Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

Что такое сингулярность в черной дыре. Что происходит, когда испаряется сингулярность черной дыры

30.09.2017 в 07:29

Что такое сингулярность в черной дыре. Что происходит, когда испаряется сингулярность черной дыры

Не так просто представить, учитывая все разнообразие форм, которые принимает материя во вселенной, что на протяжении миллионов лет существовали только нейтральные атомы газа водорода и гелия. И точно так же трудно представить, что однажды, через квадриллионы лет, все звезды померкнут. Останутся лишь останки нашей пока еще живой вселенной и … черные дыры. Но и они не будут жить вечно. В связи с чем рождается интересный вопрос

Что такое сингулярность в черной дыре. Что происходит, когда испаряется сингулярность черной дыры. Что произойдет, когда черная дыра потеряет достаточно энергии вследствие излучения хокинга, так что ее энергетическая плотность больше не сможет поддерживать сингулярность с горизонтом событий? То есть когда черная дыра перестанет быть черной дырой из-за излучения хокинга?
Чтобы ответить на этот вопрос, важно понять, чем на самом деле является черная дыра

Что представляет собой сингулярность в нашей вселенной https://science.ru-land.com/stati/chto-takoe-singulyarnost-0
Черные дыры обычно образуются во время коллапса ядра массивной звезды, когда отработанное ядерное топливо перестает синтезировать более тяжелые элементы. По мере замедления и прекращения синтеза, в ядре падает давление излучения, которое было единственным, что удерживало звезду от гравитационного коллапса. В то время как внешние слои зачастую испытывают нарастающую реакцию синтеза, раздувая бывшую звезду в сверхновую, ядро сначала коллапсирует в нейтронную звезду, но если масса будет слишком большой, сами нейтроны коллапсируют в еще более плотное состояние черной дыры. Также черная дыра может сформироваться, если нейтронная звезда наберет достаточно массы от звезды - компаньона и пересечет порог, необходимый для превращения в черную дыру.
С точки зрения гравитации, чтобы стать черной дырой, нужно просто набрать достаточно массы в достаточно небольшом объеме пространства, из которого даже свет не может выйти. Каждая масса, включая планету земля, имеет скорость убегания: скорость, которую нужно развить, чтобы полностью выйти из гравитационного притяжения на определенном расстоянии (например, расстоянии от центра земли до ее поверхности) от ее центра масс. Но если массы достаточно, чтобы скорость убегания стала равна скорости света, в таком случае ничто не сможет преодолеть этот барьер, потому что ничто не может превысить скорость света.
Это расстояние от центра масс, где скорость убегания равна скорости света - мы назовем его R - определяет размер горизонта событий черной дыры. Но тот факт, что в таких условиях существует материя, имеет еще одно незаметное следствие: эта материя должна коллапсировать в сингулярность. Можно предположить, что должно существовать состояние материи, которое будет стабильно и находиться в определенном объеме в пределах горизонта событий, но это физически невозможно.
Чтобы проявить внешнюю силу, внутренняя частица должна отправить частицу - переносчика силы от центра масс к горизонту событий. Но этот переносчик силы также ограничен скоростью света, и вне зависимости где вы находитесь в пределах горизонта событий, все светоподобные кривые заканчиваются в центре. Для медленных и массивных частиц все еще хуже. Как только вы сформируете черную дыру с горизонтом событий, вся материя внутри свернется в сингулярность.
И поскольку ничто не может покинуть черную дыру, можно было бы подумать, что черная дыра останется таковой навечно. И если бы не квантовая физика, то так бы и было. Но в квантовой физике существует ненулевое количество энергии, присущей самому пространству: квантовый вакуум. В искривленном пространстве квантовый вакуум приобретает совершенно другие свойства, нежели в плоском, и не бывает областей, кривизна которых была бы больше, чем возле сингулярности черной дыры. Совместите два этих закона природы - квантовую физику и релятивистское пространство - время возле черной дыры - и получите явление излучения хокинга.
Вычисления квантовой теории поля в искривленном пространстве дают удивительное решение: в пространство, окружающее горизонт событий черной дыры, испускается тепловое излучение черного тела. И чем меньше горизонт событий, тем больше кривизна пространства возле горизонта событий, а вместе с тем выше скорость излучения хокинга. Таким образом, если бы наше солнце было черной дырой, температура излучения хокинга составляла бы 62 нанокельвина; если бы вы взяли черную дыру в центре нашей галактики, в 4 000 000 раз массивнее солнца, температура составляла бы 15 фемтокельвинов, или 0, 025% от температуры излучения меньшего объекта.
Это значит, что чем меньше черная дыра, тем быстрее она распадается, и дольше всего живут самые большие. Черная дыра солнечной массы будет существовать около 10? 67 лет до испарения, но черная дыра в центре нашей галактики будет жить в 10? 20 раз дольше. Интересно то, что до самой последней секунды существования у черной дыры будет оставаться горизонт событий. После образования сингулярности - и пока остается горизонт событий - она будет оставаться сингулярностью до тех пор, пока масса не станет нулевой.
Однако эта последняя секунда жизни черной дыры приведет к очень специфическому и мощному выбросу энергии. Когда масса падает до 228 метрических тонн, это сигнал к тому, что остается ровно одна секунда. Размер горизонта событий в это время составит 340 йоктометров, или 3, 4 х 10? - 22: размер одной длины волны фотона с энергией, превышающей энергию любой частицы, которую когда-либо производил бак. В эту последнюю секунду будет выпущено 2, 05 х 10? 22 джоулей энергии, пять миллионов мегатонн в тротиловом эквиваленте. Это как если бы миллион термоядерных бомб взорвались в крошечном кусочке пространства; это заключительная стадия испарения черной дыры.
Другими словами, если бы вы наблюдали, как испаряется последняя черная дыра в нашей вселенной, вы увидели бы только черную пустоту пространства, в которой не было бы ни света, ни признаков активности уже на протяжении 10? 100 лет или больше. Внезапная мощная вспышка излучения определенного спектра и величины станет последним разом, когда наша наблюдаемая вселенная искупается в излучении. Испарение последней черной дыры станет последним разом, когда вселенная скажет: да будет свет! По материалам: hi - News. ru наука@Science_Newworld.

Что такое сингулярность черной дыры. Гравитационная сингулярность

Если говорить сухим языком физических терминов, то  это — точка, находящаяся в пространстве-времени, через которую нет возможности ровно проложить геодезическую линию.  Зачастую гравитационная сингулярность делает бесконечными или неопределёнными величины, которые описывают гравитационное поле. К этим величинам относятся, например, плотность энергии или скалярная кривизна.  Теория относительности подразумевает, что сингулярности должны возникать в процессе формирования чёрной дыры. Если они находятся под горизонтом событий, то наблюдать их нельзя. В случае же Большого взрыва имеет место голая сингулярность – её наблюдение вполне возможно, если, конечно, оказаться рядом. К сожалению, непосредственно увидеть её невозможно, поэтому она, исходя из уровня развития современной физики, является только теоретическим объектом. Когда будут разработаны положения квантовой гравитации, появится возможность описания пространства-времени вблизи этих объектов.

Каждая чёрная дыра обладает двумя основными чертами – горизонтом событий и сингулярностью, которая и есть центр этой дыры. Здесь происходит искажение, а также разрыв пространства-времени. По сути, законы физики тут теряют логику. Существуют теории, что в таких точках вполне возможно осуществить переход в другие миры. Разработана математическая модель – «мост Эйнштейна-Розена», подтверждающая такой вариант. Это возможно сделать посредством скачка сквозь сингулярность. Именно здесь пересекаются слои Вселенной, образуя подобие подпространственного перехода. Он является соединением двух дыр – чёрной и белой. Это своеобразная машина времени, а сам факт перехода не вступает в противоречия с принципом причинности.  Прыжки через сингулярность вращающейся чёрной дыры сделают реальными путешествия во времени в любых его направлениях.  Поскольку чёрная дыра окружена горизонтом событий, то сингулярность увидеть в обнажённом состоянии нельзя. Но всё-таки создаются модели, с разной степенью реалистичности позволяющие это сделать.

Что будет с человеком в черной дыре. Клонирование

Информационный парадокс черных дыр ставит в тупик ученых не один десяток лет. Эта загадка породила бесчисленное количество споров на тему того, что же на самом деле произойдет, как только вы попадете в черную дыру. Чтобы было проще понять этот парадокс, разберем пример с гипотетической Люси. Летите вы себе такой с Люси в черную дыру, и в последнюю секунду она решает туда не попадать и сейчас наблюдает за тем, как вас туда засасывает. Люси видит, что с приближением к черной дыре ваше тело начинает медленно растягиваться и в конце концов расщепляется на атомы. Люси думает, что вы погибли и благодарна судьбе, что не послушала вас и не отправилась вслед.

Что будет с человеком в черной дыре. Клонирование

Однако погодите. Ведь история заканчивается совсем не так. Вы на самом деле остаетесь живы и продолжаете углубляться в бесконечность черной дыры. Что произойдет с вам дальше — не суть нашего вопроса. Самое интересное заключается в том, что вы остались живы, хотя Люси видела, как вы погибли.

Это и есть информационный парадокс черной дыры. Это никакая не иллюзия, и Люси не потеряла рассудок. Это то, что есть на самом деле. Законы физики говорят нам, что вы можете быть одновременно мертвым за пределами черной дыры и живым, находясь в ней. Некоторые ученые теоретизируют на тему того, что это совсем никакой не парадокс, так как вы просто не можете наблюдать за двумя реальностями одновременно. Другие указывают на клонирование (на возможность существования другого вас в другой реальности) как на возможный вариант решения этого парадокса, даже несмотря на то, что это бросает вызов законам квантовой механики, касающимся процесса сохранения информации.

Определенного ответа для решения этого парадокса нет (пока). Возможно, через тысячи лет человечество сможет разобраться в том, что же на самом деле происходит. Однако уже точно известно, что Люси с собой в путешествия брать больше не стоит.

Сингулярность черной дыры, что это. Сингулярность понятным языком

Да, легче не стало! Вы растеряны и возмущены: «Что это, простыми словами объяснить нельзя?». Давайте попробуем. Возьмем для примера два упомянутых выше трактования и объясним все это максимально просто (на пальцах):

  1. Гравитационная . Предположим, на дороге открытый люк. Дорожное покрытие – это пространство, кромка люка – горизонт событий (граница искривления пространства или более красиво — горизонт событий). Все, что происходит внутри ямы, вы не видите, но дыра образована сингулярным объектом. Вы бросаете в люк один камень, промахнулись – камень остался в нашем пространстве. Следующий – попали, он пролетел границу горизонта и попал в зону сингулярности (неопределенности);
  2. Космологическая . Вообразите маленький мячик с нереально высокой температурой и плотностью. В какой-то момент он с огромной силой взрывается, образуя кучу осколков, частиц и пыли. Представьте все, что происходило с мячом в момент взрыва? Это называют состоянием сингулярности.

Два распространенных толкования этого явления способны описать его основные отличительные признаки:

  1. Точка, в которой что-либо стремится к бесконечности.
  2. Грань, за которой прогнозировать дальнейший ход событий не имеет смысла.

Соответствие чего-то хотя бы одному из этих признаков говорит о том, что перед вами сингулярность.

Наиболее ярко по обоим признакам сингулярность иллюстрирует черная дыра . Считается, что в ее центре показатели всех физических характеристик бесконечны, законы физики не действуют, а время течет по неизвестным нам правилам. Поскольку предсказать поведение такого объекта невозможно, то и прогнозирование утрачивает всякий смысл.

Думаете, что все описанное далеко во времени, пространстве и нас не касается? Я покажу вам, что это не так.

Видео Что происходит с сингулярностью при испарении Чёрной Дыры?

Черная дыра. Что внутри черной дыры?

Как для ученых минувших столетий, так и для исследователей нашего времени наибольшей загадкой космоса является черная дыра. Что внутри этой совсем незнакомой для физики системы? Какие законы там действуют? Как идет время в черной дыре, и почему оттуда не могут вырваться даже кванты света? Сейчас мы попробуем, конечно же, с точки зрения теории, а не практики, разобраться в том, что внутри черной дыры, почему она, в принципе, образовалась и существует, как она притягивает объекты, которые ее окружают.

Для начала опишем этот объект

Итак, черной дырой именуется определенная область пространства во Вселенной. Выделить ее как отдельную звезду или планету невозможно, так как это не твердое и не газовое тело. Не имея базовых пониманий того, что такое пространство-время и как эти измерения могут видоизменяться, невозможно постичь того, что находится внутри черной дыры. Дело в том, что эта область не является лишь пространственной единицей. Это объект, который искажает как три известных нам измерения (длину, ширину и высоту), так и временную шкалу. Ученые уверены в том, что в районе горизонта (так называется область, окружающая дыру) время принимает пространственное значение и может двигаться как вперед, так и назад.

Черная дыра. Что внутри черной дыры?

Познаем тайны гравитации

Если мы желаем разобраться в том, что внутри черной дыры, рассмотрим детально, что такое гравитация. Именно это явление ключевое в понимании природы так называемых «кротовых нор», из которых не выбирается даже свет. Гравитацией называется взаимодействие между всеми телами, которые имеют материальную основу. Сила такого тяготения зависит от молекулярного состава тел, от концентрации атомов, а также от их состава. Чем больше частиц сколлапсировано в определенном участке пространства, тем больше гравитационная сила. Это неразрывно связано с Теорией Большого взрыва, когда наша Вселенная была размером с горошину. Это было состояние максимальной сингулярности, и в результате вспышки квантов света пространство стало расширяться за счет того, что частицы отталкивались друг от друга. С точностью до наоборот описывается учеными черная дыра. Что внутри такой штуковины в соответствии с ТБЗ? Сингулярность, которая равна показателям, присущим нашей Вселенной в момент зарождения.

Черная дыра. Что внутри черной дыры?

Как попадает материя в «кротовую нору»?

Бытует мнение, что человек никогда не сможет понять, что происходит внутри черной дыры. Так как, попав туда, он будет буквально раздавлен гравитацией и силой тяжести. На самом деле это не совсем так. Да, действительно, черная дыра представляет собой область сингулярности, где все сжато до максимума. Но это вовсе не «космический пылесос», который способен затянуть в себя все планеты и звезды. Любой материальный объект, оказавшийся на горизонте событий, будет наблюдать сильное искажение пространства и времени (пока что эти единицы стоят отдельно). Эвклидова система геометрии начнет давать сбои, иными словами, параллельные прямые пересекутся, очертания стереометрических фигур перестанут быть привычными. Что касается времени, то оно будет постепенно замедляться. Чем ближе вы будете приближаться к дыре, тем медленнее будут идти часы относительно Земного времени, но вы этого не заметите. При попадании в «кротовую нору» тело будет падать с нулевой скоростью, но при этом данная единица будет равняться бесконечности. Это парадокс кривизны, который приравнивает бесконечное к нулю, что окончательно останавливает время в области сингулярности.

Черная дыра. Что внутри черной дыры?

Реакция на излучаемый свет

Единственным объектом в космосе, который притягивает свет, является черная дыра. Что внутри нее находится и в каком оно там виде – неизвестно, но полагают, что это кромешная тьма, которую представить себе невозможно. Световые кванты, попадая туда, не просто исчезают. Их масса умножается на массу сингулярности, что делает ее еще больше и увеличивает ее гравитационные силы. Таким образом, если внутри «кротовой норы» вы включите фонарик, чтобы осмотреться, он не будет светиться. Излучаемые кванты будут постоянно множиться на массу дыры, и вы, грубо говоря, лишь усугубите свое положение.

Черная дыра. Что внутри черной дыры?

Черные дыры на каждом шагу

Как мы уже разобрались, основой образования точек невозврата является гравитация, величина которой там в миллионы раз превосходит земную. Точное представление о том, что такое черная дыра, подарил миру Карл Шварцшильд, который, собственно, и открыл тот самый горизонт событий и точку невозврата, а также установил, что ноль в состоянии сингулярности равен бесконечности. По его мнению, черная дыра может образоваться в любой точке пространства. При этом определенный материальный объект, имеющий сферическую форму, должен достичь гравитационного радиуса. Например, масса нашей планеты должна уместиться в объеме одного горошка, чтобы стать черной дырой. А Солнце должно иметь диаметр в 5 километров при своей массе – тогда его состояние станет сингулярным.

Черная дыра. Что внутри черной дыры?

Горизонт образования нового мира

Законы физики и геометрии отлично действуют на земле и в открытом космосе, где пространство близится к вакууму. Но они полностью теряют свою значимость на горизонте событий. Именно поэтому с математической точки зрения невозможно рассчитать, что внутри черной дыры. Картинки, которые можно придумать, если искривлять пространство в соответствии с нашими представлениями о мире, наверняка далеки от истины. Установлено лишь, что время тут превращается в пространственную единицу и, скорее всего, к существующим измерениям прибавляются еще какие-то. Это дает возможность полагать, что внутри черной дыры (фото, как известно, этого не покажет, так как свет там съедает сам себя) образуются совсем иные миры. Эти Вселенные могут состоять из антивещества, которое ныне незнакомо ученым. Также существуют версии, что сфера невозврата – это лишь портал, который ведет либо в другой мир, либо в другие точки нашей Вселенной.

Черная дыра. Что внутри черной дыры?

Рождение и смерть

Куда более загадочным явлением, чем существование черной дыры, является ее зарождение или исчезновение. Сфера, искажающая пространство-время, как мы уже выяснили, образуется в результате коллапса. Это может быть взрыв большой звезды, столкновение двух и более тел в космосе и так далее. Но каким образом материя, которую теоретически можно было бы ощупать, превратилась в область искажения времени? Загадка находится в процессе работы. Но за ней следует второй вопрос - почему такие сферы невозврата исчезают? И если черные дыры испаряются, то почему из них не выходит тот свет и вся космическая материя, которую они втянули? Когда вещество в зоне сингулярности начинает расширяться, гравитация постепенно снижается. В результате черная дыра просто растворяется, и на ее месте остается обычное вакуумное космическое пространство. Из этого вытекает еще одна загадка - куда подевалось все то, что в нее попало?

Гравитация – наш ключ к счастливому будущему?

Исследователи уверены в том, что энергетическое будущее человечества может сформировать именно черная дыра. Что внутри этой системы, пока что неизвестно, но удалось установить, что на горизонте событий любая материя трансформируется в энергию, но, конечно же, частично. К примеру, человек, оказываясь около точки невозврата, отдаст 10 процентов своей материи для ее переработки в энергию. Этот показатель просто колоссальный, он стал сенсацией у астрономов. Дело в том, что на Земле при ядерном синтезе материя перерабатывается в энергию лишь на 0,7 процента.

Давление в черной дыре. Ответы


Bob Bee

Мы не знаем никакого давления. На самом деле мы действительно не знаем, что находится внутри черной дыры (BH).

Классические решения для BHs имеют горизонт (или два для вращающегося BH раствора Керра), где внутренняя область причинно связана с внешней областью. Во внутренней области пространство-время пусто, ничего там, кроме сингулярности, где кривизна пространства-времени становится бесконечной.

Более того, человек (или частица), идущий в горизонт (и в кадре координат одного из них, или в системе координат частицы, он делает это за конечный период времени) не видит ничего странного, происходящего на горизонт (возможное исключение позже в этом ответе), и неизбежно попадает в сингулярность, и делает это довольно быстро. Гравитационный эффект, который наблюдатель испытывает внутри горизонта, усиливается, пока он не станет в классических решениях бесконечным.

Исключения или оговорки к этой истории заключаются в том, что она не учитывает квантовую гравитацию. У нас пока нет принятой теории квантовой гравитации (у нас есть некоторые гипотетические теории, такие как теория струн и квантовая гравитация петли), так как мы приближаемся к сингулярности. Общая теория относительности становится недействительной, и мы еще не знаем, что он берет верх. На самом деле есть утверждения, что на горизонте есть что-то, называемое брандмауэром, и там все разрушено. Есть проблемы с сохранением физической информации в BHs, и некоторые гипотезы состоят в том, что информация замерзает на горизонте и сохраняется там. Вся эта проблема находится в активных текущих исследованиях.

Judy

Возможно, приливные силы можно рассматривать как своеобразное давление. Если вы сначала окажетесь в ногах с черной дырой, другая сила гравитации на разных концах вашего тела заставит вас растянуться и потянуть как спагетти. Google «спагеттификация».


Bob Bee

Spaggettification - это приливные силы, это будет поле гравитации с градиентом. Давление не так, просто толкает или тянет, и оно связано с полем или материей.


Zac67

Давление обычно определяется силой на площадь поверхности. Поскольку «внутри» BH нет физического размера и, следовательно, нет поверхности, нет никакого способа определить давление. На самом деле, внутри черной дыры мы ничего не понимаем.

Как образуется черная дыра. Эволюция звезд

Черные дыры образуются на конечных стадиях эволюции массивных звезд. В недрах обычных звезд идут термоядерные реакции, выделяется огромная энергия и поддерживается высокая температура (десятки и сотни миллионов градусов). Силы гравитации стремятся сжать звезду, а силы давления горячего газа и излучения противостоят этому сжатию. Поэтому звезда находится в гидростатическом равновесии.

Кроме того, в звезде может существовать тепловое равновесие, когда энерговыделение, обусловленное термоядерными реакциями в ее центре, в точности равно мощности, излучаемой звездой с поверхности. При сжатии и расширении звезды тепловое равновесие нарушается. Если звезда стационарна, то ее равновесие устанавливается так, что отрицательная потенциальная энергия звезды (энергия гравитационного сжатия) по абсолютной величине всегда вдвое больше тепловой энергии. Из-за этого звезда обладает удивительным свойством — отрицательной теплоемкостью. Обычные тела имеют положительную теплоемкость: нагретый кусок железа, остывая, то есть, теряя энергию, понижает свою температуру. У звезды же все наоборот: чем больше она теряет энергии в виде излучения, тем выше становится температура в ее центре.

Эта странная, на первый взгляд, особенность находит простое объяснение: звезда, излучая, медленно сжимается. При сжатии потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию падения слоев звезды, и ее недра разогреваются. Причем тепловая энергия, приобретаемая звездой в результате сжатия, вдвое больше энергии, которая теряется в виде излучения. В итоге температура недр звезды растет, и осуществляется непрерывный термоядерный синтез химических элементов. Например, реакция преобразования водорода в гелий в нынешнем Солнце идет при температуре 15 миллионов градусов. Когда, через 4 миллиарда лет, в центре Солнца водород весь превратится в гелий, для дальнейшего синтеза атомов углерода из атомов гелия потребуется значительно более высокая температура, около 100 миллионов градусов (электрический заряд ядер гелия вдвое больше, чем ядер водорода, и чтобы сблизить ядра гелия на расстояние 10–13см требуется гораздо большая температура). Именно такая температура будет обеспечена благодаря отрицательной теплоемкости Солнца к моменту зажигания в его недрах термоядерной реакции превращения гелия в углерод.