Черные дыры в микро- и макромире

1. Черные дыры во Вселенной

Чёрная дыра – это космический объект, который образуется при гравитационном сжатии  массивных космических тел. Существование этих объектов предсказано общей теорией относительности. Термин «чёрная дыра» введен в науку в 1968 году для обозначения сколлапсировавшей звезды.

Чёрная дыра – это область в пространстве, возникающая в результате гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение столь велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут её покинуть. Следовательно, внутренняя часть чёрной дыры не взаимосвязана с остальной Вселенной – то есть происходящие внутри чёрной дыры физические процессы не могут влиять на любые процессы вне её. Чёрная дыра окружена поверхностью со свойством как бы однонаправленной мембраны: излучение и вещество свободно проходит сквозь неё в чёрную дыру, но оттуда ничего не может выйти. Эта поверхность называется горизонтом событий. До сих пор имелись лишь косвенные указания на существование чёрных дыр на расстояниях в несколько тысяч световых лет от Земли, следовательно, все рассуждения о них основываются главным образом на теоретических результатах.

Астрономы пришли к заключению, что чёрные дыры не проявляются сразу в том виде и объёме, как они наблюдаются сейчас, а постепенно растут за счёт поглощения газа и звёзд галактик. Последние исследования доказывают, что гигантские чёрные дыры не предшествовали рождению галактик, а эволюционировали и развивались вместе с ними, поглощая некоторый процент массы звёзд и газа из центральной области галактики. Это значит, что в меньших галактиках, чёрные дыры менее массивны, а их массы составляют не более нескольких миллионов солнечных масс. В центрах гигантских галактик, чёрные дыры включают в себя миллиарды солнечных масс, и окончательная масса чёрной дыры формируется в процессе формирования галактики. В некоторых случаях чёрные дыры могут увеличиваться не только за счёт поглощения газа одной галактики, но и путём слияния нескольких галактик, в результате которого их чёрные дыры объединяются.

2. Структура чёрной дыры

Вдалеке от чёрной дыры пространство-время можно рассматривать как почти плоское, и световые лучи при этом распространяются прямолинейно. При приближении к чёрной дыре, лучи света начинают отклоняться на значительные углы. При распространении света сквозь область пространства-времени с большой кривизной, его «мировая линия» становится всё более искривлённой. В некоторых случаях можно направить луч света в таком направлении, чтобы он оказался пойман на круговую орбиту вокруг дыры. Эту сферу вокруг чёрной дыры иногда называют «фотонной сферой» или – «фотонной окружностью»; она состоит из света, обегающего вокруг чёрной дыры по всевозможным круговым орбитам. Очень наглядно она была показана в научно-фантастическом фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар», вышедшем в 2014 году, и выглядит вот так:

В 1916 году, через несколько месяцев после того как Эйнштейн опубликовал свои уравнения гравитационного поля, немецким астрономом Карлом Шварцшильдом было найдено точное решение, описывающее геометрию пространства-времени вблизи идеальной чёрной дыры. Это решение Шварцшильда описывает сферически симметричную чёрную дыру, имеющую только массу, а породившая эту чёрную дыру «гипотетическая умирающая» звезда должна не вращаться и быть лишённой как магнитного поля, так и электрического заряда. Вещество такой звезды будет падать «вниз» по радиусу к центру звезды, а получившаяся таким образом чёрная дыра будет обладает сферической симметрией.

Можно попытаться понять природу шварцшильдовской чёрной дыры, рассматривая массивную звезду в процессе гравитационного коллапса. Пусть гипотетический наблюдатель находится на поверхности умирающей звезды, у которой только что иссякло ядерное топливо. Непосредственно перед началом коллапса наш наблюдатель берёт мощный прожектор и направляет его лучи в разные стороны. Так как вещество звезды пока распределено в достаточно большом объеме пространства, гравитационное поле у поверхности звезды остается довольно слабым, и поэтому лучи света распространяются прямолинейно или почти прямолинейно. Однако после начала коллапса вещество звезды начинает сжиматься во всё меньшем и меньшем объёме. По мере уменьшения размеров звезды тяготение у её поверхности возрастает всё больше и больше, и увеличение кривизны пространства-времени приводит к отклонению световых лучей от прежних прямолинейных траекторий. Сначала лучи, исходящие из прожектора под малым углом к горизонту, отклоняются вниз к поверхности звезды, но в дальнейшем, по мере развития коллапса, приходится направлять лучи вверх, всё ближе к вертикали, чтобы они смогли навсегда уйти от звезды. В конце стадии коллапса исследователь обнаружит, что никакой луч света не в состоянии уйти от звезды и все лучи всё равно изменят свое направление так, чтобы упасть вниз, на звезду. Это означает, что звезда прошла свой горизонт событий и ничто, очутившееся за горизонтом событий, не может выйти наружу, даже свет.

Чёрную дыру окружает фотонная сфера, состоящая из лучей света, движущихся по неустойчивым круговым орбитам. Внутри фотонной сферы можно выделить горизонт событий - односторонне пропускающая поверхность в пространстве-времени, из которой ничто не может вырваться. В центре чёрной дыры находится сингулярность – всё то, что проходит через горизонт событий, засасывается в сингулярность, где оно под действием бесконечно сильно искривлённого пространства-времени прекращает своё существование в нашем диапазоне мерности. По мере приближения катастрофического коллапса массивной звезды к его неизбежному концу, лучам света с поверхности звезды становится всё труднее и труднее уйти навсегда от звезды. 

3. Эволюция чёрных дыр

У учёных есть данные по двум различным классам чёрных дыр: первые - это чёрные дыры со звёздными массами примерно в 10 раз больше Солнца, вторые - сверхмассивные чёрные дыры, которые располагаются предположительно в центрах галактик и имеют массу от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс. Но остаётся до конца не понятно, как образуются и существуют чёрные дыры средней массы –  с промежуточными массами в диапазоне между 100 и 10 000 масс Солнца, и доказательства происхождения этих объектов достаточно спорные. До сих пор не было обнаружено более одной такой чёрной дыры в одной галактике.

Группа исследователей посредством анализа рентгеновских данных смогла обнаружить две средние по массе чёрные дыры в галактике M82, которая находится на расстоянии около 12 миллионов световых лет от Земли. По особенностям излучения, испускаемого этими чёрными дырами в M82, учёные определили, что масса одной из чёрных дыр колеблется в пределах от 12 до 43 тысяч масс Солнца, а масса второй - от 200 до 800 солнечных масс. Первый объект находится на расстоянии 290 световых лет от центра галактики M82. Второй объект расположен на расстоянии 600 световых лет.

Как одним из возможных механизмов для формирования подобных сверхмассивных чёрных дыр является цепная реакция при столкновении звёзд с компактными звёздными скоплениями, которая приводит к накоплению очень массивных объектов, которые затем формируются в чёрные дыры промежуточной массы. После чего «промежуточные» чёрные дыры притягиваются к центру галактики и сливаются со сверхмассивной чёрной дырой в центре галактики. До сих пор астрономам точно не было известно, могут ли в одной галактике присутствовать сразу две чёрные дыры средней массы.

С 1992 по 1998 г. сотрудники Института внеземной физики им.Макса Планка в Гаршинге (Германия) под руководством А.Экарта (A.Eckart) вели измерения параметров движений в центральной области нашей Галактики. С помощью специального спектрометра они определяли скорость перемещения 200 звёзд. В результате исследований выяснилось, что с наибольшей скоростью движутся те звёзды, которые расположены поблизости от объекта Стрелец А (который и ранее относили к числу «чёрных дыр»), удалённые от него всего на пять световых суток, звёзды обращались вокруг центра со скоростью превышающей 1000 км/с. Расчёты показали, что подобное движение звёзд может быть лишь в том случае, если в ядре Галактики находится объект, масса которого составляет 2,6 млн. массы Солнца, а плотность такая, как если бы 2 трлн. Солнц «втиснуть» в один кубический световой год. 

Такими свойствами обладает только «чёрная дыра», которая может поглотить за несколько миллионов лет всю материю, попадающую в сферу её влияния. А.М. Гез (A.M. Ghez; Университет штата Калифорния, Беркли) сообщила о сходных результатах на конференции Американского астрономического общества (Вашингтон, 1998). Вместе с коллегами они вели наблюдения в том же инфракрасном диапазоне частот (2 мкм), что и Экарт, но на более мощном 10- метровом Телескопе им.Кека на горе Мауна-Кеа (Гавайские о-ва). Они обнаружили, что звёзды, расположенные к центру Галактики вдвое ближе, чем наблюдавшиеся немецкими астрономами, движутся со скоростью 3000 км/с. По мнению Гез, такую скорость звёздам может придать лишь «чёрная дыра» с массой 2,7 млн. Солнц. При таких масштабах величин вывода обеих групп можно считать почти идентичными – в центре нашей Галактики находится огромная «чёрная дыра».

4. О некоторых последних исследованиях чёрных дыр учёными

Учёным в 1997 году удалось доказать, что некоторые чёрные дыры вращаются, при этом вовлекая в это движение и окружающее их пространство. «До сих пор мы умели узнавать лишь массу чёрной звезды, теперь можем определять её вращательный импульс», - сообщил сотрудник Центра НАСА в Хантсвилле Шуанг Нан Цанг. Вокруг чёрной дыры есть некая граница, и вся материя, находящаяся внутри неё, непременно будет поглощена. Размеры этой границы зависят, в том числе и от скорости вращения чёрной дыры. Эту скорость можно вычислить, если знать, с какой скоростью происходит движение материи у границы. При расшифровывании информации, поступившей от спутников, улавливающих рентгеновское излучение, Шуанг Нан Цанг с коллегами пришли к выводу, что в Млечном Пути находятся не менее 12 чёрных дыр с массой от трех до тридцати солнечных. Некоторые из этих дыр вращаются очень медленно, а другие – и вовсе неподвижны. Но две из них вращаются вокруг своих осей с очень большой скоростью.

При исследовании вращения чёрной дыры можно определить, сколько материи она успела поглотить, и как вращательный импульс связан с выбросом материи в виде осевой струи (джета). Цанг убеждён, что обнаруженные в нашей Галактике эти две быстро вращающиеся дыры, посылают струи высокоэнергичных частиц в свои окрестности, которые вращаются примерно с той же скоростью, что и сама чёрная дыра. Учёные обнаружили колебания интенсивности рентгеновского излучения у обоих этих объектов. Эти наблюдения, в конце 1997 года, навели на след ещё более удивительного феномена: газовые и пылевые частицы около двух чёрных дыр подвержены периодическому движению, которое называется прецессией. Это означает, что ось вихревого движения частиц не стоит на месте, и вращается вокруг другой оси.

Во время другого исследования была обнаружена интересная Система "звезда-и-чёрная дыра", обозначенная как GRO J1655-40, которая находится на удалении приблизительно в 10 000 световых лет, в пределах нашей галактики Млечный путь. Обнаружена она была в 1994 году, и привлекла внимание астрономов сильными вспышками рентгеновских лучей и обстрелом радиоволн, поскольку чёрная дыра выталкивала газы на звезду-спутник, которая находилась на расстоянии 12 миллионов километров. Исследователи из Испании и Америки начали внимательно изучать звезду-спутник, полагая, что она могла сохранить какой-либо след, свидетельствующий о процессе формирования чёрной дыры. Наблюдения системы GRO J1655-40 в августе и сентябре 1994 года позволили обнаружить, что потоки выбрасываемого газа имеют скорость, составляющую до 92 % от скорости света, что частично доказывало наличие там чёрной дыры. Это явилось первым доказательством, действительно подтверждающим справедливость теории о том, что некоторые чёрные дыры вначале возникают как сверхновые звёзды, поскольку наблюдаемое не могло быть рождено звездой, которую видели астрономы.

Недавно было получено первое изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики М87. Фотография была получена с помощью глобальной сети телескопов Event Horizon Telescope, объединяющей телескопы восьми обсерваторий, расположенных по всей планете, что позволило получить виртуальный телескоп размером около 10 000 км в диаметре. Черная дыра располагается на расстоянии 53 миллионов световых лет от Земли, имеет размер 40 миллиардов километров и достигает массы 6,5 миллиарда масс Солнца.

5. О взаимосвязи чёрных дыр и квазаров

Из-за «чудовищной» (по нашим представлениям) массы, сила притяжения чёрной дыры, растущая по мере приближения к центру, при достижении значения её гравитационного радиуса (сферы Шварцшильда), оказывается бесконечно большой. Поэтому чёрные дыры поглощают любой объект или излучение, приближающиеся к ним, - огромную массу энергетического потенциала наших континуумов. Хотя с научной точки зрения принято считать, что нейтронная звезда и чёрная дыра, как факторы мощнейших качественных деформаций («искривлений») пространства и времени, представляют собой почти одно и то же, но, с точки зрения ииссиидиологии, первая представляет собой «фрактальную» динамику частотного преобразования элементарных частиц в субэлементарные, в то время как чёрная дыра является «механизмом» трансформации синтезированных свойств элементарных частиц в динамику суперуниверсальных полей.

Квазары - это тоже гигантские чёрные дыры, не только поглощающие, но также активно излучающие энергию, потенциал которой во много раз больше потенциала многих из известных нам галактик. Это единый механизм по обеспечению непрерывного энергетического обмена, в котором квазар излучает, а чёрная дыра поглощает. Если рассматривать схематично, то принцип функционирования этого «механизма» очень напоминает систему водоснабжения бассейна: сколько воды прибавляется, столько же - в то же самое время - выливается обратно. Чёрная дыра втягивает в себя мощнейшим гравитационным притяжением колоссальное количество «избыточного» энергетического потенциала (элементарных частиц). С позиции ииссиидиологии, квазары (которые в 4-5-мерном диапазоне работают по принципу образования нейтронных Звёзд, только на границе перехода суперуниверсальных частиц в элементарные) тут же возвращают нам с «низших» резопазонов 4-5-мерности то же самое количество энергии, но более высокочастотного состояния.

Квазар (генерирующий в наш континуум в сотни раз больше энергии, чем обычные галактики), представляет собой сложноконфигурационную инерционную динамику звезды, которую обитатели 4-5 мерностей воспринимают как чёрная дыра, то есть пространство-время, мощно искривлённое гравитационным полем и образующее «замкнутое» состояние  («гравитационный коллапс»). Квазары одновременно являются и излучателями энергии определённого типа, и поглотителями энергии множества других типов.

Через механизм излучения квазаров и чёрных дыр в наш диапазон мерностей непрерывно поступает поток высокочастотной энергии, свойственный «низшим» резопазонам 4-5 мерности, а через механизм поглощения материи чёрными дырами (или через те же квазары) качественно трансмутируется (аннигилируется) более материальный поток энергии 3-4-мерных континуумов (электрон теряет свою привязку к ядру, которое без него распадается; освободившиеся в результате распада фотоны, глюоны и кварки снова возвращаются в суперуниверсальные частицы 4-5-й мерностей). Одновременно с этим идентичные процессы осуществляются через «фрактальную» динамику нейтронных звёзд, но только с преобразованиями элементарных частиц 3-4-й мерностей в субэлементарные частицы 2-3-й мерностей и, через динамику сверхновых звёзд, наоборот - из высших резопазонов 2-3-й мерностей в низшие уровни 3-4-й мерностей.

Биллионы чёрных дыр, поглощая в себя идентичное количество энергии из пространства-времени антиподных по отношению к нам континуумов, одновременно ретранслируют её обратно в наши, через квазары. И, наоборот, проявленные в наших континуумах чёрные дыры, сворачивая световые лучи в «кокон» и активно поглощая энергию из наших континуумов, снова тут же возвращают её в том же количестве обратно в системы антиподных континуумов через звёзды, проявляющиеся «там», как квазары. Кроме того, массивные чёрные дыры выполняют роль мощных ускорителей элементарных частиц, структурирующих собой 3-4-мерные резопазоны, разгоняя их до сверхвысоких скоростей. Например, энергия протонов увеличивается в чёрных дырах до огромных значений (более 100 триллионов эВ), далеко выходящих за пределы тех энергетических параметров, которые необходимы для формообразования нашей материи. Например, в некоторых случаях в результате столкновений ускоренных протонов с низкоэнергетичными протонами космического водорода, могут образовываться короткопроявляющиеся частицы пионы (или пи-мезоны), которые, как бы «распадаясь», образуют свойственные им высокоэнергетичные гамма-лучи.

6. Чёрные дыры в микромире и червоточины

Идентично тому, как в космосе существуют гигантские чёрные дыры, на атомарных уровнях энергоинформационного взаимодействия между субэлементарными, элементарными и суперуниверсальными частицами также существуют подобные механизмы качественного преобразования. «Межатомное пространство», которое существует между электронами и протонами, нивелируется, корректируется и поддерживается с помощью огромного количества аналогов «квазаров», «чёрных дыр», «нейтронных» и «сверхновых звёзд», свойственных данному диапазону проявления микрокосмоса. При этом в одних уровнях разнокачественных и разнонаправленных энергоинформационных взаимодействий тоже осуществляется мощное поглощение определённой энергии, а в других уровнях - её выход в следующие уровни взаимодействия. В каждом из межатомном пространстве есть «свои галактики, звёзды и планеты», через которые между собою резонационно соединяются различные конфигурации резопазонов континуумов с разными мерностями. «Пограничные», «фильтрующе-излучающие» свойства отдельных чёрных дыр и квазаров, создают межмерностные энергоинформационные потоки для взаимопроникновения из одних типов реальностей в другие.  

В космосе, на границах влияния чёрных дыр, существуют области очень большой гравитации, где возникает возможность «склейки» удалённых областей пространства, которые именуются учёными «кротовыми норами» или «червоточинами». Есть проходимые червоточины (кротовина Морриса-Торна) и непроходимые, которые схлопываются слишком быстро (Метрика Шварцшильда). Каждая чёрная дыра окружена невидимой сферой, которая является своеобразной границей невозврата, так как на атомы попавшего в неё объекта начинают мощно влиять гравитационные силы, растягивая их, поэтому любой объект (включая и атомы) при приближении к ней сначала растягивается до предела, а затем разрывается. «Обратная» (по отношению к субъективному наблюдателю) часть силового распространения, представляет собой иной тип вселенной, а пространство-время между двумя вселенными носит название «мост Эйнштейна-Розена» («кротовая нора»). 

Червоточина отличается от чёрной дыры отсутствием горизонта событий. Материя не может выйти за пределы червоточины, но свет может, при этом излучаемый свет имеет специфическое угловое распределение. То есть, если мы посмотрим на вход в червоточину, то увидим световое кольцо с яркостью, возрастающей к внешнему диаметру. И в центре этого кольца опять же теоретически мы увидим свет других галактик по ту сторону червоточины.

Чёрная дыра - хороший образец «необратимой кротовой норы», то есть через горизонт событий можно пройти только в одном направлении. Но есть и обратимые «кротовые норы», через которые можно свободно перемещаться в обоих направлениях. Сила отталкивания, присущая отрицательной энергии или отрицательному веществу, сможет удержать проход открытым на промежуток времени, достаточный, чтобы успеть миновать опасную зону. Сжимаясь, объекты ускоряют своё вращение, поэтому чёрные дыры вращаются с фантастическими скоростями. Вращающаяся чёрная дыра не схлопывается, а сжимается и образует вращающийся по всей длине туннель, через чьё отверстие - по мосту Эйнштейна-Розена - можно пройти насквозь, оказавшись во вселенной иного типа. Каждое последовательное прохождение через очередной вращающийся туннель чёрной дыры приведёт к перефокусировкам в очередную параллельную вселенную. Проходимая червоточина даёт гипотетическую возможность путешествий во времени, и может создавать возможность для межзвёздных путешествий.

7. Заключение

Чёрные дыры являются совершенно необычными по своим свойствам объектами. Несмотря на весь научный прогресс, достигнутый при их исследовании, природа пространства и времени чёрных дыр в большой мере остаётся не до конца изученными. В реферате был проведен анализ информации из научных источников и новой информации из ииссиидиологии, которая может в ближайшем будущем помочь в расширении исследований чёрных дыр.

Ииссидиологическая концепция чёрных дыр полностью согласуется с текущими представлениями ученых в 3-4 мерном диапазоне и позволяет более широко взглянуть на эти объекты в пограничных резопазонах 2-3 и 4-5 мерности, давая «зацепки» и идеи развития существующих моделей и теорий.