черная дыра горизонт событий что это
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.
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].
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.
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!