Физика чёрных дыр

Найденo 23 статьи

Схема строения вращающейся чёрной дыры (в разрезе)

Релятивистские объекты

Эргосфера

Эргосфе́ра, область пространства-времени вблизи вращающихся чёрных дыр (чёрной дыры Керра или чёрной дыры Керра – Ньюмана), расположенная между внешним горизонтом событий и пределом статичности – поверхностью, внутри которой любой материальный объект с неизбежностью будет увлекаться в направлении вращения чёрной дыры вследствие эффекта Лензе – Тирринга. Находясь в эргосфере, частицы (массивные и безмассовые) могут как попасть под горизонт событий, так и покинуть эргосферу, уходя во внешнюю Вселенную. Эргосфера способна совершать работу, т. е. частица, находящаяся в эргосфере, может получить дополнительную энергию за счёт энергии вращения чёрной дыры.

Научные инструменты, приборы, установки

Лазерная гравитационно-волновая антенна

Ла́зерная гравитацио́нно-волнова́я анте́нна, экспериментальная наземная установка для детектирования гравитационных волн, представляющая собой высокочувствительный лазерный интерферометр. Регистрация гравитационно-волнового сигнала такой антенной осуществляется по наблюдаемому квазипериодическому смещению интерференционной картины, образуемой лазерными лучами, которое происходит вследствие изменения длины плеч интерферометра под действием гравитационной волны. Лазерные гравитационно-волновые антенны используются для детектирования гравитационных волн от катастрофических астрофизических событий, примером которых могут служить слияния массивных объектов – чёрных дыр и нейтронных звёзд.

События в сфере науки и образования

История изучения испарения чёрных дыр

История изучения испарения чёрных дыр. Чёрная дыра – это общее название для сжавшегося космического объекта, не имеющего материальной поверхности, но имеющего границу. Границей чёрной дыры является горизонт событий, на котором вторая космическая скорость равна скорости света. Это означает, что даже свет не может покинуть горизонт событий чёрной дыры.

Механизм возникновения излучения Хокинга

Физические величины

Безразмерный момент импульса чёрной дыры

Безразме́рный моме́нт и́мпульса чёрной дыры́ (безразмерный угловой момент вращения чёрной дыры), безразмерная величина, характеризующая вращение чёрной дыры и пропорциональная её моменту импульса: где скорость света, момент импульса чёрной дыры, гравитационная постоянная, масса чёрной дыры.

Быстро вращающаяся чёрная дыра в представлении художника

Модельные объекты

Абсолютно чёрное тело

Абсолю́тно чёрное те́ло, термин в теории излучения, означающий объект, который полностью поглощает падающее на его поверхность электромагнитное излучение вне зависимости от спектрального состава, поляризации, температуры и угла падения излучения. Поглощательная способность абсолютно чёрного тела во всём спектральном диапазоне излучения равна единице. Его излучение является равновесным и описывается законами Вина, Стефана – Больцмана и Планка. В качестве моделей абсолютно чёрных тел могут рассматриваться полость Гельмгольца, рог Вуда, некоторые астрофизические объекты.

Релятивистские объекты

Чёрная дыра Керра – Ньюмана

Чёрная дыра́ Ке́рра – Нью́мана, геометрический объект (пространство-время), соответствующий решению уравнений Эйнштейна при наличии массы электрического заряда и момента импульса которые сконцентрированы в сингулярности пространства-времени. Сингулярность расположена в центральной области чёрной дыры и имеет форму кольца. Качественно свойства чёрной дыры Керра – Ньюмана аналогичны свойствам чёрной дыры Керра. В зависимости от соотношения параметров и сингулярность может быть окружена либо двумя горизонтами событий (внутренним и внешним), либо одним. По-другому такой объект называется вращающейся заряженной чёрной дырой. Кроме того, возможно такое соотношение параметров, при котором горизонтов событий нет, т. е. решение представляет собой «голую» сингулярность, а не чёрную дыру. При наличии хотя бы одного горизонта событий удалённый наблюдатель фиксирует многие эффекты в окрестности внешнего горизонта, аналогичные эффектам для чёрной дыры Шварцшильда и других чёрных дыр. Под горизонтами событий сигналы могут как попасть в сингулярность, так и избежать её и уйти в другие вселенные. Внешний горизонт событий чёрной дыры Керра – Ньюмана окружён эргосферой – областью, в которой любой наблюдатель не может оставаться в состоянии покоя и, увлекаемый вращением чёрной дыры, с необходимостью вынужден совершать круговое движение вокруг неё.

Смоделированное изображение аккреционного диска вокруг чёрной дыры

Релятивистские объекты

Чёрная дыра Керра

Чёрная дыра́ Ке́рра, геометрический объект (пространство-время), соответствующий решению уравнений Эйнштейна в вакууме при наличии массы и момента импульса которые сконцентрированы в сингулярности пространства-времени. Сингулярность расположена в центральной области чёрной дыры и имеет форму кольца. В зависимости от соотношения параметров и она может быть окружена либо двумя горизонтами событий (внутренним и внешним), либо одним. По-другому такой объект называется вращающейся чёрной дырой. Кроме того, возможно соотношение и когда горизонтов событий нет, т. е. решение представляет собой «голую» сингулярность, а не чёрную дыру. При наличии хотя бы одного горизонта событий удалённый наблюдатель регистрирует многие из эффектов в окрестности внешнего горизонта, аналогичные эффектам для чёрной дыры Шварцшильда. Под горизонтами событий сигналы могут как попасть в сингулярность, так и избежать её и уйти в другие вселенные. Внешний горизонт событий чёрной дыры Керра окружён эргосферой – областью, в которой любой наблюдатель не может оставаться в состоянии покоя и, увлекаемый вращением чёрной дыры, с необходимостью вынужден совершать круговое движение вокруг неё.

Релятивистские объекты

Чёрная дыра Райсснера – Нордстрёма

Чёрная дыра́ Ра́йсснера – Нордстрёма, геометрический объект (пространство-время), соответствующий решению уравнений Эйнштейна при наличии точечной массы с электрическим зарядом и при условиях статичности и сферической симметрии. Представляет собой сферически-симметричную (невращающуюся) электрически заряженную чёрную дыру. В центре чёрной дыры Райсснера – Нордстрёма расположена сингулярность пространства-времени, в которой сконцентрированы её масса и электрический заряд В зависимости от соотношения и сингулярность может быть окружена либо двумя горизонтами событий, либо одним. Кроме того, возможно соотношение и когда горизонтов событий нет, т. е. решение представляет собой «голую» сингулярность, а не чёрную дыру. При наличии хотя бы одного горизонта событий внешний наблюдатель регистрирует эффекты, аналогичные эффектам для чёрной дыры Шварцшильда. Другая ситуация имеет место под горизонтами, достигая которых, сигналы могут как попасть в сингулярность, так и избежать её и уйти в другую вселенную.

Природные процессы, явления внутри небесных тел или в космическом пространстве

Излучение Хокинга

Излуче́ние Хо́кинга, испускание элементарных частиц чёрной дырой, при котором масса чёрной дыры уменьшается. В его основе лежит процесс рождения и аннигиляции виртуальных пар частиц и античастиц в вакууме. Если виртуальная пара «частица – античастица» образуется в непосредственной близости от горизонта событий чёрной дыры, то одна из частиц может быть поглощена чёрной дырой, уйдя под горизонт событий. Вследствие этого вторая частица становится реальной и удаляется от чёрной дыры. В силу закона сохранения энергии она унесёт с собой часть энергии чёрной дыры, которую гравитационное поле затратило на разделение пары. Таким образом формируется поток энергии от чёрной дыры, сопровождающийся потерей её массы.

Характеристики астрономических объектов

Гравитационный радиус

Гравитацио́нный ра́диус, радиус сферы, на которой сила тяготения, создаваемая сферической невращающейся массой, целиком лежащей внутри этой сферы, стремится к бесконечности. Гравитационный радиус определяется массой тела и равен , где – гравитационная постоянная, – скорость света. Если тело сжать до размеров гравитационного радиуса, то никакие силы не смогут остановить его дальнейшее сжатие под действием сил тяготения. Такой процесс, называемый релятивистским гравитационным коллапсом, может происходить с достаточно массивными звёздами в конце их эволюции. При гравитационном коллапсе из-под сферы радиуса не могут выходить никакое излучение, никакие частицы.