Горизонт событий что это
Горизонт событий что это
Что такое горизонт событий?
Горизонт событий можно описать простым языком как точку невозврата. Это космическая тюрьма, из которой даже сам свет никогда не сможет выбраться, порог, за которым никакие события не могут повлиять на наблюдателя. Чтобы более детально понять, как концептуализируется горизонт событий, нужно говорить в контексте астрофизики, а именно теории общей относительности и черных дыр, с которыми тесно связано понятие о горизонте событий.
Точка невозврата
Горизонт событий является частью черной дыры, его можно представить как внешнее кольцо, окружающее черную дыру, и если конкретный объект проходит мимо этого внешнего кольца, он больше никогда не сможет вернуться. Похоже, что оно «прилипло» к глазам наблюдателя. Как именно теория относительности Альберта Эйнштейна играет в этом роль? Законы общей относительности гласят, что гравитационные тяготения черных дыр настолько сильны, что ни один объект не может от них ускользнуть.
Как утверждает Эйнштейн, нет ничего, что может путешествовать быстрее скорости света. Как только что-то входит в это кольцо вокруг черной дыры, которую мы называем горизонтом событий, необходимая скорость для побега начинает превышать скорость света. Но если скорость света самая высокая, как можно избежать этого? Никак, поэтому мы называем это точкой невозврата. Чем ближе кто-то или что-то приближается к центру черной дыры, тем быстрее увеличивается скорость, необходимая для побега.
Что такое квазар?
Если мы посмотрим на галактику нашей собственной Солнечной системы, Млечный Путь, то в ее центре есть черная дыра, масса которой равна массе 250 0000 Солнца, а горизонт событий простирается на многие миллионы километров. Важно заметить, что на самом деле никто никогда не видел черную дыру. Тем не менее физики убеждены в их существовании.
Единственное, что мы на самом деле можем видеть, это то, что называется аккреционным диском. Это дискообразный поток различных космических материалов, таких как газ и пыль, который подошел достаточно близко к черной дыре, но достаточно далеко, чтобы не упасть в нее. Эти галоподобные вещества, окружающие черную дыру, также называют квазарами, неологизмом, состоящим из «квазизвездного радиоисточника». Они называются так потому, что квазары были впервые обнаружены как радиоисточники. Они также являются одним из древнейших тел во Вселенной, а также самыми дальними и яркими объектами, которые мы можем видеть.
20 удивительных фактов о горизонте событий, которые вы должны знать
Мы кратко говорили о горизонте событий в нашем списке фактов о «черных дырах». Настало время провести детальное обсуждение горизонта событий и понять, что это такое и почему это так важно. Итак, вот 20 удивительных фактов о горизонте событий, отобранных и упрощенных для вас.
№6. Горизонты событий в основном встречаются вокруг черных дыр.
№7. Даже если свет испускается внутри границы, он не может избежать огромного гравитационного притяжения и, следовательно, он не может достичь наблюдателя, расположенного за пределами границы.
№8. Поскольку свет не может покинуть горизонт событий, черные дыры буквально невидимы для человеческого глаза.
№9. Если смотреть с другой стороны, если что-то приближается к горизонту событий за пределами границы (сторона, где находится наблюдатель), то оно постепенно замедляется, и этот объект никогда не пройдет через горизонт.
№10. Когда что-то приближается к горизонту событий, его изображение постепенно смещается с каждым мгновением.
№12. Итак, что вызывает красное смещение, когда что-то приближается к горизонту событий? Когда мы наблюдаем красное смещение, это означает, что свет от объекта возвращается к нам. Это возможно до тех пор, пока объект фактически не войдет в Горизонт Событий, где свет не может выйти. Прежде чем объект войдет в горизонт событий, фотоны в свете, испускаемом объектом, попытаются избежать огромной гравитации.
Это означает, что фотонам придется работать больше, чтобы убежать. Чем больше работы они делают, тем больше энергии они теряют. Другими словами, фотоны должны будут выпустить немного энергии, чтобы вырваться из гравитации. Теперь частота фотонов прямо пропорциональна их энергии.
Итак, если энергия фотона падает, его частота падает. Падение частоты означает увеличение длины волны. Это объясняет, почему объект становится красным по мере приближения к горизонту событий. Это называется гравитационным красным смещением, предсказанным теорией общей теории относительности Эйнштейна.
№13. Итак, почему объект замедляется при приближении к горизонту событий? Это происходит из-за гравитационного замедления времени. Мы объясним гравитационное замедление времени в другом списке.
№14. Забавная вещь в Горизонте Событий состоит в том, что даже если человек, расположенный на безопасном расстоянии от Горизонта Событий, испытывает или наблюдает красное смещение и гравитационное замедление времени, объект, который фактически приближается к границе, не будет испытывать ничего странного. Он не будет испытывать красное смещение или замедление времени и пройдет через горизонт событий в конечном количестве того, что известно как «надлежащее время».
№16. Поскольку объект, приближающийся к горизонту событий, даже не увидит ничего странного, он даже не узнает, что на самом деле приближается к горизонту событий, потому что эта граница не является чем-то физическим. Это только мнимая граница, основанная на математических расчетах.
№17. Только после того, как объект входит в горизонт событий, он может испытывать изменения. Как? Все попытки вернуться на самом деле потерпят неудачу.
№18. Горизонты событий черных дыр порождают явление, известное как спагеттификация или эффект лапши. Это явление, при котором объект, попадающий в горизонт событий, будет растягиваться вертикально и сжиматься в боковом направлении до тех пор, пока он не примет форму спагетти или лапши. Это происходит из-за огромных приливных сил, которые существуют в горизонте событий и вызваны огромным гравитационным притяжением сингулярности.
№20. В случае сверхмассивных черных дыр точка сингулярности находится далеко от горизонта событий, и поэтому приливные силы не существуют вне горизонта событий. Таким образом, спагеттификация не произойдет, пока объект не войдет в горизонт событий. Итак, можно сделать вывод, что удаленный наблюдатель действительно увидит объект, спагетизированный до того, как он исчезнет, если приблизится к маленькой черной дыре. Наблюдатель вообще не сможет увидеть спагеттификацию, если объект приблизится к сверхмассивной черной дыре.
О горизонте событий кратко и доступно:
Вообщем «горизонт событий», как понятно из названия это некий горизонт чего-там, за пределами которого мы не могём ничо увидеть.
Перенесемся ближе к богу выше.
В космосе же есть аж несколько горизонтов: горизонт событий, горизонт частиц и еще ряд специфических горизонтов, типа горизонт событий будущего.
Собственно чем космический горизонт событий отличается от обычного земного горизонта для простого читателя? Ни за тот, ни за этот горизонт заглянуть нельзя.
Отличие в том, что космический горизонт событий как бы постоянно отодвигается все дальше, потому что свет, испущенный в далеком прошлом таки доходит до нас.
Тут тоже как бы понятно, едем дальше и повышаем еще градус неадеквата.
Где-то там и скрывается центральная сверхмассивная чорная дырка, окруженная плотным скоплением звезд (которые в итоге притянутся и всоссуться в горизонт событий), окруженная сверхгорячим газовым облаком, которое светится всеми цветами радуги потому что затягивается в аккреционный диск, который разогрет до охулиарда градусов и светится так, что можно ослепнуть даже с расстояния 3-4 тыщи световых лет.
Горизонт событий
Черные дыры, вероятнее всего, совсем не ограничены никаким горизонтом событий. Не правда ли парадоксальное заявление? Впрочем, вряд ли кто-то будет удивлён, если узнает, что эта новая гипотеза принадлежит легендарному физику-теоретику Стивену Хоккингу. В своё время с его лёгкой подачи чёрные дыры перестали считаться «чёрными» и «бессмертными».
Однако не так просто осознать эту идею. Для начала стоит разобраться, что вообще представляет собой горизонт событий.
Разновидности горизонта событий
Мы привыкли ассоциировать горизонт событий непосредственно с чёрными дырами. Непреступная граница, оболочка чёрных дыр. За этой оболочкой скрыто то, что неподвластно взгляду стороннего наблюдателя и даже существующим законам физики. Однако, горизонт событий в контексте чёрных дыр является лишь его частным проявлением. Другими словами, горизонт событий есть не только у чёрных дыр.
Общее определение горизонта событий представляет нам его как некую условную границу, которая разделят две совокупности событий. Существуют две разновидности горизонта событий – горизонт событий прошлого и будущего. Горизонт прошлого разделяет совокупности изменяемых и неизменяемых событий. Горизонт будущего разделяет несколько иные совокупности. Обо всех событиях первой совокупности наблюдатель может узнать когда-либо. Вторая же совокупность содержит события, о которых наблюдатель не узнает никогда.
Чёрная дыра обладает горизонтом событий прошлого. Подобный горизонт также будет наблюдать тот, кто движется с релятивистки равномерным ускорением. Горизонтом событий будущего обладает наблюдаемая часть Вселенной. Подробнее об этих «разновидностях» горизонта событий будет рассказано ниже.
Путешествие в бездну
Горизонт Событий черной дыры
Чёрные дыры являются крайне удобной площадкой для изысканий физиков теоретиков и иллюстрации многих труднообъяснимых явлений. Так в популярной науке известен классический пример, описывающий падение выдуманного звездолёта на чёрную дыру и наблюдение за ним стороннего наблюдателя. Этот пример наглядно описывает некоторые особенности горизонта событий.
Согласно теории относительности, для пассажира звездолёта путь до горизонта событий ничем не будет примечателен. Он будет двигаться с нарастающим ускорением, пока не достигнет скорости света на горизонте событий. Иную картину увидит наблюдатель. Для него растягивающийся силуэт звездолёта будет замедляться по мере приближения к чёрной дыре. У самого горизонта событий он и вовсе застынет навеки.
Науке неизвестно, что произойдёт со звездолётом после пересечения этой черты. Вероятнее всего, с точки зрения пассажира звездолёта, преодолев световой барьер, он продолжит своё ускорение. Стоит отметить, что вся масса чёрной дыры должна быть сосредоточена в её центре, бесконечно мелкой сингулярности. Поэтому остальное пространство чёрной дыры является просто областью, ограниченной горизонтом событий.
Разный взгляд на пустоту
Материалы по теме
Можно ли увидеть черную дыру?
Другими словами, термин «радиус чёрной дыры» не обозначает радиус материального объекта. Это радиус области, внутри которой не действует известная физика. Попав в неё, наш звездолёт не только не сможет вырваться назад, но и неизбежно попадёт в её центр.
В данном случае интересная особенность горизонта событий заключается в том, что с точки зрения наблюдателя никакой сингулярности не существует. Всё то, что попало в чёрную дыру для нашего (внешнего) мира навсегда останется у края горизонта событий. То есть, с нашей точки зрения, вся масса чёрной дыры сосредоточена не в центре, а по периферии. Звездолёт не только не достигнет центра, но и не пересечёт границы чёрной дыры.
Для тех же, кто попал в чёрную дыру, пересечение горизонта событий пролетит со скоростью света. Путешествие до сингулярности будет проходить при ещё больших нарастающих скоростях, что также нарушает законы нашей физики. В конечном итоге любое тело, угодившее в чёрную дыру, неизбежно станет частью сингулярности. По её меркам пройдёт сравнительно небольшое время, тогда как за пределами дыры, известная для нас, Вселенная может исчезнуть. Ведь, согласно модели Хоккинга, испарения чёрной дыры происходит за невообразимо короткий срок.
Масштабы горизонта событий
Горизонт событий, наряду с сингулярностью, является основным «атрибутом» чёрной дыры. Его радиус, называемый также гравитационным радиусом, или радиусом Шварцшильда, линейно зависит от её массы. Можно практически в уме оценить радиус любой чёрной дыры, умножив три километра на отношение её массы к массе солнца. Так чёрная дыра с земной массой будет размером с вишню. В тоже время размер сверхмассивных чёрных дыр будет исчисляться миллионами и даже миллиардами километров.
Очевидно, что при таких колоссальных размерах, такие объекты не будут обладать столь губительными приливными силами. Поэтому мысль о том, что любое тело разорвёт ещё до подхода к чёрной дыре, является заблуждением. Получается, теоретически можно допустить путешествие человека вглубь чёрной дыры, о чём было рассказано выше.
Самым интересным является то, что размер чёрной дыры с массой наблюдаемой Вселенной в разы меньше размера самой Вселенной. Собственно, тут стоит вспомнить, оговоренную ранее разновидность горизонта событий, как завесу, окутывающую нашу наблюдаемую Вселенную. То есть, то, что, находится за горизонтом событий Вселенной, скрыто от наблюдателя подобно звездолёту, находящемуся в чёрной дыре.
Вселенский горизонт событий
Горизонт Вселенной и сфера Хаббла
Горизонт событий наблюдаемой Вселенной является одним из трёх параметров, характеризующих её границы. Кроме него также существует сфера Хаббла и горизонт частиц. Радиус сферы Хаббла равен расстоянию, который прошёл свет за время жизни Вселенной – т.е. около 14 млрд. световых лет. Однако, в силу того, что наша Вселенная не статична, сфера Хаббла не является её границей. Реальную границу характеризует горизонт частиц, который учитывает расширение Вселенной. Радиус горизонта частиц примерно в три раза больше горизонта сферы Хаббла. Он равен фактическому расстоянию, который преодолел самый далёкий объект, успевший испустить свет до наблюдателя.
Горизонт событий несколько отличен от горизонта частиц. Он отсеивает от нас те события в нашей Вселенной, о которых мы не узнаем никогда. Его радиус на несколько миллиардов световых лет больше радиуса сферы Хаббла.
Все эти три параметра непосредственно зависят от самого наблюдателя. В этом и состоит одно из отличий горизонта событий чёрной дыры от горизонта событий Вселенной. То есть, горизонт событий чёрной дыры не зависит от местоположения различных наблюдателей. Напротив, каждый наблюдатель, в зависимости от своего местоположения, будет видеть границу Вселенной по-своему. Это похоже на то, как будет различаться горизонт с разных точек поверхности планеты.
Горизонт Риндлера
Горизонт событий также существует для наблюдателя, который находится в состоянии релятивистски равноускоренного движения. Такое тело будут сопровождать два горизонта, которые во многом схожи с горизонтом чёрных дыр. К примеру, этот горизонт будет также обладать излучением, аналогичному излучению испаряющихся чёрных дыр.
Этот горизонт также называется горизонтом Риндлера. Он назван в честь его первооткрывателя Вольфганта Риндлера, который, к слову, придумал сам термин «горизонт событий».
Видимый горизонт
Черная дыра в представлении художника
Итак, теперь мы имеем представление о том, каким видит горизонт событий современная наука. Казалось бы, каким образом Стивен Хоккинг решил опровергнуть его существование. На самом деле новая гипотеза создана, чтобы разрешить некоторые противоречия, связанные с чёрными дырами.
Зарождающаяся квантовая теория уже превратила чёрные дыры в объекты, способные излучать. Согласно той же квантовой модели, горизонт событий для нашего звездолёта теперь не будет просто условной границей. Обладая большой концентрацией энергии, «новый» квантовый горизонт событий полностью уничтожит звездолёт. Однако, как мы помним, согласно принципам теории относительности, звездолёт должен беспрепятственно пройти этот рубеж.
Первое прямое визуальное изображение сверхмассивной черной дыры и ее тени в центре галактики M87
Поэтому было решено внести некоторые коррективы в устоявшиеся представления о горизонте событий. Теперь горизонт событий лишь временно удерживает то, что получил. По мере испарения чёрной дыры информация вернётся за горизонт, хоть и в искаженном виде. Однако даже сам Хоккинг называет свою идею не больше, чем и гипотезой. Он подчеркивает, что учёным ещё многое нужно познать, прежде чем с уверенностью говорить о горизонте событий.
Герой фантастики
Черная дыра Гаргантюа из фильма Интерстеллар
В любом случае загадочность и неизведанность горизонта событий ещё долго будет будоражить умы фантастов. Чаще всего горизонт событий фигурирует как ворота в отдалённое пространство, время или измерение. Фантасты действительно вольны приписывать ему многие свойства, ведь пока что с ними неспособна поспорить наука.
Наиболее удачной в этом плане можно выделить кинокартину Кристофера Нолана «Интерстеллар».
Над сценарием и проработкой графики картины трудился не безызвестный физик-теоретик Кип Торн. Это резко выделяет фильм на фоне большинства фантастических картин. Вряд ли кто-то может сравниться с реалистичностью «прорисовки» сверхмассивной чёрной дыры, проделанной в «Интерстелларе».
Для тех, кто хочет почувствовать себя героем «Интерстлеллара» создано приложение. Онлайн модель чёрной дыры имитирует искривление пространства вокруг чёрной дыры. Программа позволяет пронаблюдать за горизонтом событий в различных ракурсах и приближениях. Под саундрек «Интерстеллара» можно совершить погружение к горизонту событий, наблюдая за изменением не только космических красот или аккреционного диска, но и координатной сетки.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Горизонт событий
Математическая формулировка
Космология
| Фундаментальные принципы |
|---|
| Специальная теория относительности · Пространство-время · Принцип эквивалентности · Мировая линия · Псевдориманова геометрия |
| Явления |
|---|
| Задача Кеплера в ОТО · Гравитационное линзирование · Гравитационные волны · Увлечение инерциальных систем отсчёта · Расхождение геодезических · Горизонт событий · Гравитационная сингулярность · Чёрная дыра |
| Уравнения |
|---|
| Уравнения Эйнштейна · Линеаризованная ОТО · Постньютоновский формализм |
| Развитие теории |
|---|
| Параметризованный постньютоновский формализм · Теории типа Калуцы — Клейна · Квантовая гравитация · Альтернативные теории |
| Решения |
|---|
| Шварцшильда · Райсснера — Нордстрёма · Керра · Керра — Ньюмена · Гёделя · Казнера · Фридмана — Леметра — Робертсона — Уолкера Приближённые решения: Постньютоновский формализм · Ковариантная теория возмущений · Численная относительность |
| Журналы |
|---|
| General Relativity and Gravitation · Classical and Quantum Gravity · Гравитация и космология · Living Reviews in Relativity |
| Известные учёные |
|---|
| Эйнштейн · Минковский · Шварцшильд · Леметр · Эддингтон · Фридман · Робертсон · Фок · Керр · Чандрасекар · Пенроуз Хокинг и другие… |
Горизо́нт собы́тий — воображаемая граница в пространстве-времени, разделяющая те события (точки пространства-времени), которые можно соединить с событиями на светоподобной (изотропной) бесконечности светоподобными геодезическими линиями (траекториями световых лучей), и те события, которые так соединить нельзя. Так как обычно светоподобных бесконечностей у данного пространства-времени две: относящаяся к прошлому и будущему, то и горизонтов событий может быть два: горизонт событий прошлого и горизонт событий будущего. Упрощённо можно сказать, что горизонт событий прошлого разделяет события на те, на которые можно повлиять с бесконечности, и на которые нельзя; а горизонт событий будущего отделяет события, о которых можно что-либо узнать, хотя бы в бесконечно отдалённой перспективе, от событий, о которых узнать ничего нельзя. Это связано с тем, что скорость света является предельной скоростью распространения любых взаимодействий, так что никакая информация не может распространяться быстрее.
Горизонт событий обычно является 3-мерной гиперповерхностью. Необходимым и достаточным условием его существования является пространственноподобность хотя бы части светоподобной (изотропной) бесконечности. Следует отметить, что горизонт событий — понятие интегральное и нелокальное, так как в его определении участвует светоподобная бесконечность, то есть все бесконечно удалённые области пространства-времени. Поэтому в своей непосредственной окрестности горизонт событий ничем не выделен, что представляет проблему при численных расчётах в общей теории относительности. Для решения этой проблемы предложены некоторые близкие по свойствам к горизонту событий, но локально определяемые понятия: динамический горизонт, ловушечная поверхность и кажущийся горизонт (apparent horizon).
Существует также понятие горизонта событий отдельного наблюдателя. Он разделяет между собой события, которые можно соединить с мировой линией наблюдателя светоподобными (изотропными) геодезическими линиями, направленными соответственно в будущее — горизонт событий прошлого, и в прошлое — горизонт событий будущего, и события, с которыми этого сделать нельзя. Например, постоянно равномерно ускоренный наблюдатель в пространстве Минковского имеет свои горизонты прошлого и будущего (см. горизонт Риндлера).
Содержание
Горизонт событий чёрной дыры
Горизонт событий будущего является необходимым признаком чёрной дыры как теоретического объекта. Горизонт событий сферически-симметричной чёрной дыры называется сферой Шварцшильда и имеет характерный размер, называемый гравитационным радиусом.
Находясь под горизонтом событий, любое тело будет двигаться только внутри чёрной дыры и не сможет вернуться обратно во внешнее пространство. C точки зрения наблюдателя, свободно падающего в чёрную дыру, свет может свободно распространяться как по направлению к чёрной дыре, так и от неё. Однако после пересечения горизонта событий даже свет, распространяющийся от наблюдателя наружу, никогда не сможет выйти за пределы горизонта. Предмет, попавший внутрь горизонта событий, в конце концов, вероятно, попадает в сингулярность, а перед этим вытягивается в струну вследствие высокого градиента силы притяжения чёрной дыры (приливных сил).
Что такое горизонт событий, или как вырваться из черной дыры
Elena Foer
Изучением черных дыр всерьез физики занялись не так давно — хотя сама концепция их существования появилась еще в позапрошлом веке. Но идея присутствия где-то в космосе таких объектов казалась настолько фантастической и недоказуемой, что практически не рассматривалась всерьез. В новом выпуске рубрики «Просто о сложном» — рассказ об истории открытия «застывших звезд» и о том, что происходит с пространством и временем на границах черной дыры.
Долгая история неверия
В 1783 году священник из английской деревни Торнхилл Джон Митчелл представил в журнал «Философские труды Лондонского Королевского общества» свою статью. В ней он писал, что достаточно массивная и компактная звезда будет иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет уйти от нее далеко — он будет затянут обратно за счет гравитационного притяжения. Митчелл считал, что таких объектов в космосе может быть очень много, но увидеть их невозможно — так как их свет поглощается ими же. Тем не менее теоретически их гравитационное притяжение можно обнаружить. Статья не вызвала ажиотажа в научном сообществе и прошла практически незамеченной.
Спустя несколько лет французский ученый Пьер-Симон Лаплас, незнакомый с работой Митчелла, выдвинул схожую гипотезу. Он опубликовал ее в своем труде «Система мира», однако после второго издания теория из книги исчезла — по всей видимости, Лаплас решил, что о такой дурацкой идее и говорить не стоит.
Из небольших звезд получаются белые карлики, объекты с плотностью в сотни тонн на кубический сантиметр. В космосе их обнаружено довольно много, и наше Солнце со временем пополнит их ряды.
А вот в XIX веке ученым уже не могла прийти в голову мысль о невидимых звездах. Все дело в том, что ньютоновское убеждение относительно того, что свет состоит из частиц, вышло из моды. Ученые пришли к выводу, что концепция, согласно которой свет — это волна, лучше описывает явления окружающего мира. О том, как гравитация действует на волны, ничего известно не было, стало быть, и рассуждения о небесных объектах, «затягивающих» собственный свет, пришлось забыть.
Вновь вспомнили о них только в XX веке. В 1916 году, практически сразу после публикации Эйнштейном общей теории относительности, Карл Шварцшильд описал «застывшую звезду», как тогда называли такие объекты, не рассматривая процесс ее зарождения, а в 1939 этот недостающий элемент в теорию добавили Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер. И только 1969 году американский физик Джон Уилер придумал термин «черная дыра» (Уилер вообще был романтиком, и второй придуманный им термин, «кротовая нора», еще более любим фантастами).
Загробная жизнь звезды
Жизненный цикл звезды чем-то похож на человеческий — она рождается и умирает. Вначале огромное облако газа (преимущественно водорода) в космосе начинает сжиматься под воздействием собственной гравитации, его молекулы все чаще сталкиваются друг с другом, и их скорости увеличиваются. Газ разогревается, и при определенной температуре возникает реакция термоядерного синтеза, в результате которой образуется гелий. В ходе реакции выделяется тепло и излучается свет. Так возникает звезда. Тепло создает дополнительное давление, которое уравновешивает гравитационное притяжение, и звезда перестает сжиматься — в стабильном состоянии она может существовать более миллиона лет. Но рано или поздно запасы реагирующего водорода у звезды иссякают, и она начинает остывать и сжиматься.
Тут сравнение с человеческой жизнью заканчивается, потому что дальнейшая судьба светила зависит от его массы. Из небольших звезд получаются белые карлики, объекты с плотностью в сотни тонн на кубический сантиметр. В космосе их обнаружено довольно много, и наше Солнце со временем пополнит их ряды. Из более крупных светил образуются нейтронные звезды. Их размер куда меньше, чем у белых карликов, зато плотность составляет сотни миллионов тонн на кубический сантиметр.
И, наконец, если масса звезды достаточно велика, то образующаяся нейтронная звезда под воздействием гравитации сжимается все сильнее и сильнее, пока не станет черной дырой.
Выхода нет
Одним из важнейших достижений Эйнштейна было открытие природы гравитации. Ученый показал, что она, по сути, является искривлением пространства. Под воздействием массивных объектов оно «проминается», как натянутая эластичная ткань, на которую положили тяжелый предмет. Продолжая это сравнение, можно сказать, что точно так же в виде тяжелого шара можно представить и Солнце, а Земля, будучи значительно более мелким шариком, не притягивается к нему, а всего лишь вращается в получившейся воронке (с той только разницей, что настоящий шарик со временем скатился бы вниз).
В самой же черной дыре искривление пространства-времени становится бесконечным — такое состояние физики называют сингулярностью, и в нем нет ни пространства, ни времени в нашем понимании.
Так же можно представить и рождение черной дыры — шар на натянутой эластичной ткани становится все более маленьким и плотным, и ткань все сильнее прогибается под его весом, пока наконец он не становится настолько маленьким, что она просто смыкается над ним и он пропадает из поля зрения. Примерно так происходит и в реальности: пространство-время вокруг звезды свертывается, и она пропадает из Вселенной, оставляя в ней лишь сильно искривленную область пространства-времени. В самой же черной дыре искривление пространства-времени становится бесконечным — такое состояние физики называют сингулярностью, и в нем нет ни пространства, ни времени в нашем понимании.
Из-за происходящего искривления лучи света, идущие от звезды, меняют свои траектории. Если представить себе эти лучи как конусы, вершина которых — у звезды, а «подошва» — это круг расходящегося света, то можно сказать, что в процессе коллапса эти конусы постепенно все больше наклоняются внутрь, к звезде. Наблюдателю, смотрящему на этот процесс, будет казаться, что свечение становится все более тусклым и красным (это потому что красный свет имеет наибольшую длину волны). В конце концов искривление (то есть гравитационное поле) станет настолько сильным, что ни один луч света не сможет выйти наружу. Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, и это означает, что начиная с этого момента ничто не может выбраться за пределы этого гравитационного поля. Эту область пространства, из которой нет выхода, и называют черной дырой. Ее граница определяется по траектории тех световых лучей, которые первыми потеряли возможность выйти наружу. Она называется горизонтом событий черной дыры — так же как, глядя из окна, мы не видим, что находится за горизонтом, так и условный наблюдатель не может понять, что происходит внутри границ невидимой мертвой звезды.
На самом деле все не так
Убеждение, что ничто не может покинуть черную дыру, было незыблемым до 70-х годов XX века. А в 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры в результате квантовых процессов все же излучают разнообразные элементарные частицы, преимущественно фотоны. В 2010-х годах разные группы ученых в лабораторных условиях подтвердили его предположение. При этом в природе такого излучения пока не было обнаружено, как, впрочем, и самих черных дыр — Нобелевская премия за их открытие еще ждет своего счастливчика.
Мы ежедневно сталкиваемся с fake facts, заблуждаемся и искажаем картину мира, а с некоторыми ложными установками живем всю жизнь. Пора это исправить. В нашем научно-просветительском проекте #НАДОРАЗОБРАТЬСЯ рассказываем, как защитить себя от фейков, научиться их распознавать, и развеиваем самые распространенные мифы об окружающем нас мире.
Спросите Итана: как должен выглядеть горизонт событий чёрной дыры?
Изображение чёрной дыры. Несмотря на её тёмный цвет, считается, что все чёрные дыры были сформированы из обычной материи, но подобные иллюстрации не совсем точны
В апреле 2017 телескопы всего мира одновременно собрали данные по центральной чёрной дыре Млечного Пути. Из всех известных во вселенной ЧД та, что находится в центре Галактики — Стрелец A* — особенная. С нашей точки зрения её горизонт событий крупнейший из всех доступных нам ЧД. Он настолько большой, что телескопы, расположенные в разных местах Земли, должны были бы его увидеть, если бы посмотрели на него все одновременно. И хотя на комбинирование и анализ данных, полученных с разных телескопов, уйдут месяцы, к концу 2017 года мы должны получить наше первое изображение горизонта событий. Так как он должен выглядеть? Такой вопрос задаёт один из наших читателей, запутавшийся в иллюстрациях:
Разве горизонт событий не должен полностью окружать чёрную дыру на манер яичной скорлупы? Все художники рисуют чёрные дыры в виде разрезанных яиц, сваренных вкрутую. Почему горизонт событий не окружает чёрную дыру полностью?
Конечно, в интернете можно найти иллюстрации разного рода. Но какие из них правильные?
Рисунок с простым чёрным кругом и кольцом вокруг него — чрезмерно упрощённое изображние горизонта ЧД
Самый старый вид иллюстраций — простой чёрный диск, закрывающий собой весь свет позади него. Это имеет смысл, если вспомнить, что собой представляет ЧД: по сути, это собранная в одном месте масса настолько большой величины и настолько компактная, что скорость убегания с её поверхности превышает скорость света. Поскольку ничто не может двигаться так быстро, даже передача взаимодействий между частицами внутри ЧД, внутри ЧД схлопывается до сингулярности, а вокруг ЧД образуется горизонт событий. Из этого сферического участка космоса свет не может убежать, поэтому он и должен выглядеть с любой перспективы, как чёрный круг, наложенный на фон Вселенной.
ЧД — не просто масса над изолированным фоном, она оказывает гравитационные эффекты, растягивающие, увеличивающие и искажающие свет из-за гравитационного линзирования.
Но это ещё не вся история. Из-за гравитации ЧД увеличивают и искажают идущий с обратной стороны свет из-за эффекта гравитационного линзирования. Существует более точные и детальные иллюстрации внешнего вида ЧД, и у неё даже есть горизонт событий, размер которого правильно сопоставлен с кривизной пространства согласно ОТО.
К сожалению, и эти иллюстрации не лишены недостатков: они не учитывают материал, находящийся перед ЧД и аккреционный диск вокруг ЧД. Некоторые изображения включают и это.
Изображение активной ЧД, занятой аккрецией материи и ускорением её части в виде двух перпендикулярных струй, может описать ЧД в центре нашей Галактики правильно с многих точек зрения.
Из-за огромных гравитационных эффектов чёрные дыры формируют аккреционные диски в присутствии других источников материи. Астероиды, газовые облака, целые звёзды могут быть разорваны на части приливными силами, исходящими от таких массивных объектов, как чёрные дыры. Из-за сохранения углового момента и из-за столкновений между различными падающими в ЧД частицами, вокруг неё появиялется дискообразный объект, который разогревается и излучает. Во внутренних регионах частицы периодически падают в ЧД, что увеличивает её массу, а материал, находящийся перед ней, закрывает часть сферы, которую вы бы иначе видели.
Но сам по себе горизонт событий непрозрачен, и материю за ним вы видеть не должны.
У чёрной дыры в фильме Interstellar достаточно точно показан горизонт событий для особого класса вращающихся ЧД
Вас может удивить, что в голливудском фильме Interstellar ЧД изображена точнее, чем на многих профессиональных изображениях, созданных в НАСА или для него. Но даже среди профессионалов полно неправильных представлений о ЧД. ЧД не засасывают материю внутрь, а лишь оказывают гравитационное воздействие. ЧД не раздирают предметы из-за какой-то дополнительной силы — это делают простые приливные силы, когда одна часть падающего объекта оказывается ближе к центру, чем другая. И, что самое важное, ЧД редко существуют в «голом» состоянии, и часто находятся вблизи другой материи, как та, что существует в центре нашей Галактики.
Композитное изображение ЧД Стрелец А* в центре нашей Галактики, составленное из рентгеновских и инфракрасных лучей. Она обладает массой в 4 миллиона солнечных, и окружена горячим газом, излучающим в рентгеновском диапазоне
Памятуя обо всём этом, вспомним, что же это за изображения варёных яиц? Помните, что саму ЧД изобразить нельзя, поскольку она не испускает свет. Мы можем только наблюдать в определённом диапазоне длин волн и видеть сочетание света, обходящего ЧД сзади, изгибающегося вокруг и перед ней. И получающийся сигнал действительно будет напоминать варёное вкрутую яйцо, разрезанное пополам.
Некоторые из возможных сигналов горизонта событий ЧД, полученные в симуляциях проекта «Телескоп горизонта событий»
Всё дело в том, что именно мы фотографируем. Мы не можем наблюдать в рентгеновском диапазоне, ибо таких фотонов слишком мало. Мы не можем наблюдать в видимом свете, поскольку центр галактики для него непрозрачен. И мы не можем наблюдать в инфракрасном свете, поскольку атмосфера блокирует такие лучи. Но мы можем наблюдать в радиодиапазоне, и делать это по всему миру, одновременно, чтобы получить наилучшее из возможных разрешений.
Части «Телескопа горизонта событий» из одного полушария
Угловой размер ЧД в центре Галактики равен примерно 37 угловых микросекунд, а разрешение телескопа равно 15 угловых микросекунд, поэтому у нас должно получиться его увидеть! Большая часть радиочастотного излучения исходит из заряженных частиц материи, ускоряющихся вокруг ЧД. Мы не знаем, как будет ориентирован диск, будет ли там несколько дисков, будет ли это больше похоже на рой пчёл или на компактный диск. Мы также не знаем, предпочтёт ли он одну «сторону» ЧД, с нашей точки зрения, другой.
Пять различных симуляций в ОТО с использованием магнитогидродинамической модели аккреционного диска ЧД, и то, как будет выглядеть полученный сигнал
Мы ожидаем найти реальный горизонт событий, с определённым размером, блокирующий весь идущий из-за него свет. Мы также ожидаем наличие какого-либо сигнала, расположенного перед ним, неровность этого сигнала из-за беспорядка вокруг ЧД, и что ориентация диска относительно ЧД определит, что именно вы сможем увидеть.
Одна часть будет ярче, когда диск вращается в нашу сторону. Другая сторона тусклее, когда диск вращается от нас. Контур горизонта событий также может быть видимым из-за гравитационного линзирования. Что ещё важнее, расположение диска к нам ребром или плоскостью очень сильно будет влиять на характер полученного сигнала, как видно в первом и третьем квадратах рисунка ниже.
Расположение диска к нам ребром (два правых квадрата) или плоскостью (два левых квадрата) очень сильно будет влиять на то, какую ЧД мы увидим
Мы можем проверить и другие эффекты, а именно:
• обладает ли ЧД размером, предсказанным ОТО,
• круглый ли горизонт событий (как предсказано), или вытянутый, или сплющенный у полюсов,
• простирается ли радиоизлучение дальше чем мы думаем,
или есть ещё какие-то отклонения от ожидаемого поведения. Это новая ступень физики, и мы находимся на грани её прямой проверки. Одно ясно: неважно, что увидит «Телескоп горизонта событий», мы обязательно узнаем что-то новое и прекрасное об одних из самых экстремальных объектов и условий во Вселенной!
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Астрономический словарик: гидростатическое равновесие, горизонт событий, гравитационное линзирование
Гидростатическое равновесие
Впервые термин ввели физики для описания состояния жидкостей, в котором действующие на неё силы уравновешиваются. В таком случае жидкость находится в состоянии покоя. На поверхности Земли, например, это может быть равновесие силы тяжести, действующей на жидкость, и силы давления самой жидкости, возникающей из-за межмолекулярных взаимодействий.
Однако в подобных терминах можно описывать не только жидкости. Например, взаимодействие молекул газов, составляющих воздух, препятствует гравитации Земли, стремящейся сплюснуть атмосферу. А гравитация не даёт этому взаимодействию выбросить нашу атмосферу в открытый космос.
Похожими способами можно описать и изучать скалистые планеты, а также звёзды, межзвёздные облака газа и пыли и даже звёздные скопления. Например, по определению, принятому Международным астрономическим союзом в 2006 году, планету от других небесных тел отличает то, что её гравитация преодолевает сопротивление материала, из которого она состоит, что придаёт ей эллипсоидную форму, и делает состав переменным по мере погружения от поверхности к центру. Говорят, что планета находится в гидростатическом равновесии.
Звёзды находятся в гидростатическом равновесии, поскольку внутреннее давление тепла и излучения, направленное наружу, компенсируется гравитацией их вещества. Если звезда вращается, она может оставаться в гидростатическом равновесии до определённой максимальной скорости вращения – при этом из-за центробежных сил вращающееся небесное тело на экваторе имеет больший диаметр, чем тот, что соединяет его полюса. Чем больше энергии выделяется в процессе синтеза, тем больше звезда расширяется. Когда у неё заканчивается топливо, она начинает сжиматься.
Плазма, заполняющая звёздные скопления, до достижения определённой массы поддерживает себя в гидростатическом равновесии благодаря высокой температуре, которая не даёт ей схлопнуться.
Горизонт событий
Прямое изображение чёрной дыры в центре галактики Мессье 87
Массивные тела притягиваются друг к другу. Чтобы одному телу вырваться из гравитационного притяжения другого, ему необходимо набрать определённую скорость. Чтобы космическая ракета смогла не просто выйти на орбиту вокруг Земли, но отправиться в открытый космос, ей надо набрать т.н. «вторую космическую скорость» или «скорость убегания». Она рассчитывается по формуле:
Где G – гравитационная постоянная, R – расстояние от центра планеты до тела, а M – её масса. Чем больше масса планеты, тем большую скорость нужно набрать для того, чтобы высвободиться из её гравитационного захвата. На Луне это 2,3 км/с, на Земле – 11,2 км/с, на Юпитере – 60 км/с, на Солнце – 617,5 км/с. Однако в своей Специальной теории относительности Эйнштейн постулировал существование максимальной скорости – скорости света в вакууме.
Получается, что небесное тело может набрать такую массу, при которой, попав на его поверхность (а точнее, приблизившись на определённое расстояние к его центру), ничто, даже свет, не сможет больше убежать обратно в космос. Для этого тело должно быть одновременно массивным и достаточно компактным (поскольку, чем больше расстояние до центра, R, тем меньше будет скорость убегания). До этого ещё в 1784 году додумался Джон Мичелл — священник из английской деревни, естествоиспытатель, геолог и астроном. Он назвал подобные гипотетические объекты «тёмными звёздами».
И такие тела существуют в реальности – это чёрные дыры. В начале XX века Эйнштейн показал, что гравитация влияет на движение света. Затем Карл Шварцшильд решил уравнения Эйнштейна для точечной и сферической масс. Так появилось понятие радиус Шварцшильда – расстояния от центра объекта, на котором вторая космическая скорость совпадает со скоростью света. Американский физик Вольфганг Риндлер предложил называть сферу такого радиуса «горизонтом событий», а физик-теоретик Дэвид Финкельштейн в 1958 году впервые определил термин «чёрная дыра» как область в пространстве, которую ничто не может покинуть.
С чёрными дырами и горизонтом событий связано несколько парадоксов физики – противоречий, способа разрешения которых мы не знаем. Например, внутри горизонта событий находится «сингулярность» — место, в котором некоторые члены уравнения Эйнштейна становятся бесконечными (к примеру, кривизна пространства-времени). Кроме того, сочетание квантовой механики и общей теории относительности приводит к информационному парадоксу, возникающему вблизи горизонта событий.
В 1970-х годах Стивен Хокинг показал, что чёрная дыра должна испускать фотоны, причём параметры этого излучения определяются исключительно её массой, зарядом и моментом импульса. При этом благодаря такому излучению чёрная дыра способна за достаточно долгое время полностью «испариться». Получается, что вся остальная физическая информация о веществе, упавшем в чёрную дыру, бесследно исчезает.
Однако это противоречит одному из основных принципов физики – что состояние системы в один момент времени должно определять её последующие состояния в будущем. В частности, в квантовой физике состояние системы описывается волновой функцией, а её изменение во времени – унитарным оператором. Унитарность предполагает, что по взятой в любой момент времени волновой функции можно определить значение этой функции в прошлом или будущем.
В 1997 году было сделано предположение о наличии связи между теориями, описывающими квантовую гравитацию в терминах теории струн, и теориями квантового поля — АдС/КТП соответствие. Это предположение позволяет считать, что информация при испарении чёрных дыр всё-таки сохраняется. Фанаты теории струн считают, что излучение Хокинга не является строго тепловым – в нём содержатся небольшие квантовые коррекции, кодирующие информацию о материи, попавшей в чёрную дыру. Любители петлевой квантовой гравитации считают, что информация до последнего хранится в чёрной дыре, и освобождается в самые последние моменты её испарения, когда на её эволюцию уже начинают влиять квантовые эффекты.
Часть физиков вообще считает, что ничего плохого в нарушении унитарности нет, и в присутствии гравитации квантовые системы и так ведут себя неунитарно.
Также в космологии горизонтом событий называют максимальное расстояние до объекта, свет от которого, испущенный в данный момент, сможет дойти до нас в будущем. Из-за постоянного расширения Вселенной все гравитационно не связанные с нашей системой объекты удаляются от нас – и чем дальше находится объект, тем быстрее он удаляется. В итоге достаточно далёкие объекты удаляются от нас со скоростью, превышающей скорость света (что не нарушает специальную теорию относительности, ограничивающую максимальную скорость только для локальных систем). Поэтому света от некоторых объектов мы не сможем увидеть уже никогда.
Гравитационное линзирование
На стыке XVI и XVII веков Ньютон описал закон всемирного тяготения. С его точки зрения сила гравитации действовала мгновенно и на любом расстоянии на все тела, обладающие массой, притягивая их друг к другу. Уже он задался вопросом (в своей книге «Вопросы», где перечислил нерешённые на тот момент научные задачи): не могут ли массивные тела притягивать свет?
Через сто лет после этого видные учёные того времени, Генри Кавендиш (занимавшийся в основном исследованием газов) и Иоганн фон Зольднер (астроном, физик и математик), согласились, что так оно и должно быть – в то время преобладала корпускулярная теория света, по которой свет представлял собой поток элементарных частиц. Последний даже рассчитал угол отклонения луча света под воздействием массивного тела. Позднее, в 1911 году такой же результат, как у него, получил Эйнштейн – только он рассчитывал этот угол, исходя исключительно из принципа гравитационного замедления времени. Чуть позже Эйнштейн разработал Общую теорию относительности, согласно которой рассчитанные ранее им и фон Зольднером результаты были в два раза меньше нужного.
И это было блестяще подтверждено 29 мая 1919 года во время солнечного затмения. Поскольку Солнце было закрыто Луной, можно было наблюдать за светом звёзд, приходящим к нам. И звезда, находившаяся на небосводе недалеко от Солнца, действительно оказалась немного «не на своём месте» — гравитационное искривление пространства привело к тому, что свет от звезды отклонился от прямой линии. Это экспериментальное подтверждение так поразило общественность, что новости о нём попали на первые полосы крупнейших газет мира. Именно после этого Эйнштейна и его ОТО постигла мировая слава. Когда ассистент спросил учёного, что было бы, если бы его расчёты не подтвердились, Эйнштейн ответил: «Мне стало бы жаль господа Бога. Но моя теория верна в любом случае».
Угол отклонения света определяется по формуле:
Где М – масса объекта, G – гравитационная постоянная, r – расстояние до центра объекта.
Сам Эйнштейн предположил, что из-за искажения света от источника можно будет наблюдать несколько его «копий», благодаря тому, что свет будет обтекать массивное тело с разных сторон. Однако первым на эту тему опубликовал работу Орест Данилович Хвольсон, российский и советский учёный-физик и педагог, член-корреспондент Петербургской академии наук, почётный член Российской академии наук. В короткой статье «О ложной двойной звезде» в журнале «Astronomische Nachrichten» 1924 года он описал своё предвидение кольцевидной формы изображения источника света при гравитационном линзировании. В 1936 году Эйнштейн опубликовал свою статью, где вычислил радиус такого кольца.
В 1937 году астрофизик Фриц Цвикки предположил, что открытые незадолго до этого галактики могут быть как источником света, так и гравитационной линзой. В 1963 году несколько астрофизиков независимо предположили, что идеальным источником света для наблюдения гравитационного линзирования должны быть квазары.
Но впервые этот эффект удалось пронаблюдать только в 1979 году. Изображение квазара Twin QSO выглядело раздвоенным благодаря галактике YGKOW G1, расположенной непосредственно между Землей и квазаром. С 1980-х годов благодаря распространению ПЗС-матриц и компьютерной обработки изображений эффект гравитационного линзирования стали наблюдать регулярно.
Суть чёрных дыр: сингулярность, горизонт событий, спагеттификация
О чёрных дырах ходит множество самых невообразимых слухов, легенд и теорий. Неудивительно: ведь заглянуть в них напрямую и проверить свои догадки мы не можем — запрещают законы природы. Учёные строят такие теории, что впору удивляться даже фантастам: здесь и области сингулярности, в которых физика перестаёт работать, и порталы в другие измерения… А ведь начиналось всё совершенно обыденно: три века назад естествоиспытатели решили наконец разобраться, что же такое земное притяжение.
Как известно, первую физико-математическую теорию гравитации сформулировал в 1687 году Исаак Ньютон. Введённый им закон всемирного тяготения описывал, как тела взаимодействуют друг с другом, но не объяснял природу этого взаимодействия. Сам учёный признавал ограниченность своей теории, написав буквально следующее: «Причину же этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений; гипотез же я не измышляю».
Тем не менее из закона Ньютона при желании можно вывести необычные следствия. Например, весьма экзотическую гипотезу высказал в 1784 году английский естествоиспытатель и теолог Джон Мичелл. В письме к Королевскому обществу, которое в то время было влиятельнейшей научной организацией мира, он приводил расчёт «тёмного солнца» — звезды с силой притяжения, не позволяющей её свету вырваться вовне. Оказалось, что для превращения в подобный объект наше Солнце должно быть в пятьсот раз больше. Далее Мичелл предположил: поскольку массивных звёзд в космосе достаточно, среди них должны быть и «тёмные», но, по понятным причинам, увидеть их мы не можем. Позднее французский математик Пьер-Симон Лаплас популяризировал идею Мичелла, включив её в свой фундаментальный труд «Изложение системы мира» (Exposition du Système du Monde, 1796).
Окрестности сверхмассивной чёрной дыры, какие обычно располагаются в сердце галактик (в представлении художника, ESO, CC BY 4.0)
Хотя у ньютоновской теории гравитации были оппоненты, со временем она стала общепринятой, поскольку подтверждалась наблюдениями и точнейшими измерениями. Доработать и расширить её потребовалось в начале ХХ века, когда выяснилось, что она не работает, если тело движется с релятивистскими (то есть сопоставимыми со скоростью света) скоростями. К концу 1915 года Альберт Эйнштейн сформулировал новую теорию гравитации, получившую название общей теории относительности (ОТО). Он предположил, что действие гравитации не связано ни с какими неведомыми силами или частицами, а обусловлено геометрическими свойствами самогó пространственно-временного континуума: любая масса искривляет его, создавая вокруг себя своего рода «воронку», а движение тел относительно друг друга обусловлено только формой и глубиной этих «воронок».
Концепция Эйнштейна казалась настолько революционной, что научный мир не сразу её принял. Одним из доказательств в пользу ОТО могло бы стать обнаружение «замороженных звёзд» — сферических сверхмассивных областей пространства, которые при помощи уравнений Эйнштейна описал Карл Шварцшильд. В отличие от идеи Мичелла, в новой модели до нуля замедлялась не скорость света, но само течение времени. Шварцшильд ввёл понятие гравитационного радиуса, определяющего размер, необходимый для «замерзания» звезды.
Радиус Шварцшильда можно рассчитать для любого тела: например, для Солнца он составляет 3 км, для Земли — около 9 мм. Если б существовала физическая возможность сжать наше светило или планету до указанных размеров без мгновенного взрыва с переходом материи в энергию, то они превратились бы в «замороженные», а течение времени на их поверхности сразу остановилось бы. С другой стороны, если масса исходного объекта значительна, то незачем сжимать его до предельно малых размеров: скажем, «замороженная звезда» массой в миллиард солнечных будет иметь плотность воды.
Небесные дыры
Другие физики, среди которых были Фриц Цвикки и Лев Ландау, в серии работ показали, что нейтронные звёзды образуются в результате взрыва сверхновых, но не всегда: самые массивные из них переходят в иное состояние.
Но какое? В 1939 году Роберт Оппенгеймер (один из будущих создателей американской атомной бомбы) и Хартланд Снайдер на упрощённой математической модели показали, что звезда при коллапсе стягивается к радиусу Шварцшильда и даже преодолевает его! Вывод выглядел столь фантастическим, что учёные в то время не осмелились сделать следующий шаг и заявить: «замороженные звёзды» действительно существуют.
Чёрная дыра звёздной массы в представлении художника
Дальнейшие исследования и расчёты тем не менее показали: ничего невероятного в этом нет. Массивные звёзды во всех случаях превращаются в «замороженные», сила тяготения вблизи которых стремится к бесконечности, а время останавливается. И, главное, таких объектов во Вселенной должно быть очень много, ведь её эволюция началась не вчера. Теперь астрономам предстояло подтвердить или опровергнуть теоретические выкладки.
Постепенно определилась и терминология. Установлено, что первым в начале 1960-х годов «замороженную звезду» стал называть «чёрной дырой» американец Роберт Дик, в своих лекциях сравнивавший этот гипотетический объект с легендарной «Калькуттской чёрной дырой» — маленькой тюремной камерой форта Уильям, где в июне 1756 года погибли десятки пленных англичан.
Новый термин понравился прежде всего журналистам: с 1963 года он стал постоянно появляться на страницах журналов Life и Science News. В студенческой среде новое название прижилось после того, как в январе 1964 года Энн Юинг выступила на конференции Американской ассоциации содействия науке с докладом «Чёрные дыры в космосе». Несмотря на это, авторство термина ошибочно приписывают американскому физику Джону Уилеру, который употреблял его в своих лекциях начиная с декабря 1967 года.
Долгое время оставалось популярным предположение, что через чёрные дыры можно проникнуть в иные вселенные или эпохи
Разумеется, чёрными дырами заинтересовались и фантасты. Необычный космический объект, гравитация которого столь велика, что останавливает время, будоражил воображение. В романе «Шпага Рианнона» (1949), ныне считающемся классикой, знаменитая Ли Брэкетт описала «пузырь тьмы», через который персонаж отправляется в прошлое Марса:
Этот пузырь с пульсирующей чернотой — до чего он похож на черноту тех густо-чёрных пятен, находящихся далеко-далеко на краю Галактики, которые некоторые учёные считают отверстиями в саму бесконечность, окнами в бесконечное «вне» нашей Вселенной.
С тех пор чёрные дыры стали всё чаще появляться на страницах фантастических книг и журналов. Их рассматривали прежде всего как угрозу звездолётам будущего или как «место заключения» невероятно древних и могущественных существ. Впрочем, начиная с первой половины 1970-х годов чёрные дыры в фантастике стали всё больше походить на те описания, что давали физики.
Внутри дыры
Учёные довольно быстро определились со структурой чёрных дыр, которую удалось описать с помощью ОТО. В рамках этой теории чёрная дыра описывается не как вещество или энергия, а как мощное гравитационное поле, сконцентрированное в чудовищно искривлённой области пространственно-временного континуума. Её внешняя граница представляет собой замкнутую поверхность, которая получила название «горизонт событий»; если перед коллапсом звезда не вращалась, то радиус этой границы совпадает с радиусом Шварцшильда.
Снаружи чёрная дыра ведёт себя как обычный космический объект, только очень и очень тяжёлый. Если мы пошлём в её сторону зонд, что будет передавать световые сигналы через равные промежутки времени, то при его приближении к «горизонту событий» заметим, что интервалы между сигналами увеличиваются, поскольку время на борту замедляется. Длина световой волны, испускаемой зондом, будет стремительно расти, и вскоре сигнал превратится в радиоволны, а потом — в низкочастотные электромагнитные колебания, зафиксировать которые почти невозможно.
Как только зонд пересечёт «горизонт», информация с борта поступать перестанет. При этом аппарат повлияет на чёрную дыру, передав ей свою массу, электрический заряд и момент вращения. Внутри дыры зонд начнёт падать к её центру — сингулярности, которая для неподвижной дыры представляет собой точку, а для вращающейся — кольцо; поперечник сингулярности не может превышать длину Планка-Уилера, равную 1,62×10−33 см. С точки зрения внешнего наблюдателя, зонд будет падать в центр дыры вечно, однако в действительности его разорвут растущие приливные силы. Этот процесс называют «спагеттификацией»: объект резко растягивается по вертикали и сжимается по горизонтали.
Чёрная дыра поглощает звезду (в представлении художника, NASA/JPL-Caltech)
Описанная модель просуществовала недолго. В 1965 году американец Эзра Ньюман, используя ОТО в модификации новозеландца Роя Керра, описал вариант вращающейся чёрной дыры с мощным электрическим зарядом. Оказывается, в таком случае дыра будет окружена эргосферой, которую можно покинуть, не свалившись в сингулярность. Более того, из дальнейших расчётов следовало, что сингулярность такой дыры будет работать как «червоточина» — тоннель в другие вселенные или даже другие эпохи. Разумеется, столь богатой идеей почти сразу воспользовались фантасты: например, способ транспортировки через чёрные дыры описан в романе Джо Холдемана «Бесконечная война» (1974).
Интересные последствия имела и попытка применить к чёрным дырам квантовую механику. Её предпринял в 1975 году знаменитый физик Стивен Хокинг. Флуктуации вакуума непрерывно порождают пары виртуальных частиц (частицу и античастицу), которые при обычных условиях тут же «погибают». Однако если такая пара материализуется на «горизонте событий», то одна частица провалится к сингулярности, а другая при благоприятных условиях вылетит наружу. В результате дыра превращается в источник излучения, которое назвали «испарением Хокинга». Из его выкладок также следовало то, что могут существовать короткоживущие дыры микронных размеров: во время испарения они должны выделять колоссальное количество энергии.
Идеи Хокинга, которые он активно продвигал в своих научно-популярных работах, быстро перекочевали и в фантастику: скажем, микроскопические дыры используют для производства энергии персонажи романа Джона Варли «Горячая линия Офиути» (1977).
Моделирование процесса создания микроскопической чёрной дыры (Lucas Taylor / CERN)
Увидеть тьму
За десятилетия учёные описали множество теоретических моделей чёрных дыр, и определить, какие из них верны, можно только с помощью астрономических наблюдений. Поскольку увидеть дыры невозможно, приходится прибегать к косвенным методам.
Например, если рядом с чёрной дырой находится большая звезда, то дыра втягивает в себя вещество этой звезды (процесс называется аккрецией). При этом вокруг дыры за счёт вращательного момента формируется аккреционный диск, газ в котором разгоняется до релятивистских скоростей и нагревается так, что начинает излучать в рентгеновском диапазоне. Соответственно, диск и саму чёрную дыру можно обнаружить рентгеновским телескопом. К сожалению, этим методом трудно отличить дыры от нейтронных звёзд. Необходимо разглядеть важное отличие: газ, падающий на твёрдую поверхность, продолжает интенсивно излучать, а приближающийся к «горизонту событий» быстро меркнет.
Чёрная дыра с аккреционным диском — мощный источник рентгеновского излучения (в представлении художника, NASA/JPL)
Рентгеновский источник Cygnus X-1 (NASA)
Именно такой эффект был обнаружен при наблюдении за рентгеновским источником Лебедь X-1 (Cygnus X-1), открытым в 1964 году. Он находится в 6070 световых годах от нас и представляет собой двойную систему, состоящую из голубого сверхгиганта HDE 226868 и чёрной дыры с массой 14,8 солнечных и радиусом «горизонта событий» около 300 км. Материя в аккреционном диске нагревается до миллионов градусов, генерируя рентгеновские лучи.
При этом из диска бьют две перпендикулярные струи, уносящие часть набегающего материала в межзвёздное пространство. Интересно, что в декабре 1974 года двойной объект Лебедь X-1 стал предметом дружественного пари между физиками Стивеном Хокингом и Кипом Торном: Хокинг сделал ставку на то, что чёрной дыры там нет. Он признал проигрыш в 1990 году, когда многочисленные наблюдения подтвердили точку зрения его коллеги. Торн в награду получил годовую подписку на журнал Penthouse.
Рентгеновский источник Cygnus X-1 в представлении художника (NASA)
Модели показывают, что чёрные дыры могут сталкиваться и сливаться друг с другом. В результате образуются объекты массой в миллионы и миллиарды солнечных. Сегодня астрофизики полагают, что подобные тела находятся в центрах большинства галактик, включая Млечный Путь. Наша центральная сверхмассивная чёрная дыра Sagittarius A* расположена в созвездии Стрельца, на расстоянии около 26 тысяч световых лет. Странное название объекта — это шутка учёных: обнаруживший чёрную дыру астроном Роберт Браун заявил, что открытие его «очень взбудоражило», а звёздочками в квантовой физике обозначают «возбуждённые состояния» атомов.
Много шума наделало апрельское сообщение группы учёных из проекта Event Horizon Telescope, объединяющего мощности восьми радиотелескопов в разных районах земного шара. Они заявили, что впервые в истории получили прямое изображение тени сверхмассивной чёрной дыры. Эта дыра находится в центре галактики М 87 (Messier 87), расположенной в созвездии Девы на расстоянии 53,5 миллионов световых лет от нас. На то, чтобы обработать астрономические данные и подготовить на их основе исторический снимок, ушло два года. Это достижение подтвердило: модель чёрных дыр, построенная на основе ОТО, ближе всего к действительности. Увы, но оно же поставило крест на гипотезе о «червоточинах» — попасть через чёрные дыры в другие пространства или эпохи невозможно в принципе.
Исторический снимок: тень чёрной дыры в центре галактики М 87, созвездие Девы (ESO [CC BY 4.0])
Впрочем, непосредственное изучение чёрных дыр ещё только начинается. И никто сегодня не может сказать, куда заведёт науку желание заглянуть в «пузырь тьмы»…
Горизонт событий
Математическая формулировка
Космология
| Фундаментальные принципы |
|---|
| Специальная теория относительности · Пространство-время · Принцип эквивалентности · Мировая линия · Псевдориманова геометрия |
| Явления |
|---|
| Задача Кеплера в ОТО · Гравитационное линзирование · Гравитационные волны · Увлечение инерциальных систем отсчёта · Расхождение геодезических · Горизонт событий · Гравитационная сингулярность · Чёрная дыра |
| Уравнения |
|---|
| Уравнения Эйнштейна · Линеаризованная ОТО · Постньютоновский формализм |
| Развитие теории |
|---|
| Параметризованный постньютоновский формализм · Теории типа Калуцы — Клейна · Квантовая гравитация · Альтернативные теории |
| Решения |
|---|
| Точные решения: Шварцшильда · |
| Журналы |
|---|
| General Relativity and Gravitation · Classical and Quantum Gravity · Гравитация и космология · Living Reviews in Relativity |
| Известные учёные |
|---|
| Эйнштейн · Минковский · Шварцшильд · Леметр · Эддингтон · Фридман · Робертсон · Фок · Керр · Чандрасекар · Пенроуз Хокинг и другие… |
Горизо́нт собы́тий — воображаемая граница в пространстве-времени, разделяющая те события (точки пространства-времени), которые можно соединить с событиями на светоподобной (изотропной) бесконечности светоподобными геодезическими линиями (траекториями световых лучей), и те события, которые так соединить нельзя. Так как обычно светоподобных бесконечностей у данного пространства-времени две: относящаяся к прошлому и будущему, то и горизонтов событий может быть два: горизонт событий прошлого и горизонт событий будущего. Упрощённо можно сказать, что горизонт событий прошлого разделяет события на изменяемые с бесконечности и на не изменяемые; а горизонт событий будущего отделяет события, о которых можно что-либо узнать, хотя бы в бесконечно отдалённой перспективе, от событий, о которых узнать ничего нельзя.
Существует также понятие горизонта событий отдельного наблюдателя. Он разделяет между собой события, которые можно соединить с мировой линией наблюдателя светоподобными (изотропными) геодезическими линиями, направленными соответственно в будущее — горизонт событий прошлого, и в прошлое — горизонт событий будущего, и события, с которыми этого сделать нельзя. Например, постоянно равномерно ускоренный наблюдатель в пространстве Минковского имеет свои горизонты прошлого и будущего (см. горизонт Риндлера ).
Содержание
Горизонт событий чёрной дыры
Горизонт событий будущего является необходимым признаком чёрной дыры как научно подтвержденного объекта. Горизонт событий сферически-симметричной чёрной дыры называется сферой Шварцшильда и имеет характерный размер, называемый гравитационным радиусом.
Находясь под горизонтом событий, любое тело будет двигаться только внутри чёрной дыры и не сможет вернуться обратно во внешнее пространство. C точки зрения наблюдателя, свободно падающего в чёрную дыру, свет может свободно распространяться как по направлению к чёрной дыре, так и от неё. Однако после пересечения горизонта событий даже свет, распространяющийся от наблюдателя наружу, никогда не сможет выйти за пределы горизонта. Предмет, попавший внутрь горизонта событий, в конце концов, вероятно, попадает в сингулярность, а перед этим разрывается вследствие высокого градиента силы притяжения чёрной дыры (приливных сил).
Горизонт событий
Черные дыры, вероятнее всего, совсем не ограничены никаким горизонтом событий. Не правда ли парадоксальное заявление? Впрочем, вряд ли кто-то будет удивлён, если узнает, что эта новая гипотеза принадлежит легендарному физику-теоретику Стивену Хоккингу. В своё время с его лёгкой подачи чёрные дыры перестали считаться «чёрными» и «бессмертными».
Однако не так просто осознать эту идею. Для начала стоит разобраться, что вообще представляет собой горизонт событий.
Разновидности горизонта событий
Мы привыкли ассоциировать горизонт событий непосредственно с чёрными дырами. Непреступная граница, оболочка чёрных дыр. За этой оболочкой скрыто то, что неподвластно взгляду стороннего наблюдателя и даже существующим законам физики. Однако, горизонт событий в контексте чёрных дыр является лишь его частным проявлением. Другими словами, горизонт событий есть не только у чёрных дыр.
Общее определение горизонта событий представляет нам его как некую условную границу, которая разделят две совокупности событий. Существуют две разновидности горизонта событий – горизонт событий прошлого и будущего. Горизонт прошлого разделяет совокупности изменяемых и неизменяемых событий. Горизонт будущего разделяет несколько иные совокупности. Обо всех событиях первой совокупности наблюдатель может узнать когда-либо. Вторая же совокупность содержит события, о которых наблюдатель не узнает никогда.
Чёрная дыра обладает горизонтом событий прошлого. Подобный горизонт также будет наблюдать тот, кто движется с релятивистки равномерным ускорением. Горизонтом событий будущего обладает наблюдаемая часть Вселенной. Подробнее об этих «разновидностях» горизонта событий будет рассказано ниже.
Путешествие в бездну
Горизонт Событий черной дыры
Чёрные дыры являются крайне удобной площадкой для изысканий физиков теоретиков и иллюстрации многих труднообъяснимых явлений. Так в популярной науке известен классический пример, описывающий падение выдуманного звездолёта на чёрную дыру и наблюдение за ним стороннего наблюдателя. Этот пример наглядно описывает некоторые особенности горизонта событий.
Согласно теории относительности, для пассажира звездолёта путь до горизонта событий ничем не будет примечателен. Он будет двигаться с нарастающим ускорением, пока не достигнет скорости света на горизонте событий. Иную картину увидит наблюдатель. Для него растягивающийся силуэт звездолёта будет замедляться по мере приближения к чёрной дыре. У самого горизонта событий он и вовсе застынет навеки.
Науке неизвестно, что произойдёт со звездолётом после пересечения этой черты. Вероятнее всего, с точки зрения пассажира звездолёта, преодолев световой барьер, он продолжит своё ускорение. Стоит отметить, что вся масса чёрной дыры должна быть сосредоточена в её центре, бесконечно мелкой сингулярности. Поэтому остальное пространство чёрной дыры является просто областью, ограниченной горизонтом событий.
Разный взгляд на пустоту
Материалы по теме
Можно ли увидеть черную дыру?
Другими словами, термин «радиус чёрной дыры» не обозначает радиус материального объекта. Это радиус области, внутри которой не действует известная физика. Попав в неё, наш звездолёт не только не сможет вырваться назад, но и неизбежно попадёт в её центр.
В данном случае интересная особенность горизонта событий заключается в том, что с точки зрения наблюдателя никакой сингулярности не существует. Всё то, что попало в чёрную дыру для нашего (внешнего) мира навсегда останется у края горизонта событий. То есть, с нашей точки зрения, вся масса чёрной дыры сосредоточена не в центре, а по периферии. Звездолёт не только не достигнет центра, но и не пересечёт границы чёрной дыры.
Для тех же, кто попал в чёрную дыру, пересечение горизонта событий пролетит со скоростью света. Путешествие до сингулярности будет проходить при ещё больших нарастающих скоростях, что также нарушает законы нашей физики. В конечном итоге любое тело, угодившее в чёрную дыру, неизбежно станет частью сингулярности. По её меркам пройдёт сравнительно небольшое время, тогда как за пределами дыры, известная для нас, Вселенная может исчезнуть. Ведь, согласно модели Хоккинга, испарения чёрной дыры происходит за невообразимо короткий срок.
Масштабы горизонта событий
Горизонт событий, наряду с сингулярностью, является основным «атрибутом» чёрной дыры. Его радиус, называемый также гравитационным радиусом, или радиусом Шварцшильда, линейно зависит от её массы. Можно практически в уме оценить радиус любой чёрной дыры, умножив три километра на отношение её массы к массе солнца. Так чёрная дыра с земной массой будет размером с вишню. В тоже время размер сверхмассивных чёрных дыр будет исчисляться миллионами и даже миллиардами километров.
Очевидно, что при таких колоссальных размерах, такие объекты не будут обладать столь губительными приливными силами. Поэтому мысль о том, что любое тело разорвёт ещё до подхода к чёрной дыре, является заблуждением. Получается, теоретически можно допустить путешествие человека вглубь чёрной дыры, о чём было рассказано выше.
Самым интересным является то, что размер чёрной дыры с массой наблюдаемой Вселенной в разы меньше размера самой Вселенной. Собственно, тут стоит вспомнить, оговоренную ранее разновидность горизонта событий, как завесу, окутывающую нашу наблюдаемую Вселенную. То есть, то, что, находится за горизонтом событий Вселенной, скрыто от наблюдателя подобно звездолёту, находящемуся в чёрной дыре.
Вселенский горизонт событий
Горизонт Вселенной и сфера Хаббла
Горизонт событий наблюдаемой Вселенной является одним из трёх параметров, характеризующих её границы. Кроме него также существует сфера Хаббла и горизонт частиц. Радиус сферы Хаббла равен расстоянию, который прошёл свет за время жизни Вселенной – т.е. около 14 млрд. световых лет. Однако, в силу того, что наша Вселенная не статична, сфера Хаббла не является её границей. Реальную границу характеризует горизонт частиц, который учитывает расширение Вселенной. Радиус горизонта частиц примерно в три раза больше горизонта сферы Хаббла. Он равен фактическому расстоянию, который преодолел самый далёкий объект, успевший испустить свет до наблюдателя.
Горизонт событий несколько отличен от горизонта частиц. Он отсеивает от нас те события в нашей Вселенной, о которых мы не узнаем никогда. Его радиус на несколько миллиардов световых лет больше радиуса сферы Хаббла.
Все эти три параметра непосредственно зависят от самого наблюдателя. В этом и состоит одно из отличий горизонта событий чёрной дыры от горизонта событий Вселенной. То есть, горизонт событий чёрной дыры не зависит от местоположения различных наблюдателей. Напротив, каждый наблюдатель, в зависимости от своего местоположения, будет видеть границу Вселенной по-своему. Это похоже на то, как будет различаться горизонт с разных точек поверхности планеты.
Горизонт Риндлера
Горизонт событий также существует для наблюдателя, который находится в состоянии релятивистски равноускоренного движения. Такое тело будут сопровождать два горизонта, которые во многом схожи с горизонтом чёрных дыр. К примеру, этот горизонт будет также обладать излучением, аналогичному излучению испаряющихся чёрных дыр.
Этот горизонт также называется горизонтом Риндлера. Он назван в честь его первооткрывателя Вольфганта Риндлера, который, к слову, придумал сам термин «горизонт событий».
Видимый горизонт
Черная дыра в представлении художника
Итак, теперь мы имеем представление о том, каким видит горизонт событий современная наука. Казалось бы, каким образом Стивен Хоккинг решил опровергнуть его существование. На самом деле новая гипотеза создана, чтобы разрешить некоторые противоречия, связанные с чёрными дырами.
Зарождающаяся квантовая теория уже превратила чёрные дыры в объекты, способные излучать. Согласно той же квантовой модели, горизонт событий для нашего звездолёта теперь не будет просто условной границей. Обладая большой концентрацией энергии, «новый» квантовый горизонт событий полностью уничтожит звездолёт. Однако, как мы помним, согласно принципам теории относительности, звездолёт должен беспрепятственно пройти этот рубеж.
Первое прямое визуальное изображение сверхмассивной черной дыры и ее тени в центре галактики M87
Поэтому было решено внести некоторые коррективы в устоявшиеся представления о горизонте событий. Теперь горизонт событий лишь временно удерживает то, что получил. По мере испарения чёрной дыры информация вернётся за горизонт, хоть и в искаженном виде. Однако даже сам Хоккинг называет свою идею не больше, чем и гипотезой. Он подчеркивает, что учёным ещё многое нужно познать, прежде чем с уверенностью говорить о горизонте событий.
Герой фантастики
Черная дыра Гаргантюа из фильма Интерстеллар
В любом случае загадочность и неизведанность горизонта событий ещё долго будет будоражить умы фантастов. Чаще всего горизонт событий фигурирует как ворота в отдалённое пространство, время или измерение. Фантасты действительно вольны приписывать ему многие свойства, ведь пока что с ними неспособна поспорить наука.
Наиболее удачной в этом плане можно выделить кинокартину Кристофера Нолана «Интерстеллар».
Над сценарием и проработкой графики картины трудился не безызвестный физик-теоретик Кип Торн. Это резко выделяет фильм на фоне большинства фантастических картин. Вряд ли кто-то может сравниться с реалистичностью «прорисовки» сверхмассивной чёрной дыры, проделанной в «Интерстелларе».
Для тех, кто хочет почувствовать себя героем «Интерстлеллара» создано приложение. Онлайн модель чёрной дыры имитирует искривление пространства вокруг чёрной дыры. Программа позволяет пронаблюдать за горизонтом событий в различных ракурсах и приближениях. Под саундрек «Интерстеллара» можно совершить погружение к горизонту событий, наблюдая за изменением не только космических красот или аккреционного диска, но и координатной сетки.
ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ
Смотреть что такое «ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ» в других словарях:
ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ — замкнутая поверхность, ограничивающая область вокруг черной дыры, в пределах которой силы гравитации столь велики, что никакие сигналы (фотоны, частицы) не могут выйти из под этой поверхности и достичь внешнего наблюдателя … Большой Энциклопедический словарь
Горизонт событий — У этого термина существуют и другие значения, см. Горизонт событий (значения). Общая теория относительности … Википедия
Горизонт событий — в теории чёрных дыр (см. «Черная дыра») и в общей теории относительности граница области в пространстве времени, в которой сигналы, распространяющиеся со скоростью света, полностью удерживаются тяготением и не могут уйти в бесконечность во… … Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов
горизонт событий — замкнутая поверхность, ограничивающая область вокруг чёрной дыры, в пределах которой силы гравитации столь велики, что никакие сигналы (фотоны, частицы) не могут выйти из под этой поверхности и достичь внешнего наблюдателя. * * * ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ … Энциклопедический словарь
Горизонт событий (фильм) — У этого термина существуют и другие значения, см. Горизонт событий (значения). Горизонт событий Event Horizon … Википедия
Горизонт событий (значения) — Горизонт событий: Горизонт событий Горизонт событий (фильм) … Википедия
ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ — замкнутая поверхность, ограничивающая область вокруг чёрной дыры, в пределах к рой силы гравитации столь велики, что никакие сигналы (фотоны, частицы) не могут выйти из под этой поверхности и достичь внеш. наблюдателя … Естествознание. Энциклопедический словарь
горизонт событий — См. в черная дыра … Универсальный дополнительный практический толковый словарь И. Мостицкого
Горизонт событий (в космологии) — замкнутая поверхность, ограничивающая область вокруг черной дыры, в пределах которой поля гравитации столь велики, что никакие сигналы (фотоны, частицы и др. возможные носители информации) не могут выйти из под этой поверхности и достичь внешнего … Начала современного естествознания
Горизонт (значения) — Горизонт многозначное понятие: Горизонт кривая, ограничивающая доступную взгляду часть земной поверхности. Горизонт совокупность горных выработок, расположенных на одном уровне. Горизонт хутор в Аксайском районе Ростовской … Википедия
Горизонт событий
Горизонт событий обычно является трёхмерной гиперповерхностью. Необходимым и достаточным условием его существования является пространственноподобность хотя бы части светоподобной (изотропной) бесконечности. Следует отметить, что горизонт событий — понятие интегральное и нелокальное, так как в его определении участвует светоподобная бесконечность, то есть все бесконечно удалённые области пространства-времени. Поэтому в своей непосредственной окрестности горизонт событий ничем не выделен, что представляет проблему при численных расчётах в общей теории относительности. Для решения этой проблемы предложены некоторые близкие по свойствам к горизонту событий, но локально определяемые понятия: динамический горизонт, ловушечная поверхность и кажущийся горизонт (англ. apparent horizon).
Существует также понятие горизонта событий отдельного наблюдателя. Он разделяет между собой события, которые можно соединить с мировой линией наблюдателя светоподобными (изотропными) геодезическими линиями, направленными соответственно в будущее — горизонт событий прошлого, и в прошлое — горизонт событий будущего, и события, с которыми этого сделать нельзя. Например, постоянно равномерно ускоренный наблюдатель в пространстве Минковского имеет свои горизонты прошлого и будущего (см. горизонт Риндлера).
Связанные понятия
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
Ускорение расширения Вселенной — обнаруженное в конце 1990-х годов уменьшение светимости экстремально удалённых «стандартных свечей» (сверхновых типа Ia), интерпретированное как ускорение расширения Вселенной.
ΛCDM (читается «Лямбда-СиДиЭм») — сокращение от Lambda-Cold Dark Matter, современная стандартная космологическая модель, в которой пространственно-плоская Вселенная заполнена, помимо обычной барионной материи, тёмной энергией (описываемой космологической постоянной Λ в уравнениях Эйнштейна) и холодной тёмной материей (англ. Cold Dark Matter). Согласно этой модели возраст Вселенной равен 13,75 ± 0,11 миллиардов лет.
Релятиви́стские стру́и, дже́ты (англ. Relativistic jet) — струи плазмы, вырывающиеся из центров (ядер) таких астрономических объектов, как активные галактики, квазары и радиогалактики. Первым такую струю обнаружил астроном Гебер Кёртис в 1918 году. Позже физик и философ Стивен Хокинг сумел доказать, что такие выбросы происходят из гипотетических чёрных дыр.
Новое в блогах
Горизонт событий
Черные дыры, вероятнее всего, совсем не ограничены никаким горизонтом событий. Не правда ли парадоксальное заявление? Впрочем, вряд ли кто-то будет удивлён, если узнает, что эта новая гипотеза принадлежит легендарному физику-теоретику Стивену Хоккингу. В своё время с его лёгкой подачи чёрные дыры перестали считаться «чёрными» и «бессмертными».
Однако не так просто осознать эту идею. Для начала стоит разобраться, что вообще представляет собой горизонт событий.
Разновидности горизонта событий
Мы привыкли ассоциировать горизонт событий непосредственно с чёрными дырами. Непреступная граница, оболочка чёрных дыр. За этой оболочкой скрыто то, что неподвластно взгляду стороннего наблюдателя и даже существующим законам физики. Однако, горизонт событий в контексте чёрных дыр является лишь его частным проявлением. Другими словами, горизонт событий есть не только у чёрных дыр.
Общее определение горизонта событий представляет нам его как некую условную границу, которая разделят две совокупности событий. Существуют две разновидности горизонта событий – горизонт событий прошлого и будущего. Горизонт прошлого разделяет совокупности изменяемых и неизменяемых событий. Горизонт будущего разделяет несколько иные совокупности. Обо всех событиях первой совокупности наблюдатель может узнать когда-либо. Вторая же совокупность содержит события, о которых наблюдатель не узнает никогда.
Чёрная дыра обладает горизонтом событий прошлого. Подобный горизонт также будет наблюдать тот, кто движется с релятивистки равномерным ускорением. Горизонтом событий будущего обладает наблюдаемая часть Вселенной. Подробнее об этих «разновидностях» горизонта событий будет рассказано ниже.
Путешествие в бездну
Горизонт Событий черной дыры
Чёрные дыры являются крайне удобной площадкой для изысканий физиков теоретиков и иллюстрации многих труднообъяснимых явлений. Так в популярной науке известен классический пример, описывающий падение выдуманного звездолёта на чёрную дыру и наблюдение за ним стороннего наблюдателя. Этот пример наглядно описывает некоторые особенности горизонта событий.
Согласно теории относительности, для пассажира звездолёта путь до горизонта событий ничем не будет примечателен. Он будет двигаться с нарастающим ускорением, пока не достигнет скорости света на горизонте событий. Иную картину увидит наблюдатель. Для него растягивающийся силуэт звездолёта будет замедляться по мере приближения к чёрной дыре. У самого горизонта событий он и вовсе застынет навеки.
Науке неизвестно, что произойдёт со звездолётом после пересечения этой черты. Вероятнее всего, с точки зрения пассажира звездолёта, преодолев световой барьер, он продолжит своё ускорение. Стоит отметить, что вся масса чёрной дыры должна быть сосредоточена в её центре, бесконечно мелкой сингулярности. Поэтому остальное пространство чёрной дыры является просто областью, ограниченной горизонтом событий.
Разный взгляд на пустоту
Другими словами, термин «радиус чёрной дыры» не обозначает радиус материального объекта. Это радиус области, внутри которой не действует известная физика. Попав в неё, наш звездолёт не только не сможет вырваться назад, но и неизбежно попадёт в её центр.
В данном случае интересная особенность горизонта событий заключается в том, что с точки зрения наблюдателя никакой сингулярности не существует. Всё то, что попало в чёрную дыру для нашего (внешнего) мира навсегда останется у края горизонта событий. То есть, с нашей точки зрения, вся масса чёрной дыры сосредоточена не в центре, а по периферии. Звездолёт не только не достигнет центра, но и не пересечёт границы чёрной дыры.
Для тех же, кто попал в чёрную дыру, пересечение горизонта событий пролетит со скоростью света. Путешествие до сингулярности будет проходить при ещё больших нарастающих скоростях, что также нарушает законы нашей физики. В конечном итоге любое тело, угодившее в чёрную дыру, неизбежно станет частью сингулярности. По её меркам пройдёт сравнительно небольшое время, тогда как за пределами дыры, известная для нас, Вселенная может исчезнуть. Ведь, согласно модели Хоккинга, испарения чёрной дыры происходит за невообразимо короткий срок.
Масштабы горизонта событий
Горизонт событий, наряду с сингулярностью, является основным «атрибутом» чёрной дыры. Его радиус, называемый также гравитационным радиусом, или радиусом Шварцшильда, линейно зависит от её массы. Можно практически в уме оценить радиус любой чёрной дыры, умножив три километра на отношение её массы к массе солнца. Так чёрная дыра с земной массой будет размером с вишню. В тоже время размер сверхмассивных чёрных дыр будет исчисляться миллионами и даже миллиардами километров.
Очевидно, что при таких колоссальных размерах, такие объекты не будут обладать столь губительными приливными силами. Поэтому мысль о том, что любое тело разорвёт ещё до подхода к чёрной дыре, является заблуждением. Получается, теоретически можно допустить путешествие человека вглубь чёрной дыры, о чём было рассказано выше.
Самым интересным является то, что размер чёрной дыры с массой наблюдаемой Вселенной в разы меньше размера самой Вселенной. Собственно, тут стоит вспомнить, оговоренную ранее разновидность горизонта событий, как завесу, окутывающую нашу наблюдаемую Вселенную. То есть, то, что, находится за горизонтом событий Вселенной, скрыто от наблюдателя подобно звездолёту, находящемуся в чёрной дыре.
Вселенский горизонт событий
Горизонт Вселенной и сфера Хаббла
Горизонт событий наблюдаемой Вселенной является одним из трёх параметров, характеризующих её границы. Кроме него также существует сфера Хаббла и горизонт частиц. Радиус сферы Хаббла равен расстоянию, который прошёл свет за время жизни Вселенной – т.е. около 14 млрд. световых лет. Однако, в силу того, что наша Вселенная не статична, сфера Хаббла не является её границей. Реальную границу характеризует горизонт частиц, который учитывает расширение Вселенной. Радиус горизонта частиц примерно в три раза больше горизонта сферы Хаббла. Он равен фактическому расстоянию, который преодолел самый далёкий объект, успевший испустить свет до наблюдателя.
Горизонт событий несколько отличен от горизонта частиц. Он отсеивает от нас те события в нашей Вселенной, о которых мы не узнаем никогда. Его радиус на несколько миллиардов световых лет больше радиуса сферы Хаббла.
Все эти три параметра непосредственно зависят от самого наблюдателя. В этом и состоит одно из отличий горизонта событий чёрной дыры от горизонта событий Вселенной. То есть, горизонт событий чёрной дыры не зависит от местоположения различных наблюдателей. Напротив, каждый наблюдатель, в зависимости от своего местоположения, будет видеть границу Вселенной по-своему. Это похоже на то, как будет различаться горизонт с разных точек поверхности планеты.
Горизонт Риндлера
Горизонт событий также существует для наблюдателя, который находится в состоянии релятивистски равноускоренного движения. Такое тело будут сопровождать два горизонта, которые во многом схожи с горизонтом чёрных дыр. К примеру, этот горизонт будет также обладать излучением, аналогичному излучению испаряющихся чёрных дыр.
Этот горизонт также называется горизонтом Риндлера. Он назван в честь его первооткрывателя Вольфганта Риндлера, который, к слову, придумал сам термин «горизонт событий».
Видимый горизонт
Черная дыра в представлении художника
Итак, теперь мы имеем представление о том, каким видит горизонт событий современная наука. Казалось бы, каким образом Стивен Хоккинг решил опровергнуть его существование. На самом деле новая гипотеза создана, чтобы разрешить некоторые противоречия, связанные с чёрными дырами.
Зарождающаяся квантовая теория уже превратила чёрные дыры в объекты, способные излучать. Согласно той же квантовой модели, горизонт событий для нашего звездолёта теперь не будет просто условной границей. Обладая большой концентрацией энергии, «новый» квантовый горизонт событий полностью уничтожит звездолёт. Однако, как мы помним, согласно принципам теории относительности, звездолёт должен беспрепятственно пройти этот рубеж.
Поэтому было решено внести некоторые коррективы в устоявшиеся представления о горизонте событий. Теперь горизонт событий лишь временно удерживает то, что получил. По мере испарения чёрной дыры информация вернётся за горизонт, хоть и в искаженном виде. Однако даже сам Хоккинг называет свою идею не больше, чем и гипотезой. Он подчеркивает, что учёным ещё многое нужно познать, прежде чем с уверенностью говорить о горизонте событий.
Герой фантастики
Черная дыра Гаргантюа из фильма Интерстеллар
В любом случае загадочность и неизведанность горизонта событий ещё долго будет будоражить умы фантастов. Чаще всего горизонт событий фигурирует как ворота в отдалённое пространство, время или измерение. Фантасты действительно вольны приписывать ему многие свойства, ведь пока что с ними неспособна поспорить наука.
Наиболее удачной в этом плане можно выделить кинокартину Кристофера Нолана «Интерстеллар