенной

Распределение вещества во Вселенной до и после появления данных телескопа «Планк»

Теория № 1

По какой причине это происходит и каков состав темной материи, нам до сих пор точно не известно, однако существует три версии того, что это такое



Самая простая определяет ее как космологическую константу, которая остается неизменной и наполняет собой все пространство космоса. Как постоянная она присутствует в неизменной форме в любой отдельно взятой массе. Другое название — энергия вакуума

Теория № 2

Вторая теория совершенно обратная, согласно ей темная материя — это квинтэссенция космоса, некое постоянно изменяющееся в пространстве и времени поле. Это альтернативный вариант описания темной энергии, который был выдвинут в конце XX века астрофизиком Кристофом Веттерихом. Исходя из этой концепции, Вселенная расширяется чуть медленнее, чем в рамках теории о постоянной константе

Теория № 3

Третья теория для скептиков — темной энергии на самом деле не существует, это всего лишь еще неизученные свойства гравитации, которая на столь далеком расстоянии  действует несколько иначе

Что будет дальше?

Исследования и работы на тему изучения темной материи продолжаются, так как до сих пор у нас нет однозначного ответа на вопрос, существует ли эта субстанция


Накануне стало известно о новой работе астрофизиков: они обнаружили в реликтовом излучении Вселенной намеки на нарушение пространственной четности. Иными словами, они стали на шаг ближе к открытию «новой физики»

Свет – это распространяющаяся электромагнитная волна. Когда он состоит из волн, колеблющихся в определенном направлении, физики называют его «поляризованным». Свет космического микроволнового фона рассеялся через 400 тыс. лет после Большого взрыва, поскольку путешествовал по Вселенной в течение 13,8 млрд лет

Если темная материя или темная энергия взаимодействуют со светом космического микроволнового фона таким образом, что нарушает симметрию четности, мы можем найти его след в данных поляризации

По его словам, благодаря новой методике ученые смогут максимально точно оценить, насколько сильно пыль Млечного Пути влияет на измерение поляризации реликтового излучения

Расстояние, которое проходит свет от пыли в пределах Млечного Пути, намного короче, чем расстояние космического микроволнового фона. Это означает, что на излучение пыли не влияют ни темная материя, ни темная энергия. Исследователи выяснили, что с вероятностью 99,2% темная материя и темная энергия действительно нарушают принцип четности

Спасибо
за
внимание