Черна дупка: определение, хоризонт на събитията и Хокинг радиация

Черната дупка е област от пространството, от която нищо не може да избяга — дори светлината. Според общата теория на относителността тя се образува, когато пространство-времето се изкриви под въздействието на огромна маса. Около черната дупка съществува граница във формата на сфера: ако нещо премине отвъд тази граница, то не може да се върне обратно. Тази сфера се нарича хоризонт на събитията. Черната дупка изглежда тъмна, защото поглъща цялата светлина, която попада в нея, и не отразява нищо — подобно на идеалното черно тяло в термодинамиката. В същото време квантовите ефекти прилагат неочаквани свойства: според квантовата механика черните дупки притежават температура и излъчват Хокинг радиация, което ги кара много бавно да намаляват масата си (еволюция, наречена „изпаряване“).

Хоризонт на събитията и радиус на Шварцшилд

Хоризонтът на събитията е математическата граница, отвъд която сигналите не могат да достигнат до външния свят. За една не въртяща се, сферично симетрична черна дупка радиусът на хоризонта (наричан радиус на Шварцшилд) може да се оцени с проста формула: Rs = 2GM/c² (където G е гравитационната константа, M — масата и c — скоростта на светлината). За звезда с масата на Слънцето този радиус е само няколко километра; за свръхмасивните черни дупки в центровете на галактиките той може да бъде колкото системата от планети около тях.

Вътре в черната дупка и сингулярността

Класическата обща теория на относителността предсказва, че в центъра на черната дупка се намира сингулярност — точка с формално безкрайна плътност, където известните закони на физиката спират да са валидни. Много физици смятат, че пълното описание на това място изисква квантова теория на гравитацията, която още не е завършена. Затова въпроси като природата на сингулярността и съдбата на информацията, попаднала в черната дупка, остават активни теми на изследване.

Хокинг радиация и термодинамика

През 1970-те Стивън Хокинг показа, че черните дупки не са напълно „черни“ — квантови ефекти близо до хоризонта водят до излъчване на частици (Хокинг радиация). Това означава, че черните дупки имат ефективна температура и ентропия, което свързва общата теория на относителността, квантовата механика и термодинамиката. По-малките черни дупки са по-горещи и се изпаряват по-бързо; за типична звездно-масова или свръхмасивна черна дупка времето на изпаряване е много по-голямо от възрастта на Вселената, така че този процес е практически незначителен за наблюденията днес.

Как ги откриваме

Черните дупки са трудни за директно наблюдение, затова астрономите ги намират по ефектите им върху околната материя и пространство-време:

Проследяване на движението на звезди — откриваме масивен, невидим обект по орбитите на звезди около него.
Акреционни дискове — когато газ пада към черна дупка, той се загрява и става много ярък в рентгеновите и оптичните диапазони.
Релятивистични струи (джетове) — някои активни черни дупки изхвърлят тесни, бързи струи частици, които наблюдаваме с радиотелескопи.
Гравитационни вълни — с детектори като LIGO и Virgo астрономите регистрират сливания на двойки черни дупки (първото уверено откритие бе през 2015 г.).
Изображения на хоризонта — проектът Event Horizon Telescope (EHT) успя да направи директно изображение на силно изкривената светлинна зона около хоризонта (първо M87* през 2019 г., а по-късно и Sgr A* през 2022 г.).

Влияние върху галактиките и космологията

Свръхмасивните черни дупки в центровете на галактиките играят важна роля в еволюцията на галактиките: чрез енергийно излъчване и мощни джетове те могат да регулират скоростта на образуване на звезди и да повлияят разпределението на газа в галактическите ядра. Наличието на корелация между масата на централната черна дупка и свойствата на галактиката подсказва тесна взаимовръзка между растежа на галактиката и растежа на нейната черна дупка.

Наблюдателни доказателства

Астрономите са намерили доказателства за съществуването на свръхмасивни черни дупки в центъра на почти всички големи галактики. По-прост пример е нашата галактика: дългогодишни наблюдения на орбитите на звезди около центъра на Млечния път показват, че там има масивен, компактен обект с маса от порядъка на милиони слънчеви маси — това е Стрелец A*. През отделни години се публикуваха множество резултати, включително такива, които оценяват масата на централния обект на около четири милиона слънчеви маси около Млечния път. Освен това наблюденията с рентгенови и радиотелескопи, гравитационните вълни и образите от EHT дават независими потвърждения за реалността на тези обекти.

Открити типове черни дупки

Звездно-масови черни дупки — образуват се при гравитационния колапс на масивни звезди (маси няколко до няколко десетки пъти масата на Слънцето).
Междинни маси (предполагаеми) — с маси от стотици до хиляди слънчеви маси; тяхното съществуване е по-трудно да се докаже, но има все по-многочислени индикации.
Свръхмасивни черни дупки — милиони до милиарди слънчеви маси, намират се в центровете на почти всички големи галактики.

Открити въпроси и бъдещи изследвания

Въпреки напредъка остават ключови въпроси: как точно се формират най-ранните свръхмасивни черни дупки, какво се случва със „загубената“ информация, която преминава хоризонта на събитията, и как да се обедини общата теория на относителността с квантовата теория. Бъдещите мисии и по-чувствителни детектори — както в електромагнитния, така и в гравитационния диапазон — ще разкрият още подробности за тези екстремни обекти и тяхната роля във Вселената.

Тъй като черните дупки са трудни за пряко виждане, астрономите продължават да ги изучават чрез начина, по който влияят на околните звезди, газ и пространство-време. Мястото на една черна дупка се открива чрез проследяване на движението на звездите около нея или чрез наблюдение на ярката светлина от нагряващ се газ, което може да се регистрира с телескопи на Земята и с телескопи, които обикалят около Земята. Вътре в черната дупка естеството на пространството и времето вероятно е много различно от това, което познаваме.

Астрономите продължават да търсят и изучават черни дупки в различни масови диапазони, като комбинират наблюдения от различни диапазони на електромагнитния спектър и гравитационни вълни, за да разгадаят техните свойства и произход.

Симулация на гравитационна леща от черна дупка, която изкривява образа на галактика на заден план (по-голяма анимация)

Свръхмасивната черна дупка в ядрото на свръхгигантската елиптична галактика Messier 87 в съзвездието Дева. Черната дупка е първата, която е заснета директно (Event Horizon Telescope, публикувано на 10 април 2019 г.).

История

През 1783 г. един английски духовник на име Джон Мишел пише, че е възможно нещо да е толкова тежко, че да трябва да се движите със скоростта на светлината, за да се освободите от гравитацията му. Гравитацията става все по-силна с увеличаване на масата. За да може едно малко нещо, като ракета, да избяга от по-голямо нещо, като Земята, то трябва да избегне привличането на земната гравитация или ще падне обратно. Скоростта, която тя трябва да развие, за да се измъкне, се нарича скорост на бягство. По-големите планети (като Юпитер) и звезди имат по-голяма маса и са с по-силна гравитация от Земята. Затова скоростта на бягство трябва да е много по-голяма. Джон Мишел смята, че е възможно нещо да е толкова голямо, че скоростта на бягство да е по-голяма от скоростта на светлината, така че дори светлината да не може да избяга. През 1796 г. Пиер-Симон Лаплас пише за същата идея в първото и второто издание на книгата си Exposition du système du Monde (тя е премахната от по-късните издания).

Някои учени смятат, че Мишел е прав, но други смятат, че светлината няма маса и не би могла да бъде привличана от гравитацията. Теорията му била забравена.

През 1916 г. Алберт Айнщайн пише обяснение на гравитацията, наречено обща относителност.

Масата кара пространството (и пространство-времето) да се огъва или извива. Движещите се неща "падат" или следват кривите в пространството. Това е, което наричаме гравитация.
Светлината винаги се движи с една и съща скорост и се влияе от гравитацията. Ако изглежда, че скоростта ѝ се променя, тя всъщност се движи по крива в пространство-времето.

Няколко месеца по-късно, докато служи в Първата световна война, германският физик Карл Шварцшилд използва уравненията на Айнщайн, за да докаже, че може да съществува черна дупка. Радиусът на Шварцшилд е размерът на хоризонта на събитията на невъртяща се черна дупка. Този радиус е измерването, при което скоростта на бягство е равна на скоростта на светлината. Ако радиусът на звездата е по-малък, тогава светлината не може да избяга и тя ще бъде тъмна звезда или черна дупка.

През 1930 г. Субрахманян Чандрасекхар предсказва, че звездите, по-тежки от Слънцето, могат да се разрушат, когато им липсва водород или други ядрени горива за изгаряне. През 1939 г. Робърт Опенхаймер и Х. Снайдър изчисляват, че една звезда трябва да е поне три пъти по-масивна от Слънцето, за да се образува черна дупка. През 1967 г. Джон Уилър за пръв път измисля наименованието "черна дупка". Преди това те са били наричани "тъмни звезди".

През 1970 г. Стивън Хокинг и Роджър Пенроуз доказват, че черните дупки трябва да съществуват. Въпреки че черните дупки са невидими (не могат да се видят), част от материята, която попада в тях, е много ярка.

През пролетта на 2019 г. имаше изображение на черна дупка или по-скоро на нещата, които обикалят около черната дупка. Изображението изискваше много снимки от различни места. Един от членовете на екипа (Кейти Буман) направи компилация на всички снимки в едно единствено изображение.

През 2020 г. Роджър Пенроуз, Райнхард Генцел и Андреа Гец получават Нобелова награда за физика за работата си върху теорията на черните дупки.

Образуване на черни дупки

Гравитационният колапс на огромни звезди (с голяма маса) води до появата на черни дупки със звездна маса. Звездообразуването в ранната Вселена може да е създало много големи звезди. При колапса си те са създавали черни дупки с маса до 10³ слънчеви маси. Тези черни дупки може да са зародишът на свръхмасивните черни дупки, които се намират в центровете на повечето галактики.

По-голямата част от енергията, освободена при гравитационния колапс, се отделя много бързо. Далечният наблюдател вижда как материалът пада бавно и след това спира точно над хоризонта на събитията поради гравитационното забавяне на времето. Светлината, излъчена точно преди хоризонта на събитията, се забавя с безкрайно много време. Така че наблюдателят никога не вижда формирането на хоризонта на събитията. Вместо това изглежда, че срутващият се материал става все по-слаб и все по-червено изместен, като накрая изчезва.

Свръхмасивни черни дупки

Черни дупки са открити и в средата на почти всички галактики в познатата ни Вселена. Те се наричат свръхмасивни черни дупки (SBH) и са най-големите черни дупки от всички. Те са се образували, когато Вселената е била много млада, и също така са помогнали за формирането на всички галактики.

Смята се, че квазарите се задвижват от гравитацията, която събира материал в свръхмасивни черни дупки в центровете на далечни галактики. Светлината не може да избяга от СБЧ в центъра на квазарите, така че избягалата енергия се превръща в енергия извън хоризонта на събитията чрез гравитационни напрежения и огромно триене на постъпващия материал.

В квазарите са измерени огромни централни маси (от 10⁶ до 10⁹ слънчеви маси). Няколко десетки близки големи галактики, без следи от ядро на квазар, имат подобни централни черни дупки в ядрата си. Поради това се смята, че всички големи галактики имат такава, но само малка част от тях са активни (с достатъчно акреция, за да захранват с радиация) и затова се наблюдават като квазари.

Влияние върху светлината

В средата на черната дупка има гравитационен център, наречен сингулярност. Невъзможно е да се види в нея, тъй като гравитацията не позволява на светлината да избяга. Около малката сингулярност има голяма област, в която се засмуква и светлината, която обикновено би преминала. Краят на тази област се нарича хоризонт на събитията. Областта вътре в хоризонта на събитията е черната дупка. Гравитацията на черната дупка отслабва на по-голямо разстояние. Хоризонтът на събитията е мястото, което е най-отдалечено от средата на черната дупка и където гравитацията все още е достатъчно силна, за да улавя светлината.

Извън хоризонта на събитията светлината и материята продължават да бъдат привличани към черната дупка. Ако черната дупка е заобиколена от материя, тя ще образува "акреционен диск" (акреция означава "събиране") около черната дупка. Акреционният диск прилича на пръстените на Сатурн. При засмукването си материята става много гореща и изстрелва рентгеново лъчение в пространството. Представете си това като водата, която се върти около дупката, преди да падне вътре.

Повечето черни дупки са твърде далеч, за да можем да видим акреционния диск и струята. Единственият начин да разберем, че има черна дупка, е да видим как се държат звездите, газът и светлината около нея. Когато наблизо има черна дупка, дори обекти, големи колкото звезда, се движат по различен начин, обикновено по-бързо, отколкото ако нямаше черна дупка.

Тъй като не можем да видим черните дупки, те трябва да бъдат открити по друг начин. Когато черна дупка премине между нас и източник на светлина, светлината се огъва около черната дупка, създавайки огледален образ. Този ефект се нарича гравитационна леща.

Кръстът на Айнщайн: четири изображения от един квазар

Художествено изображение: черна дупка, която откъсва външния слой на близка звезда. Тя е заобиколена от енергиен диск, който създава струя радиация.

Излъчване на Хокинг

Радиацията на Хокинг е радиация на черното тяло, която се излъчва от черна дупка поради квантови ефекти в близост до хоризонта на събитията. Наречено е на името на физика Стивън Хокинг, който през 1974 г. представя теоретичен аргумент за съществуването му.

Хокинг лъчението намалява масата и енергията на черната дупка и затова е известно още като изпарение на черната дупка. Това се случва благодарение на виртуалните двойки частица-античастица. Поради квантовите флуктуации това се случва, когато едната от частиците попада в нея, а другата се измъква с енергията/масата. Поради тази причина се очаква черните дупки, които губят повече маса, отколкото придобиват по друг начин, да се свият и накрая да изчезнат. Предполага се, че микрочерните дупки (МЧД) са по-големи нетни излъчватели на радиация от по-големите черни дупки и би трябвало да се свиват и разсейват по-бързо.

Свойства на черните дупки

Теоремата "без косъм" гласи, че стабилната черна дупка има само три независими физически свойства: маса, заряд и ъглов момент. Ако това е вярно, то две черни дупки, които имат еднакви стойности на тези три свойства, ще изглеждат еднакво. Към 2020 г. не е ясно дали теоремата за липсата на коса е вярна за реални черни дупки.

Свойствата са специални, защото и трите могат да бъдат измерени извън черната дупка. Например заредената черна дупка отблъсква други подобни заряди точно както всеки друг зареден обект. По подобен начин общата маса в сфера, съдържаща черна дупка, може да бъде намерена, като се използва гравитационният аналог на закона на Гаус, далеч от черната дупка. Ъгловият момент или спинът също може да бъде измерен от голямо разстояние.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява черната дупка?

О: Черната дупка е област от пространството, от която нищо, дори светлината, не може да излезе. Тя започва да съществува, когато пространство-времето се изкриви от огромна маса и има хоризонт на събитията, който нищо вътре не може да напусне.

В: Защо черните дупки са черни?

О: Черните дупки са черни, защото поглъщат цялата светлина, която попада върху тях, и не отразяват нищо, точно както съвършеното черно тяло в термодинамиката.

В: Как хората откриват черни дупки?

О: Хората откриват черни дупки, като проследяват движението на звезди, които обикалят някъде в космоса, или когато газ падне в черна дупка, нагорещи се и стане много ярък, което може да се види с телескопи на Земята или с телескопи, които обикалят около Земята.

Въпрос: Има ли свръхмасивни черни дупки?

О: Да, астрономите са открили доказателства за наличието на свръхмасивни черни дупки в центъра на почти всички галактики. През 2008 г. астрономите откриха доказателства, че свръхмасивна черна дупка с маса над четири милиона слънчеви маси се намира близо до частта Стрелец А* на галактиката Млечен път.

Въпрос: Влияе ли квантовата механика върху начина, по който разглеждаме черните дупки?

О: Да, според квантовата механика черните дупки имат температура и излъчват лъчение на Хокинг, което ги кара бавно да се смаляват.

В: Какво се случва вътре в черната дупка?

О: Вътре в черната дупка правилата на физиката са много различни от тези, които изпитваме тук, на Земята.