• Статьи
  • Вопросы и ответы
  • Обучение
  • Библиотека
  • ENG
  • Лайл, Джейсон - "О чём свидетельствуют черные дыры?"

    0 303
    Все статьи автора: Джейсон Лайл

    Черные дыры – уникальный феномен нашей Вселенной. Эти массивные объекты создают настолько мощное гравитационное притяжение, что даже свет не в состоянии его преодолеть.

    Ещё в 1783 году британский ученый Джон Митчелл выдвинул идею о «темной звезде» – небесном теле, гравитация которого столь велика, что ее собственный свет не может от неё «убежать»: он притягивается обратно к ней1. Поэтому такая звезда должна быть невидимой для любого стороннего наблюдателя.

    Но это была лишь теория. Никто не знал, возможен ли в реальности настолько огромный объект, что даже свет не может от него оторваться.

    Кривизна пространства и времени

    До Альберта Эйнштейна физики считали, что притяжение – это сила (в ньютоновском понимании), которая воздействует на предметы в пространстве. Эйнштейн же в рамках теории относительности показал, что притяжение – это не сила, а искривление пространства и времени. Гравитация изменяет конфигурацию пустого пространства (а точнее, пространства-времени как единого целого), и материя (любые объекты), попав под воздействие гравитации какого-либо тела, просто «плывут по течению».

    Чтобы проще понять, как такое возможно, попробуем объяснить сказанное с помощью аналогий.

    До создания Эйнштейном теории относительности считалось, что гравитация перемещает всевозможные объекты наподобие того, как плавают по озеру парусные лодки (см. рисунок 1). В этом сравнении поверхность озёрной воды представляет собой пространство, лодки – материальные объекты, а ветер – это сила, внешнее воздействие на лодки, благодаря которому они движутся по воде. В результате материя (объекты) смещаются под воздействием этой внешней силы, так же, как они смещались бы в результате действия механических сил или (будь они из железа) магнитного притяжения – подобно тому, как ветер приводит в движение парусник, скользящий по воде.

    Лайл, Джейсон - "О чём свидетельствуют черные дыры?"
    Рисунок 1.

    Но согласно Эйнштейну, в случае с гравитацией всё происходит иначе. Правильной аналогией здесь будет не озеро, а река с быстрым течением по которому плывут моторные лодки (см. рисунок 2). Их моторы работают в постоянном режиме, обеспечивая постоянную скорость, и они движутся по прямой (изображая в нашем примере лучи света). Однако на путь каждой их этих лодок оказывает влияние движение воды в реке; а если мы представим себе посреди реки воронку водоворота, то поймём, почему речь идёт о конфигурации водной поверхности. Вода течет сама по себе, а лодки, хотя и обладают собственной скоростью, подчиняются течению2. И для этого не нужен ветер (представляющий в нашей аналогии внешнюю силу): их несет вода.

    Лайл, Джейсон - "О чём свидетельствуют черные дыры?"
    Рисунок 2.

    Аналогичным образом гравитация движет самим пространством (пространством-временем), изменяя его конфигурацию – и любая материя, включая фотоны (частицы света), движутся в этом пространстве, подчиняясь его искривленности.

    На нашей планете искривление света под воздействием гравитации остаётся практически незаметным, потому что гравитационное воздействие Земли слишком мало, чтобы значимым образом сказаться на скорости света. Но астрономические исследования позволили наблюдать во вселенной случаи искривления лучей света под воздействием гравитации больших космических объектов.

    Как функционирует черная дыра

    Помимо эффекта искривления света под воздействием гравитации, из теории относительности следуют и другие выводы, часть из которых была подтверждена наблюдениями. Поэтому можно с высокой степенью уверенности утверждать, что Эйнштейн был прав – а следовательно, гравитация на самом деле изменяют конфигурацию пространства-времени; иными словами, само пространство притягивается и искривляется под воздействием гравитации. Современная физика демонстрирует, что гравитационное воздействие действительно может быть настолько сильным (иными словами, под его воздействием пространство движется настолько быстро / искривляется так сильно), что даже свет не может ускользнуть из такой гравитационной ловушки. А поскольку, как заявляет та же теория относительности, ничто не может перемещаться в пространстве быстрее света, то ни один материальный объект не в состоянии вырваться из столь мощного гравитационного поля.

    Объект, обладающий таким гравитационным воздействием – это и есть «черная дыра». Термин этот был впервые публично предложен физиком Джоном Уилером в 1967 году3. Общая теория относительности показала, что, черные дыры – объекты, не отпускающие от себя даже частицы света – совершенно реальны.

    Чем черные дыры отличаются от «черных звезд»?

    Черные дыры в современном преставлении во многом похожи на «черные звезды», о которых говорил Джон Мичел. Но со времен Мичела мы стали лучше разбираться в физике и обнаружили некоторые отличия. Например, в отличие от концепции Мичела, масса черной дыры практически не имеет размера. Это происходит потому, что под мощным гравитационным воздействием вся масса «звезды» сжимается в крайне малый объём, называемый сингулярностью. Вся материя черной дыры находится в этой сингулярности.

    Вспомним наш пример с рекой и моторными лодками. Мы упоминали, что в одном месте на реке может находиться воронка водоворота. Представим себе, что в речном дне есть гигантская пробка. Мы ее вытаскиваем, и вода начинает уходить в образовавшееся отверстие. Вблизи берегов воздействие возникшего водоворота будет практически незаметным, но чем ближе к воронке – те быстрее будет устремляться в неё вода. Сама воронка, из которой ни лодке, ни пловцу уже не выбраться, и будет изображать собой сингулярность, которым собирает в себе всю массу.

    На каком-то небольшом расстоянии от водостока скорость воды, устремляющейся в воронку, будет равна собственной скорости моторных лодок (которые символизируют у нас частицы света). Если лодка достигла этого расстояния (окружности определённого радиуса), то уплыть прочь от воронки она не сможет. Даже если люди в ней будут прилагать все усилия, чтобы их не затянуло в водосток, лодка будет оставаться на одном месте, двигаясь от воронки с той же скоростью, с какой вода, текущая к водостоку, относит ее обратно.

    В случае с черной дырой тоже существует определенный радиус, на котором гравитационное воздействие «дыры» не позволить объекту, движущемуся со скоростью света (с), уйти от нее прочь. Это расстояние называется «радиусом Шварцшильда»: можно сказать, что само пространство устремляется в черную дыру со скоростью света. Подобно лодке из нашей аналогии, или лососю, который безуспешно пытается плыть вверх по течению, свет, «убегающий» от черной дыры, будет оставаться в радиусе Шварцшильда неподвижным – поскольку движется наружу с той же скоростью, с какой пространство втягивается внутрь.

    Но те объекты, которые находятся от черной дыры намного дальше радиуса Шварцшильда, не будут затянуты в нее: они могут вращаться вокруг черной дыры так же, как планеты вращаются вокруг Солнца. Влияние гравитации на пространство уменьшается по мере удаления от зоны сингулярности – так же, как скорость воды минимальна вдали от стока4.

    Горизонт событий

    Область пространства (сфера), соответствующая радиусу Шварцшильда, называется «горизонтом событий». За этим горизонтом ни один наблюдатель никогда не сможет ничего увидеть. Если даже лучи света не в состоянии покинуть эту зону, то узнать о том, что происходит внутри нее, невозможно. Когда астрономы говорят о «размере» черной дыры, они имеют в виду именно горизонт событий (вспомним, что масса черной дыры практически не имеет размера; правильнее будет даже сказать, что черная дыра вообще не обладает таким параметром, как размер). Радиус же горизонта событий зависит от массы сингулярности5.

    Итак, горизонт событий – это «точка невозврата» для черной дыры. Внутри горизонта событий пространство притягивается к сингулярности быстрее, чем движется свет. (Физика допускает такую возможность: хотя ни материя, ни энергия не могут двигаться в пространстве быстрее скорости света, насколько быстро может двигаться само пространство – неизвестно.) И поскольку ничто не может двигаться в пространстве быстрее света, все внутри горизонта событий будет неизбежно втягиваться в сингулярность – даже свет.

    Еще одно странное следствие нахождения в таком сильном гравитационном поле состоит в том, что на расстоянии, в 1,5 раза превышающем радиус Шварцшильда, свет (если он правильно направлен) может бесконечно вращаться вокруг черной дыры под влияние ее гравитации.

    Поиск черных дыр

    Но как же обнаружить черные дыры, если их в принципе невозможно увидеть? Мичел предлагал искать «черные звезды» в системах двойных звезд. Каждая такая система состоит из двух звезд, вращающихся друг вокруг друга в результате взаимного гравитационного воздействия. Согласно рассуждениям Мичела, в некоторых таких системах одна из двух звезд может оказаться черной. Иными словами, мы можем попытаться найти звезды, вращающиеся вокруг невидимого спутника.

    И такие поиски завершились успехом! Возьмем, к примеру, объект Лебедь Х-1: здесь голубая звезда-сверхгигант вращается вокруг «партнера», недоступного для наблюдения. Расчет массы этого невидимого объекта указывает на то, что это действительно черная дыра. И таких примеров много.

    Существуют и другие способы обнаружения черных дыр. Например, материал, поглощаемый черной дырой, прежде чем достигнет горизонта событий, может нагреваться, выделяя при этом рентгеновское излучение и другие формы радиации – которые удается зафиксировать.

    Еще один способ основан на том, что, как мы уже говорили, лучи света искривляются под воздействием гравитации больших космических объектов. Если между нами (наблюдателями) и известной нам звездой или галактикой будет проходить такое массивное тело (планета, звезда, галактика, скопление галактик), она своей гравитацией, подобно линзе, изменит направление светового лучей, и мы увидим привычный объект как бы сместившимся в сторону. Когда такой эффект гравитационной линзы возникает, но мы не видим тела, которым он вызван, есть все основания предположить, что его вызвала черная дыра6.

    Некоторые черные дыры имеют массу, сравнимую с массой звезды. Возможно, они представляют собой коллапсировавшие (катастрофически сжавшиеся) ядра взорвавшихся звезд. Другие черные дыры намного массивнее. Обычно они находятся в центре галактик (предположительно и в центре нашей). Есть основания считать, что они выполняют роль «гравитационных якорей» для многочисленных звезд, располагающихся в этой центральной галактической зоне (она называется «балдж»).

    Черные дыры – наглядное подтверждение общей теории относительности Эйнштейна. Такая физика лежит в основе нескольких космологий молодой Вселенной, которые позволяют свету из наиболее отдаленных галактик достичь Земли за несколько тысяч лет или быстрее. Черные дыры – это не только интересные научные открытия. Они дают нам возможность заглянуть в глубины мудрости неизмеримого Бога (Пс. 18:2).

    Что такое темная материя?

    Астрономы обнаружили, что если бы галактики состояли только из наблюдаемых объектов (звезды, газ и пыль), то они вращались бы медленнее, чем это происходит на самом деле. Другими словами, видимая масса галактик не обеспечивает достаточного гравитационного притяжения, чтобы объяснить наблюдаемые нами движения. Из этого был сделан вывод, что космическое пространство содержит невидимую массу – «темную материю». То есть, так может быть названо любое остающееся невидимым вещество, которое обнаруживается только по его гравитационному воздействию на другие (видимые) объекты. Причем расчеты показывают, что темной материи во Вселенной должно содержаться гораздо больше, чем видимой.

    Некоторые физики предполагают, что темная материя состоит из обычной материи, но она настолько холодная, что мы не видим ее из-за недостаточного изучения. Например, планеты или другие крупные объекты, которые не излучают энергию или не отражают свет от ближайших звезд, могут классифицироваться как темная материя. Черные дыры – один из примеров в этой категории. Однако большинство астрофизиков считает, что темная материя состоит из экзотических, не открытых ранее частиц материи. В этом случае говорят о «небарионной темной материи», потому что, в отличие от обычных атомов, она не состоит из протонов и нейтронов (барионов).

    Вместе с тем, предлагаются и альтернативные теории, не предусматривающие существования темной материи. Так, вполне возможно, что законы физики несколько отличаются от наших сегодняшних представлений, как это предполагает ряд гипотез (например, МОND и кармелианская теория)7. Если хотя бы одна из них подтвердится, то окажется, что во Вселенной темной материи нет, или ее не так уж много. Отметим, что для теории Большого взрыва это будет подобно краху, поскольку она предполагает наличие огромного количества темной материи. Что же касается большинства креационных космологических моделей, они оправдывают себя при обоих раскладах.

    Примечания

    1 Эта концепция также независимо предложена Пьером-Симоном Лапласом в 1799 году.
    2 Данная математически строгая аналогия, когда конфигурация воды (пространства-времени) определяется как скорость убегания, называется «речной моделью черных дыр». Она была разработана Эндрю Гамильтоном и Джейсоном Лайлом. См: A. J. S. Hamilton and J. Lisle. «The River Model of Black Holes» in General Relativity and Quantum Cosmology, online at arxiv.org/abs/gr-qc/0411060v2.
    3К. Thorne. Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy. – New York: W. W. Norton & Company, 1994, р. 256.
    4 Если Солнце можно было бы вместить в черную дыру (равной массы), то планеты Солнечной системы так и продолжали бы вращаться по своим орбитам. Они не были бы втянуты в сингулярность след за Солнцем, потому что находятся далеко от радиуса Шварцшильда.
    5 Радиус Шварцшильда для массы М находят по формуле RS = 2GM/c2, где G – это универсальная гравитационная постоянная, а c – скорость света.
    6 Чтобы увидеть, как работает гравитационная линза черной дыры, перейдите по ссылке: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Black_hole_lensing_web.gif (анимированная модель).
    7 MOND – модифицированная ньютоновская динамика, базирующаяся на теоретическом предположении, что гравитационное ускорение силы тяжести отклоняется от общепринятого закона обратных квадратов при очень малых величинах. Кармелианская физика – пятимерный вариант общей теории относительности, предполагающий, что расширение является внутренним свойством Вселенной.

    Лайл Джейсон
    Д-р Джейсон Лайл закончил Уэслианский университет Огайо с отличием, выбрав сразу две основных специализации - физику и астрономию, параллельно специализируясь еще и в математике. После чего он продолжил обучение в Университете Колорадо, где изучал астрофизику и получил соответствующую степень магистра, а потом и доктора. За время обучения в Колорадо д-р Лайл с помощью космического аппарата SOHO исследовал движение поверхности Солнца, его магнитное поле и приповерхностную атмосферу. По результатам наблюдений и исследований он написал работу, назвав ее "Probing the Dynamics of Solar Supergranulation and its Interaction with Magnetism." Среди всего прочего он открыл полярное распределение супергранул (конвективных ячеек на поверхности Солнца) и признаки существования гигантских ячеек.


    BlackHoles: The Evidence of Things Not Seen by Dr. Jason Lisle

    https://answersingenesis.org/astronomy/black-holes/black-holes/

    Перевод с английского – Христианский научно-апологетический центр.

    Jason Lisle
    Dr. Lisle graduated summa cum laude from Ohio Wesleyan University where he double-majored in physics and astronomy, and minored in mathematics. He did graduate work at the University of Colorado where he earned a Master's degree and a PhD in Astrophysics. While there, Dr Lisle used the SOHO spacecraft to investigate motions on the surface of the sun as well as solar magnetism and subsurface weather. His thesis was entitled "Probing the Dynamics of Solar Supergranulation and its Interaction with Magnetism." Among other things, he discovered a previously unknown polar alignment of supergranules (solar convection cells), and discovered evidence of solar giant cells.

    Copyright © Answers in Genesis. All Rights Reserved. Translated and used by permission of Answers in Genesis. (Answers® and Answers in Genesis® are registered trademarks of Answers in Genesis, Inc.) For more information regarding Answers in Genesis, go to www.AnswersinGenesis.org,  www.CreationMuseum.org and  www.ArkEncounter.com.

    Похожие публикации
    Demo scene