Астрофизические тайны чёрных и белых дыр

Обзор

В второй закон термодинамики требует, чтобы черные дыры имеют энтропия. Если бы черные дыры не несли энтропию, можно было бы нарушить второй закон, выбрасывая массу в черную дыру. Увеличение энтропии черной дыры более чем компенсирует уменьшение энтропии, переносимой объектом, который был проглочен.

В 1972 г. Якоб Бекенштейн предположил, что черные дыры должны обладать энтропией, где к тому же году он предложил нет теорем о волосах.

В 1973 году Бекенштейн предложил пер⁡28π≈0.0276{ displaystyle { frac { ln {2}} {8 pi}} приблизительно 0,0276} как константа пропорциональности, утверждая, что если константа не была точно такой, она должна быть очень близка к ней. В следующем 1974 году Хокинг показал, что черные дыры излучают тепловую энергию. Радиация Хокинга соответствующей определенной температуре (температуре Хокинга). С использованием термодинамический зависимости между энергией, температурой и энтропией, Хокинг смог подтвердить гипотезу Бекенштейна и зафиксировать константу пропорциональности на 14{ displaystyle 1/4}:

SBH=kBА4ℓп2,{ displaystyle S _ { text {BH}} = { frac {k _ { text {B}} A} {4 ell _ { text {P}} ^ {2}}},}

куда А{ displaystyle A} — площадь горизонта событий, kB{ displaystyle k _ { text {B}}} это Постоянная Больцмана, и ℓп=граммℏc3{ displaystyle ell _ { text {P}} = { sqrt {G hbar / c ^ {3}}}} это Планковская длина. Это часто называют Формула Бекенштейна – Хокинга. Нижний индекс BH означает «черная дыра» или «Бекенштейн – Хокинг». Энтропия черной дыры пропорциональна площади ее горизонта событий. А{ displaystyle A}. Тот факт, что энтропия черной дыры также является максимальной энтропией, которую можно получить с помощью Бекенштейн связан (в котором граница Бекенштейна становится равенством) было главным наблюдением, которое привело к голографический принцип. Это соотношение площадей было обобщено на произвольные регионы через Формула Рю – Такаянаги, который связывает энтропию запутанности граничной конформной теории поля с конкретной поверхностью в ее дуальной теории гравитации.

Хотя расчеты Хокинга предоставили дополнительные термодинамические доказательства энтропии черной дыры, до 1995 года никто не мог произвести контролируемый расчет энтропии черной дыры на основе статистическая механика, который связывает энтропию с большим количеством микросостояний. Фактически, так называемый «Без волос «теоремы По всей видимости, предполагалось, что черные дыры могут иметь только одно микросостояние. Ситуация изменилась в 1995 году, когда Эндрю Строминджер и Джумрун Вафа рассчитанный правая энтропия Бекенштейна – Хокинга суперсимметричный черная дыра в теория струн, используя методы, основанные на D-браны и струнная двойственность. За их расчетами последовало множество аналогичных вычислений энтропии больших классов других экстремальный и почти экстремальные черные дыры, и результат всегда согласовывался с формулой Бекенштейна – Хокинга. Однако для Черная дыра Шварцшильда, рассматриваемая как самая далекая от экстремальной черной дыры, взаимосвязь между микро- и макросостояниями не охарактеризована. Продолжаются попытки найти адекватный ответ в рамках теории струн.

В петля квантовой гравитации (LQG) с микросостоянием можно связать геометрическую интерпретацию: это квантовые геометрии горизонта. LQG предлагает геометрическое объяснение конечности энтропии и пропорциональности площади горизонта. Из ковариантной формулировки полной квантовой теории можно вывести (пенопласт ) правильное соотношение между энергией и площадью (1-й закон), Температура Унру и распределение, которое дает энтропию Хокинга. В расчетах используется понятие динамический горизонт и сделано для неэкстремальных черных дыр. Кажется, также обсуждается вычисление энтропии Бекенштейна – Хокинга с точки зрения петля квантовой гравитации.

Сколько живут чёрные дыры

На основании доказанных теорий, например излучение Хокинга, учёные могут рассчитать срок жизни отдельной области.

Чёрная дыра (изображение 2)

Чем меньше размер, тем выше скорость испарения чёрной дыры. По этой причине первичные и квантовые чёрные дыры существуют непродолжительное время. А вот массивные объекты могут существовать очень долго. В принципе, даже их возраст может соответствовать возрасту Вселенной.

Причём в последние секунды жизни в окружающее пространство выделяется огромнейшая энергия чёрной дыры и происходит мощный взрыв.

Представления учёных об устройстве и процессах, происходящих в области пространства-времени, в основном построены на теории и математических расчётах. Пока невозможно провести исследования изнутри, что позволило бы точно узнать как устроена чёрная дыра.

Собственно говоря, существование этих загадочных участков во Вселенной изначально было лишь гипотетическим. Не исключено, что теории и информация, известные сейчас, также реальны или близки к действительности.

В целом, актуальность изучения чёрных дыр со временем только повышается.

Новая теория

Однако физики из Калифорнийского университета в Беркли предположили, что вблизи сверхмассивных заряженных чёрных дыр заглянуть в сингулярность всё-таки можно благодаря тому, что гравитация у их краёв более слабая. А значит, их горизонт событий можно пересечь.

По словам авторов исследования, Вселенная быстро расширяется. Это означает, что энергия может распределяться равномернее, чем считалось раньше. Если предположения американских физиков верны, то в сверхмассивной чёрной дыре можно очень быстро пройти через горизонт Коши и избежать сингулярности в её центре.

«Мы видим, как сверхмассивные чёрные дыры в галактиках поглощают звёзды. Мы знаем, что если чёрные дыры очень тяжёлые, то они заглатывают звёзды целиком, а если чёрные дыры лёгкие, то они просто разрывают звёзды, и это сопровождается яркой вспышкой. Соответственно, это же верно и для любого другого объекта. Допустим, если космический корабль падает в сверхмассивную чёрную дыру, то его при пересечении горизонта приливными силами не разорвёт. В этом смысле в фильме «Интерстеллар» показывают правду», — говорит Сергей Попов.

Также по теме

Полёт к внеземным океанам: ЕКА построит аппарат для поиска воды на спутниках Юпитера

Европейское космическое агентство объявило о начале строительства прототипа аппарата JUICE, который через пять лет должен отправиться…

Олег Заславский в беседе с RT пояснил гипотезу американцев о возможности выживания в чёрной дыре. По словам эксперта, при достижении горизонта событий массивной чёрной дыры человек или любой другой объект действительно будут находиться в относительной безопасности.

«Дело в том, что если чёрная дыра массивная, то расстояние до её центра просто громадное, поэтому лучше всего оказаться на границе, где разрушительные приливные силы очень слабо влияют на оказавшийся там объект

Кроме того, наблюдателю важно избежать сингулярности в центре чёрной дыры — месте, где кривизна пространства-времени устремляется в бесконечность», — рассказал Заславский

Физик также подтвердил, что пройти через горизонт Коши в заряженных чёрных дырах теоретически возможно, и этот процесс можно сравнить с воздействием ударной волны на поверхность жидкости.

Авторы исследования отмечают, что их выводы касаются только чёрных дыр с электрическим зарядом. Однако при этом они подчёркивают, что поведение и состав этих объектов такие же, как и у существующих вращающихся чёрных дыр.

«Конечно, вряд ли вы попадёте в любую из чёрных дыр — теоретических или реальных, но приятно осознавать, что вы сможете пережить это необычное путешествие», — заключает Хинц.

Чёрные дыры в теории относительности

Наиболее полное описание чёрной дыры появилось лишь в 1915 году — с публикацией общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

Учёные чаще всего описывают чёрную дыру как область с колоссальным по силе гравитационным полем, по форме напоминающим чашу.

Выводы астрофизиков, изучавших чёрные дыры, долгое время сводились к тому, что любой тесный контакт предмета или организма с этой областью пространства-времени, вероятнее всего, приведёт к их уничтожению.

Также по теме

Космическое «переедание»: астрономы впервые зафиксировали двойной выброс материи из чёрной дыры

Астрономы из Университета Колорадо в Боулдере (США) обнаружили, что сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики J1354, расположенной…

Дело в том, что чёрные дыры окружает так называемый горизонт событий (известный как «точка невозврата»). За эту границу, считают учёные, не могут проникнуть даже частицы света. При этом гравитационное притяжение небольших чёрных дыр так велико, что любой объект, оказывающийся поблизости, растягивается до состояния цепочки атомов. Чем меньше чёрная дыра, тем более выражен этот эффект.

«Если мы говорим о попадании человека в чёрную дыру, и не важно, заряжена она или не заряжена, то разрушительное действие гравитации связано с действием приливной силы. Если вы оказываетесь в сильном гравитационном поле, которое сильно меняет расстояния, то происходит «спагеттизация» — всё вытягивается к направлению центра чёрной дыры

То есть если мы падаем вперёд ногами в чёрную дыру, то ноги притягиваются в первую очередь», — отметил в беседе с RT астрофизик, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ Сергей Попов.

Небольшие чёрные дыры, как правило, вращаются. И в этих условиях шанс, что попавший туда живой организм выживет, фактически нулевой. Поскольку на объект кроме продольных приливных сил будут действовать ещё и скручивающие силы.

Насколько это безумно?

Белая дыра

Что, если вместо того, чтобы создавать маленькую Вселенную, черные дыры — это просто кротовые норы, извергающие материал в другую часть нашей Вселенной? Эта идея известна как белая дыра, которая теоретически является противоположностью черной дыры.

Это означает, что информация, попадающая в черную дыру, извергается где-то еще во Вселенной в виде света с закодированной на нем информацией. Это означает, что энтропия может увеличиваться, а информация сохраняется.

Теперь физика белых дыр делает их странными объектами; в них нельзя упасть, но все же они обладают массой и гравитационным притяжением. Более того, не все черные дыры могут иметь двойника белой дыры. Некоторые теории предполагают, что это могут делать только сверхмассивные черные дыры, но ради этого мы примем, что все черные дыры могут быть аналогом белой дыры.

Вы можете подумать, что это звучит нелепо, мы обнаружили большое количество черных дыр, но не белых дыр, это просто теоретическая чепуха! Но держите лошадей.

Объект под названием GRB 060614 (гамма-всплеск) изначально считался большой звездой, которая вот-вот станет сверхновой и схлопнется в черную дыру. Однако она не превратилась в сверхновую, как должна была, и до сих пор излучает всевозможные странные энергии. Это может быть наш первый взгляд на белую дыру, так что, возможно, это не такая уж диковинная теория.

Утечка информации

Самая простая из всех этих идей заключается в том, что информация со временем утекает из черной дыры.

Ранее в статье мы рассмотрели излучение Хокинга, одну из величайших теорий покойного Стивенса Хокингса. Этот процесс берет материю черной дыры и медленно испаряет ее в виде излучения.

Как я уже говорил ранее, на излучении не должно быть закодированной информации. Но, если информация может храниться в черной дыре, тогда излучение Хокинга сможет узнать информацию и унести ее с собой во Вселенную. Это означало бы, что теперь законы физики должны быть нарушены.

Это кажется самой простой и наиболее реалистичной из всех идей, информация утекает из черной дыры медленно с течением времени, поскольку черная дыра медленно испаряется на протяжении тысячелетий. Но на самом деле, чтобы это произошло, должно произойти что-то особенно странное. Но об этом чуть позже.

Информационный взрыв

Если излучение Хокинга не сможет унести эту информацию с собой, то, возможно, оно вырвется из черной дыры и умрет через несколько триллионов лет. Это похоже на информационный взрыв!

По мере того, как излучение Хокинга испаряется из массы черной дыры, она становится все меньше и меньше. По мере того, как черная дыра становится меньше, скорость излучения Хокинга увеличивается экспоненциально. Таким образом, черные дыры меньшего размера испускают больше излучения Хокинга, чем большие. Но по мере того, как последние несколько кусочков черной дыры испаряются, мощность излучения Хокинга чрезвычайно возрастает, пока не произойдет взрыв, которого Вселенная никогда раньше не видела!

Механизм этого последнего взрыва мог позволить информации выйти наружу в момент умирания черной дыры. Однако это произойдет через триллионы триллионов лет, так что мы этого не увидим, а черной дыре все еще нужно как-то хранить всю эту информацию …

Информационный кристалл

Последняя и, возможно, самая странная идея заключается в том, что после того, как черная дыра умерла, она может оставить после себя остаток, содержащий всю информацию, которую потребила черная дыра — n информационных кристаллов, если хотите.

Это, вероятно, наименее вероятное из всех решений, поскольку у нас нет математической модели, как это можно было бы сделать. Тем не менее, здорово думать, что конец Вселенной будет полон информационных кристаллов, плавающих в совершенно темном мире. Но опять же, информацию нужно как-то хранить.

Хранение информации

Чтобы черная дыра могла хранить информацию, она должна работать как голограмма … Вся эта концепция безумна и заслуживает отдельной статьи, потому что мы на самом деле можем жить на поверхности черной дыры! Следите за этим.

Итак, черные дыры нарушают физику? Возможно, это не является чем-то необычным, что бросают вызов краеугольному камню физики и создают лучшую основу. Так наука делает огромные шаги вперед. Если черные дыры действительно сломают физику, это может стать одним из захватывающих открытий за последние десятилетия!

Но если они не нарушают физику, то это означает, что Вселенная немного страннее и прекраснее, чем мы думали раньше, с маленькими Вселенными или информационными кристаллами — какая прекрасная беспроигрышная ситуация.

Всех с наступающими праздниками!!!

Что предлагает Хокинг для решения информационного парадокса черной дыры?

Идея состоит в том, что у черных дыр должен быть способ хранить информацию, который до сих пор не приняли. Информация хранится на горизонте черной дыры и может вызывать крошечные смещения частиц в излучении Хокинга. В этих крошечных смещения может быть информация о попавшей внутрь материи. Точные детали этого процесса в настоящее время не определены. Ученые ждут более подробного технического документа от Стивена Хокинга, Малькома Перри и Эндрю Строминджера. Говорят, он появится в конце сентября.

На данный момент мы уверены, что черные дыры существуют, знаем, где они находятся, как образуются и чем станут в итоге. Но детали того, куда девается поступающая в них информация, до сих пор представляют одну из самых больших загадок Вселенной.

Видео

https://youtube.com/watch?v=5ki1ZxwGJNI

Источники

• https://hi-news.ru/science/10-faktov-o-chernyx-dyrax-kotorye-dolzhen-znat-kazhdyj.htmlhttps://www.popmech.ru/science/417252-naskolko-ogromnymi-byvayut-chernye-dyry/https://www.syl.ru/article/333972/chernaya-dyira-chto-vnutri-interesnyie-faktyi-i-issledovaniyahttp://ya-uznayu.ru/kosmos/291-kakie-byvayut-i-kak-obrazuyutsya-chernye-dyry.htmlhttps://infuture.ru/article/10332https://collectedpapers.com.ua/ru/black_holes_universe/shho-viprominyuye-chorna-dirahttps://science.ru-land.com/stati/informacionnyy-paradoks-chernyh-dyr-0

Информационный парадокс черных дыр

Вы наверняка слышали, что черные дыры уничтожают информацию, которая в них попадает. Почему это является такой огромной проблемой для физики, что ученые всеми силами пытаются избавиться от этой нелепой и нелогичной формулировки? Что ж, мир стал довольно сложным. В моем детстве все было проще. Трава была зеленее, газировка вкуснее, а черные дыры были черными. То есть черные дыры сжимали материю и энергию в бесконечно плотные сингулярности, не создавая непреодолимых парадоксов. Это были хорошие дни.

Но им пришел конец. Сегодня черные дыры вмещают все пятьдесят оттенков серого, изгибая законы физики один за другим. Что же такое информационный парадокс черной дыры?

Для начала давайте поговорим об информации. Когда физики говорят «Информация», они имеют в виду конкретное состояние каждой частицы во вселенной: масса, положение, спин, температура и т. д. отпечаток пальца, который уникальным образом идентифицирует каждого, и вероятность того, что эти частицы собираются делать во вселенной. Вы можете взять атомы, раздавить их или сжать вместе, но квантово — волновая функция, которая их описывает, всегда будет сохраняться.

Квантовая физика позволяет вам запускать всю вселенную вперед и назад до тех пор, пока вы обращаете все в своей математике: заряд, четность и время

Это важно. Светлые умы говорят нам, что информация должна жить, несмотря ни на что

Представьте ее в виде энергии. Вы не можете уничтожить энергию: только преобразовать.

Что такое черная дыра? Она образуется, когда крупнейшая звезда с массой в 20 раз превышающей солнечную жестоко коллапсирует и взрывается. Ее плотность материи чрезвычайно высока, скорость убегания превышает скорость света. Особо прикольные имеют перегретый диск аккреции с материей, которая кружится вокруг горизонта событий черной дыры, за пределы которого свет уже не может вырваться никак.

И тут у нас появляется один из самых странных побочных эффектов относительности: замедление времени. Представьте себе часы, падающие в направлении черной дыры, которые засасывает гравитационный колодец. Время будет идти медленнее по мере приближения к черной дыре, пока наконец не замерзнет на краю горизонта событий. Фотоны от часов вытянутся, и цвет часов пройдет через красное смещение. В конце концов, он исчезнет, поскольку фотоны вытянутся за пределы того, что могут обнаружить наши глаза.

Лишь в том случае, если бы вы смотрели на черную дыру миллиарды лет, вы увидели бы все, что она собрала, что застряло внутри, как на липучке. Вы нашли бы и часы, и «Титаник», и теоретически смогли бы определить квантовое состояние каждой отдельной частицы и фотона, который попал в черную дыру. Поскольку потребуется практически бесконечное количество времени, чтобы все испарилось совершенно, все в порядке.

Информация навсегда на поверхности черной дыры сохраняется. Все, что туда попало, определенно погибло, но их информация, их драгоценная квантовая информация, в полном порядке.

В 1975 году Стивен хокинг сбросил на черные дыры бомбу. Он осознал, что у черных дыр есть температура, и с течением огромного периода времени они совершенно испарятся, выпустив массу и энергию обратно во вселенную. Этот процесс был обозначен как излучение хокинга.

Но эта же идея парадокс породила. Информация о том, что попало в черную дыру сохраняется замедлением времени, но сама масса черной дыры испаряется. В конце концов, она совершенно исчезнет, и тогда куда денется информация? Та информация, которая не может быть уничтожена?

Астрономы в шоке. Десятками лет они работают, пытаясь решить этот вопрос. Есть небольшой набор вариантов:

Черные дыры не испаряются вовсе, хокинг ошибся.
Информация в черной дыре каким-то образом утекает вместе с излучением хокинга.
Черная дыра удерживает ее до самого конца, и когда испаряются две последних частицы, вся информация внезапно высвобождается во вселенную.
Информация сжимается в микроскопическое пространство, которое остается после испарения черной дыры.
Черная дыра.

Возможно, физики никогда не смогут выяснить это. Недавно хокинг выдвинул новую идею, которая могла бы разрешить информационный парадокс черной дыры. Он предположил, что есть некий способ, которым излучение хокинга могло бы уносить в себе информацию о новой материи, падающей в черную дыру.

Таким образом, информация обо всем, что падает, сохраняется уходящим излучением, возвращается во вселенную и разрешает парадокс. Но это догадка, поскольку и само излучение хокинга никто не обнаружил. Возможно, мы через много десятков лет узнаем не только то, в правильном направлении мы движемся или нет, но и собственно решение парадокса.

В ситуациях вроде этой мы вспоминаем, как мало знаем о вселенной на самом деле.

Другие характеристики чёрных дыр

Стивен Хокинг утверждал, что области испаряются за счёт квантовых эффектов. Притом они излучают частицы с планковским спектром, который отвечает температуре Тн.

А разве можно измерить температуру области, куда невозможно попасть?

Учёные вычислили, что температура чёрной дыры обратно пропорциональна её массе и размеру горизонта событий.

Температура черной дыры

где ħ — постоянная Планка, с — скорость света, k — постоянная Больцмана, G — гравитационная постоянная и М — масса.

Между прочим, температура массивных областей ниже реликтового излучения Вселенной, а оно составляет 2,7 К. Такие объекты растут, потому как их излучение меньше, чем количество поступающего вещества.

На этих данных и расчётах построили термодинамику пространственно-временных областей. Кроме того, ввели интересное понятие:

Соотношение вещества определяется физическими свойствами области. Причём энтропия чёрной дыры пропорциональна площади её горизонта событий:

S = Akc3/4ħG, где А — площадь границы чёрной дыры.

Второй закон термодинамики устанавливает необратимость реальных термодинамических процессов, к которым относятся объём, масса, температура и т.д.

Согласно второму закону термодинамики, если в любую систему ничего не попадает и не выходит из неё, то энтропия не сможет резко уменьшиться.

Впрочем, энтропия может быть либо одинаковой, либо увеличиваться. А вот в более низкое состояние она не может вернуться. К примеру, разбитая кружка — она уже не вернётся в исходную форму и её не получится склеить.

Насколько огромными бывают черные дыры?

Самые маленькие — размером с крупный мегаполис,а размеры самых больших совершенно не с чем сравнивать. О маштабах черных дыр,известных в 2018 году,рассказывает новый ролик канала Harry Evett.

В этом году ученые с помощью телескопа ALMA впервые сфотографировали окрестности черной дыры, которая находится в центре активного ядра галактики М77, и измерили диаметр окружающего ее газопылевого кольца. Самой черной дыры на снимке, конечно, не видно, потому что черные дыры не излучают свет, который могли бы уловить телескопы. Если мы когда-нибудь получим снимок черной дыры и ее окрестностей, на нем будет виден только дик аккреции и окружающее его кольцо материи, заметный, поскольку в нем на субрелятивистских скоростях носятся частицы, выделяя энергию в виде электромагнитного излучения. Возможно, снимок окрестностей черной дыры Sagittarius A*, которая находится в центре нашей галактики, появится уже в этом году. Пока же что о том, как выглядят черные дыры, мы знаем только по представлениям художников. Зато мы знаем их массу и размеры, и они просто не укладываются в голове. Новый ролик о масштабах черных дыр позволяет получить хотя бы примерное представление о том, насколько огромными они бывают.

Диаметр некоторых черных дыр не больше протяженности большого города, скажем, Лондона, но весит такая «кроха» как пять тысяч Солнц; радиус других сравним с радиусом земного шара, но масса их при этом в пять миллионов больше, чем у нашей планеты. Еще немного о Солнце: самые легкие из известных черных дыр всего впятеро массивнее нашей звезды, но при этом в в 100 тысяч раз компактнее. Черная дыра, которая находится в центре Млечного Пути — относительный тяжеловес, но далеко не рекордсмен ни по массе, ни по размерам, хотя и весит как 4 миллиона Солнц. Она просто теряется на фоне, скажем, дыры в центре галактики Messier 60, масса которой составляет 4,5 миллиарда солнечных. Примерно с этой массы начинается класс ультрамассивных черных дыр, самые большие из которых заставляют даже 4,5 млрд Солнц казаться пушинкой. Самая большая (и массивная) из известных черных дыр — та, что находится в центре квазара TON 618: 66 миллиардов солнечных масс. А о том, насколько велика Вселенная, можно получить представление, посмотрев нашу подборку роликов о масштабах космоса.