Tanto para los científicos de los siglos pasados como para los investigadores de nuestro tiempo, el mayor misterio del cosmos es el agujero negro. ¿Qué hay dentro de este sistema completamente desconocido para la física? ¿Qué leyes se aplican allí? ¿Cómo pasa el tiempo en un agujero negro y por qué ni siquiera los cuantos de luz pueden escapar de allí? Ahora intentaremos, por supuesto, desde el punto de vista de la teoría y no de la práctica, comprender qué hay dentro de un agujero negro, por qué, en principio, se formó y existe, cómo atrae los objetos que lo rodean.
Primero, describamos este objeto.
Entonces, un agujero negro es una determinada región del espacio en el Universo. Es imposible aislarlo como una estrella o planeta separado, ya que no es sólido ni cuerpo de gas. Sin una comprensión básica de qué es el espacio-tiempo y cómo pueden cambiar estas dimensiones, es imposible comprender qué hay dentro de un agujero negro. La cuestión es que esta zona no es sólo una unidad espacial. lo que distorsiona tanto las tres dimensiones que conocemos (largo, ancho y alto) como la línea de tiempo. Los científicos confían en que en la región del horizonte (la llamada zona que rodea el agujero), el tiempo adquiere un significado espacial y puede avanzar y retroceder.
Aprendamos los secretos de la gravedad.
Si queremos entender qué hay dentro de un agujero negro, echemos un vistazo más de cerca a qué es la gravedad. Es este fenómeno el que resulta clave para comprender la naturaleza de los llamados “agujeros de gusano”, de los que ni siquiera la luz puede escapar. La gravedad es la interacción entre todos los cuerpos que tienen una base material. La fuerza de dicha gravedad depende de la composición molecular de los cuerpos, de la concentración de los átomos y de su composición. Cuantas más partículas colapsen en una determinada zona del espacio, más fuerza gravitacional. Esto está indisolublemente ligado a la teoría. Big Bang, cuando nuestro Universo era del tamaño de un guisante. Este era un estado de máxima singularidad y, como resultado de un destello de cuantos de luz, el espacio comenzó a expandirse debido al hecho de que las partículas se repelían entre sí. Los científicos describen un agujero negro exactamente al revés. ¿Qué hay dentro de tal cosa según la TBZ? Una singularidad que es igual a los indicadores inherentes a nuestro Universo en el momento de su nacimiento.
¿Cómo llega la materia a un agujero de gusano?
Existe la opinión de que una persona nunca podrá comprender lo que sucede dentro de un agujero negro. Porque una vez allí, será literalmente aplastado por la gravedad y la fuerza de la gravedad. Actualmente, esto no es verdad. Sí, efectivamente, un agujero negro es una región de singularidad donde todo está comprimido al máximo. Pero esto no es en absoluto una “aspiradora espacial” que pueda aspirar todos los planetas y estrellas. Cualquier objeto material, que se encuentra en el horizonte de sucesos, observará una fuerte distorsión del espacio y el tiempo (por ahora, estas unidades están separadas). El sistema euclidiano de geometría comenzará a funcionar mal, en otras palabras, se cruzarán y los contornos de las figuras estereométricas ya no resultarán familiares. En cuanto al tiempo, irá disminuyendo gradualmente. Cuanto más te acerques al agujero, más lento irá el reloj en relación con la hora de la Tierra, pero no lo notarás. Al caer en un agujero de gusano, el cuerpo caerá a velocidad cero, pero esta unidad será igual a infinito. curvatura, que equipara el infinito a cero, que finalmente detiene el tiempo en la región de la singularidad.
Reacción a la luz emitida.
El único objeto en el espacio que atrae la luz es un agujero negro. Se desconoce qué hay dentro y en qué forma se encuentra, pero se cree que es oscuridad total, lo cual es imposible de imaginar. Cuantos de luz Cuando llegan allí, no desaparecen simplemente. Su masa se multiplica por la masa de la singularidad, lo que la hace aún más grande y la aumenta, por tanto, si está dentro ". agujero de gusano“Enciendes la linterna para mirar a tu alrededor, no brilla. Los cuantos emitidos se multiplicarán constantemente por la masa del agujero y usted, en términos generales, solo empeorará su situación.
Agujeros negros a cada paso
Como ya hemos descubierto, la base de la formación es la gravedad, cuya magnitud es millones de veces mayor que en la Tierra. Karl Schwarzschild le dio al mundo una idea precisa de lo que es un agujero negro, quien, de hecho, descubrió el horizonte de sucesos y el punto de no retorno, y también estableció que cero en un estado de singularidad es igual a infinidad. En su opinión, un agujero negro puede formarse en cualquier punto del espacio. En este caso, un determinado objeto material que tiene forma esférica debe alcanzar radio gravitacional. Por ejemplo, la masa de nuestro planeta debe caber en el volumen de un guisante para convertirse en un agujero negro. Y el Sol debería tener un diámetro de 5 kilómetros con su masa, entonces su estado se volverá singular.
El horizonte para la formación de un mundo nuevo
Las leyes de la física y la geometría funcionan perfectamente en la Tierra y en espacio exterior, donde el espacio se acerca al vacío. Pero pierden por completo su significado en el horizonte de sucesos. Por eso con punto matemático Es imposible calcular a partir de la visión qué hay dentro de un agujero negro. Las imágenes que podemos obtener si doblamos el espacio de acuerdo con nuestras ideas sobre el mundo probablemente estén lejos de la verdad. Sólo se ha establecido que aquí el tiempo se convierte en una unidad espacial y, muy probablemente, en medidas existentes Se añaden algunos más. Esto hace posible creer que dentro de un agujero negro (una foto, como saben, no lo mostrará, ya que la luz allí se devora a sí misma) se forman mundos completamente diferentes. Estos universos pueden estar compuestos de antimateria, algo que actualmente los científicos desconocen. También hay versiones de que la esfera sin retorno es solo un portal que conduce a otro mundo o a otros puntos de nuestro Universo.
Nacimiento y muerte
Mucho más que la existencia de un agujero negro es su creación o desaparición. Una esfera que distorsiona el espacio-tiempo, como ya hemos descubierto, se forma como resultado del colapso. Podría ser la explosión de una estrella grande, la colisión de dos o más cuerpos en el espacio, etc. Pero ¿cómo es posible que una materia que en teoría podía tocarse se convirtiera en un dominio de distorsión del tiempo? El rompecabezas es un trabajo en progreso. Pero a esto le sigue una segunda pregunta: ¿por qué desaparecen esas esferas sin retorno? Y si los agujeros negros se evaporan, ¿por qué no sale de ellos esa luz y toda la materia cósmica que absorbieron? Cuando la materia en la zona de singularidad comienza a expandirse, la gravedad disminuye gradualmente. Como resultado, el agujero negro simplemente se disuelve y el vacío ordinario del espacio exterior permanece en su lugar. De esto se desprende otro misterio: ¿a dónde fue a parar todo lo que entró en él?
¿Es la gravedad nuestra clave para un futuro feliz?
Los investigadores confían en que el futuro energético de la humanidad puede estar determinado por un agujero negro. Aún se desconoce qué hay dentro de este sistema, pero se ha establecido que en el horizonte de sucesos cualquier materia se transforma en energía, pero, por supuesto, parcialmente. Por ejemplo, una persona, al encontrarse cerca del punto sin retorno, renunciará al 10 por ciento de su materia para procesarla en energía. Esta cifra es simplemente colosal; se convirtió en una sensación entre los astrónomos. El hecho es que en la Tierra sólo el 0,7 por ciento de la materia se convierte en energía.
Los agujeros negros son los únicos cuerpos cósmicos, capaz de atraer la luz mediante la fuerza gravitacional. También son los objetos más grandes del Universo. Es poco probable que sepamos qué sucederá cerca de su horizonte de sucesos (conocido como el “punto sin retorno”) en el corto plazo. Estos son los lugares más misteriosos de nuestro mundo, sobre los cuales, a pesar de décadas de investigación, todavía se sabe muy poco. Este artículo contiene 10 hechos que pueden considerarse los más intrigantes.
Los agujeros negros no absorben materia
Mucha gente imagina un agujero negro como una especie de “aspiradora espacial” que aspira el espacio circundante. De hecho, los agujeros negros son objetos espaciales ordinarios que tienen un campo gravitacional excepcionalmente fuerte.
Si en lugar del Sol surgiera un agujero negro del mismo tamaño, la Tierra no sería atraída hacia él, sino que giraría en la misma órbita que lo hace hoy. Las estrellas situadas junto a los agujeros negros pierden parte de su masa en forma de viento estelar (esto ocurre durante la existencia de cualquier estrella) y los agujeros negros absorben sólo esta materia.
Karl Schwarzschild predijo la existencia de agujeros negros
Karl Schwarzschild fue el primero en utilizar la teoría de la relatividad general de Einstein para demostrar la existencia de un "punto sin retorno". El propio Einstein no pensó en los agujeros negros, aunque su teoría predice su existencia.
Schwarzschild hizo su propuesta en 1915, inmediatamente después de que Einstein publicara su teoría general de la relatividad. En ese momento surgió el término “radio de Schwarzschild”, un valor que muestra cuánto tendría que comprimirse un objeto para que se convirtiera en un agujero negro.
En teoría, cualquier cosa puede convertirse en un agujero negro si se comprime lo suficiente. Cuanto más denso es el objeto, más fuerte es el campo gravitacional que crea. Por ejemplo, la Tierra se convertiría en un agujero negro si tuviera la masa de un objeto del tamaño de un maní.
Los agujeros negros pueden dar origen a nuevos universos
La idea de que los agujeros negros puedan dar origen a nuevos universos parece absurda (sobre todo porque todavía no estamos seguros de la existencia de otros universos). Sin embargo, los científicos están desarrollando activamente estas teorías.
Una versión muy simplificada de una de estas teorías es la siguiente. Nuestro mundo tiene exclusivamente condiciones favorables para que la vida aparezca en él. Si alguno de constantes fisicas Si cambiaramos aunque fuera un poco, no estaríamos en este mundo. La singularidad del agujero negro se cancela leyes ordinarias física y puede (al menos en teoría) dar lugar a nuevo universo, que será diferente al nuestro.
Los agujeros negros pueden convertirte a ti (y a cualquier otra cosa) en espaguetis
Los agujeros negros estiran los objetos que se encuentran cerca de ellos. Estos objetos empiezan a parecerse a los espaguetis (incluso existe un término especial: "espaguetificación").
Esto sucede debido a la forma en que funciona la gravedad. EN actualmente tus pies están más cerca del centro de la Tierra que tu cabeza, por lo que se sienten atraídos con más fuerza. En la superficie de un agujero negro, la diferencia de gravedad comienza a actuar en nuestra contra. Las piernas son atraídas hacia el centro del agujero negro cada vez más rápido, de modo que la mitad superior del cuerpo no puede seguirles el ritmo. Resultado: ¡espaguetificación!
Los agujeros negros se evaporan con el tiempo
Los agujeros negros no sólo absorben el viento estelar, sino que también se evaporan. Este fenómeno fue descubierto en 1974 y se llamó radiación de Hawking (en honor a Stephen Hawking, quien hizo el descubrimiento).
Con el tiempo, el agujero negro puede liberar toda su masa al espacio circundante junto con esta radiación y desaparecer.
Los agujeros negros ralentizan el tiempo cerca de ellos
A medida que te acercas al horizonte de sucesos, el tiempo se ralentiza. Para entender por qué sucede esto, debemos observar la "paradoja de los gemelos", un experimento mental que se utiliza a menudo para ilustrar los principios básicos de la teoría de la relatividad general de Einstein.
Uno de los hermanos gemelos permanece en la Tierra y el segundo vuela a viaje espacial, moviéndose a la velocidad de la luz. Un gemelo que regresa a la Tierra descubre que su hermano ha envejecido más que él porque, mientras viajaba a una velocidad cercana a la de la luz, el tiempo corre Más lento.
A medida que te acerques al horizonte de sucesos de un agujero negro, te moverás a tal velocidad alta velocidad ese tiempo se ralentizará para ti.
Los agujeros negros son los sistemas energéticos más avanzados
Los agujeros negros generan energía mejor que el Sol y otras estrellas. Esto se debe a la materia que orbita a su alrededor. Al cruzar el horizonte de sucesos a enorme velocidad, la materia en la órbita de un agujero negro se calienta hasta alcanzar temperaturas extremadamente altas. Esto se llama radiación de cuerpo negro.
A modo de comparación, cuando fusión nuclear El 0,7% de la materia se convierte en energía. ¡Cerca de un agujero negro, el 10% de la materia se convierte en energía!
Los agujeros negros doblan el espacio a su alrededor
Se puede pensar en el espacio como una placa de goma estirada sobre la que se dibujan líneas. Si pones un objeto en el disco, cambiará su forma. Los agujeros negros funcionan de la misma manera. Su masa extrema atrae todo, incluida la luz (cuyos rayos, siguiendo con la analogía, podrían llamarse líneas en un plato).
Los agujeros negros limitan el número de estrellas en el Universo
Las estrellas surgen de nubes de gas. Para que comience la formación de estrellas, la nube debe enfriarse.
La radiación de los cuerpos negros impide que las nubes de gas se enfríen y evita la aparición de estrellas.
En teoría, cualquier objeto puede convertirse en un agujero negro.
La única diferencia entre nuestro Sol y un agujero negro es la fuerza de gravedad. En el centro de un agujero negro es mucho más fuerte que en el centro de una estrella. Si nuestro Sol estuviera comprimido a unos cinco kilómetros de diámetro, podría ser un agujero negro.
En teoría, cualquier cosa puede convertirse en un agujero negro. En la práctica, sabemos que los agujeros negros surgen sólo como resultado del colapso de estrellas enormes que superan en masa al Sol entre 20 y 30 veces.
S. TRANKOVSKY
Entre los problemas más importantes e interesantes. física moderna y astrofísica, el académico V.L. Ginzburg nombró cuestiones relacionadas con los agujeros negros (ver "Ciencia y vida" No. 11, 12, 1999). La existencia de estos objetos extraños Se predijo hace más de doscientos años, las condiciones que llevaron a su formación se calcularon con precisión a finales de los años 30 del siglo XX, y la astrofísica las tomó en serio hace menos de cuarenta años. Hoy revistas científicas Cada año se publican miles de artículos sobre los agujeros negros en todo el mundo.
La formación de un agujero negro puede ocurrir de tres maneras.
Así es como se acostumbra representar los procesos que ocurren en las proximidades de un agujero negro en colapso. Con el tiempo (Y), el espacio (X) a su alrededor (el área sombreada) se reduce, apresurándose hacia la singularidad.
El campo gravitacional de un agujero negro introduce graves distorsiones en la geometría del espacio.
Un agujero negro, invisible a través de un telescopio, se revela sólo por su influencia gravitacional.
En el poderoso campo gravitacional de un agujero negro nacen pares partícula-antipartícula.
El nacimiento de un par partícula-antipartícula en el laboratorio.
COMO SURGEN
Luminoso cuerpo celestial, teniendo densidad, igual densidad La Tierra, y con un diámetro doscientas cincuenta veces mayor que el diámetro del Sol, debido a la fuerza de su gravedad, no permitirá que su luz nos llegue. Así, es posible que los cuerpos luminosos más grandes del Universo permanezcan invisibles precisamente por su tamaño.
Pierre Simón Laplace.
Exposición del sistema mundial. 1796
En 1783, el matemático inglés John Mitchell, y trece años más tarde, independientemente de él, el astrónomo y matemático francés Pierre Simon Laplace, llevaron a cabo un estudio muy extraño. Observaron las condiciones bajo las cuales la luz no podría escapar de la estrella.
La lógica de los científicos era simple. Para cualquier objeto astronómico (planeta o estrella), es posible calcular la llamada velocidad de escape, o segunda velocidad cósmica, que permite que cualquier cuerpo o partícula salga de él para siempre. Y en la física de esa época reinaba supremamente la teoría de Newton, según la cual la luz es una corriente de partículas (antes de la teoría ondas electromagnéticas y los cuantos permanecieron durante casi ciento cincuenta años). La velocidad de escape de las partículas se puede calcular basándose en la igualdad. energía potencial en la superficie del planeta y energía cinética cuerpo que "se escapó" sin cesar larga distancia. Esta velocidad está determinada por la fórmula #1#
Dónde METRO- peso objeto espacial, R- su radio, GRAMO- constante gravitacional.
A partir de esto podemos obtener fácilmente el radio de un cuerpo de una masa determinada (más tarde llamado "radio gravitacional"). r g "), en el que la velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz:
Esto significa que una estrella comprimida en una esfera con un radio r gramo< 2GM/C 2 dejará de emitir: la luz no podrá salir de él. Aparecerá un agujero negro en el Universo.
Es fácil calcular que el Sol (su masa es de 2,1033 g) se convertirá en un agujero negro si se contrae hasta un radio de aproximadamente 3 kilómetros. La densidad de su sustancia alcanzará 10 16 g/cm 3 . El radio de la Tierra, comprimido en un agujero negro, disminuiría a aproximadamente un centímetro.
Parecía increíble que pudiera haber fuerzas en la naturaleza capaces de comprimir una estrella a un tamaño tan insignificante. Por lo tanto, las conclusiones de los trabajos de Mitchell y Laplace fueron consideradas durante más de cien años como una especie de paradoja matemática que no tenía significado físico.
Estricto prueba matemática El hecho de que un objeto tan exótico fuera posible en el espacio no se descubrió hasta 1916. El astrónomo alemán Karl Schwarzschild, tras analizar las ecuaciones de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, obtuvo resultado interesante. Estudiando el movimiento de una partícula en un campo gravitacional. cuerpo masivo, llegó a la conclusión: la ecuación pierde significado fisico(su solución va al infinito) cuando r= 0 y r = r gramo.
Los puntos en los que las características del campo pierden sentido se denominan singulares, es decir, especiales. Singularidad en Punto cero refleja un punto o, lo que es lo mismo, una estructura centralmente simétrica del campo (después de todo, cualquier cuerpo esférico, una estrella o un planeta, se puede representar como punto material). Y los puntos ubicados en superficie esférica radio r g, forman la misma superficie desde la cual la velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz. En la teoría general de la relatividad se le llama esfera singular de Schwarzschild u horizonte de sucesos (el motivo se aclarará más adelante).
Ya en el ejemplo de los objetos que nos son familiares, la Tierra y el Sol, está claro que los agujeros negros son muy objetos extraños. Incluso los astrónomos que estudian materia en valores extremos de temperatura, densidad y presión los consideran muy exóticos y, hasta hace poco, no todos creían en su existencia. Sin embargo, los primeros indicios de la posibilidad de la formación de agujeros negros ya estaban contenidos en la teoría general de la relatividad de A. Einstein, creada en 1915. El astrónomo inglés Arthur Eddington, uno de los primeros intérpretes y divulgadores de la teoría de la relatividad, en los años 30 derivó un sistema de ecuaciones que describe estructura interna estrellas De ellos se deduce que la estrella está en equilibrio bajo la influencia de fuerzas gravitacionales de direcciones opuestas y la presión interna creada por el movimiento de partículas de plasma calientes dentro de la estrella y la presión de la radiación generada en sus profundidades. Esto significa que la estrella es una bola de gas, en cuyo centro hay una temperatura alta, que disminuye gradualmente hacia la periferia. De las ecuaciones, en particular, se deduce que la temperatura de la superficie del Sol es de aproximadamente 5500 grados (lo que concordaba bastante con los datos mediciones astronómicas), y en su centro debería haber unos 10 millones de grados. Esto permitió a Eddington llegar a una conclusión profética: a esta temperatura, se “enciende” una reacción termonuclear, suficiente para garantizar el brillo del Sol. Los físicos atómicos de esa época no estaban de acuerdo con esto. Les parecía que hacía demasiado "frío" en las profundidades de la estrella: la temperatura allí no era suficiente para que la reacción "se desarrollara". A esto el teórico enfurecido respondió: “¡Busquen un lugar más cálido!”
Y al final resultó que tenía razón: realmente ocurre una reacción termonuclear en el centro de la estrella (otra cosa es que el llamado "estándar" modelo solar", basado en ideas sobre fusión termonuclear, aparentemente resultó ser incorrecto (ver, por ejemplo, “Ciencia y vida” No. 2, 3, 2000). Sin embargo, se produce la reacción en el centro de la estrella, la estrella brilla y la radiación que surge la mantiene en un estado estable. Pero el “combustible” nuclear de la estrella se quema. La liberación de energía se detiene, la radiación se apaga y la fuerza restrictiva atracción gravitacional, desaparece. Hay un límite en la masa de una estrella, después del cual la estrella comienza a encogerse irreversiblemente. Los cálculos muestran que esto sucede si la masa de la estrella supera las dos o tres masas solares.
COLAPSO GRAVITACIONAL
Al principio, la velocidad de contracción de la estrella es pequeña, pero aumenta continuamente, ya que la fuerza de gravedad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. La compresión se vuelve irreversible; no hay fuerzas capaces de contrarrestar la autogravedad. Este proceso se llama colapso gravitacional. La velocidad de movimiento de la capa de la estrella hacia su centro aumenta, acercándose a la velocidad de la luz. Y aquí los efectos de la teoría de la relatividad empiezan a desempeñar un papel.
La velocidad de escape se calculó basándose en ideas newtonianas sobre la naturaleza de la luz. Desde el punto de vista de la relatividad general, los fenómenos en las proximidades de una estrella en colapso ocurren de manera algo diferente. En su poderoso campo gravitacional se produce el llamado corrimiento al rojo gravitacional. Esto significa que la frecuencia de la radiación procedente de un objeto masivo se desplaza hacia frecuencias más bajas. En el límite, en el límite de la esfera de Schwarzschild, la frecuencia de radiación se vuelve igual a cero. Es decir, un observador situado fuera de él no podrá saber nada de lo que sucede en su interior. Por eso a la esfera de Schwarzschild se le llama horizonte de sucesos.
Pero disminuir la frecuencia equivale a desacelerar el tiempo, y cuando la frecuencia llega a cero, el tiempo se detiene. Esto significa que un observador externo verá una imagen muy extraña: la capa de una estrella, al caer con una aceleración cada vez mayor, se detiene en lugar de alcanzar la velocidad de la luz. Desde su punto de vista, la compresión se detendrá tan pronto como el tamaño de la estrella se acerque a la gravedad.
usu. Nunca verá ni una sola partícula "sumergirse" bajo la esfera de Schwarzschiel. Pero para un hipotético observador que cae en un agujero negro, todo terminará en cuestión de momentos bajo su vigilancia. Así, el tiempo de colapso gravitacional de una estrella del tamaño del Sol será de 29 minutos, y una estrella de neutrones mucho más densa y compacta tardará sólo 1/20.000 de segundo. Y aquí se enfrenta a los problemas asociados con la geometría del espacio-tiempo cerca de un agujero negro.
El observador se encuentra en un espacio curvo. Cerca del radio gravitacional, las fuerzas gravitacionales se vuelven infinitamente grandes; estiran el cohete con el astronauta-observador hasta convertirlo en un hilo infinitamente delgado longitud infinita. Pero él mismo no se dará cuenta de esto: todas sus deformaciones corresponderán a distorsiones de las coordenadas espacio-temporales. Estas consideraciones, por supuesto, se refieren a un caso hipotético ideal. Cualquier cuerpo real será destrozado por las fuerzas de marea mucho antes de acercarse a la esfera de Schwarzschild.
DIMENSIONES DE LOS AGUJEROS NEGROS
El tamaño de un agujero negro, o más precisamente, el radio de la esfera de Schwarzschild, es proporcional a la masa de la estrella. Y como la astrofísica no impone ninguna restricción sobre el tamaño de una estrella, un agujero negro puede ser arbitrariamente grande. Si, por ejemplo, surgió durante el colapso de una estrella con una masa de 10 8 masas solares (o debido a la fusión de cientos de miles, o incluso millones de estrellas relativamente pequeñas), su radio será de unos 300 millones de kilómetros, dos veces más grande órbita terrestre. A densidad media La sustancia de un gigante así tiene una densidad cercana a la del agua.
Al parecer, este es el tipo de agujeros negros que se encuentran en los centros de las galaxias. En cualquier caso, los astrónomos cuentan hoy en día unas cincuenta galaxias, en cuyo centro, a juzgar por pruebas indirectas (que se analizan más adelante), se encuentran agujeros negros con una masa de alrededor de mil millones (10 9) de masa solar. Nuestra galaxia aparentemente también tiene su propio agujero negro; Su masa se estimó con bastante precisión: 2,4. 10 6 ±10% de la masa del Sol.
La teoría sugiere que junto con tales supergigantes, miniagujeros negros con una masa de aproximadamente 10-14 gy un radio de aproximadamente 10-12 cm (tamaño núcleo atómico). Podrían aparecer en los primeros momentos de la existencia del Universo como una manifestación de una muy fuerte falta de homogeneidad del espacio-tiempo con una densidad de energía colosal. Hoy en día, los investigadores se dan cuenta de las condiciones que existían en el Universo en ese momento en potentes colisionadores (aceleradores que utilizan haces en colisión). Los experimentos realizados en el CERN a principios de este año permitieron obtener plasma de quarks y gluones, materia que existía antes de la creación de partículas elementales. La investigación sobre este estado de la materia continúa en Brookhaven, el centro de aceleradores estadounidense. Es capaz de acelerar partículas a energías de uno y medio a dos órdenes de magnitud superiores a las del acelerador en
CERN. El próximo experimento ha causado serias preocupaciones: ¿creará un mini agujero negro que doblará nuestro espacio y destruirá la Tierra?
Este temor resonó con tanta fuerza que el gobierno de Estados Unidos se vio obligado a convocar una comisión autorizada para examinar esta posibilidad. Una comisión formada por destacados investigadores concluyó: la energía del acelerador es demasiado baja para que surja un agujero negro (este experimento se describe en la revista Science and Life, nº 3, 2000).
CÓMO VER LO INVISIBLE
Los agujeros negros no emiten nada, ni siquiera luz. Sin embargo, los astrónomos han aprendido a verlos, o mejor dicho, a encontrar “candidatos” para este papel. Hay tres formas de detectar un agujero negro.
1. Es necesario controlar la rotación de las estrellas en cúmulos alrededor de un determinado centro de gravedad. Si resulta que no hay nada en este centro y las estrellas parecen girar espacio vacio, podemos decir con bastante confianza: en este "vacío" hay un agujero negro. Sobre esta base se asumió la presencia de un agujero negro en el centro de nuestra galaxia y se estimó su masa.
2. Un agujero negro absorbe activamente materia del espacio circundante. El polvo interestelar, el gas y la materia de las estrellas cercanas caen sobre él en espiral, formando el llamado disco de acreción, similar al anillo de Saturno. (Este es precisamente el espantapájaros del experimento de Brookhaven: un mini agujero negro que apareció en el acelerador comenzará a absorber la Tierra hacia sí mismo, y este proceso no podrá ser detenido por ninguna fuerza). Al acercarse a la esfera de Schwarzschild, las partículas experimentan aceleración y comienzan a emitir en el rango de rayos X. Esta radiación tiene un espectro característico similar a la radiación bien estudiada de partículas aceleradas en un sincrotrón. Y si dicha radiación proviene de alguna región del Universo, podemos decir con seguridad que allí debe haber un agujero negro.
3. Cuando dos agujeros negros se fusionan, se produce radiación gravitacional. Se calcula que si la masa de cada uno es de unas diez masas solares, entonces cuando se fusionen en cuestión de horas se liberará energía equivalente al 1% de su masa total en forma de ondas gravitacionales. Esto es mil veces más que la luz, el calor y otras energías que emitió el Sol durante toda su existencia: cinco mil millones de años. Esperan detectar la radiación gravitacional con la ayuda de los observatorios de ondas gravitacionales LIGO y otros, que ahora se están construyendo en América y Europa con la participación de investigadores rusos (ver “Ciencia y vida” No. 5, 2000).
Y, sin embargo, aunque los astrónomos no tienen dudas sobre la existencia de los agujeros negros, nadie se atreve a afirmar categóricamente que exactamente uno de ellos se encuentra en un punto determinado del espacio. Ética científica, la escrupulosidad del investigador exige obtener una respuesta inequívoca a la pregunta planteada, que no tolera discrepancias. No basta con estimar la masa de un objeto invisible; es necesario medir su radio y demostrar que no supera el radio de Schwarzschild. E incluso dentro de nuestra galaxia este problema aún no tiene solución. Es por eso que los científicos muestran cierta moderación al informar sobre su descubrimiento, y las revistas científicas están literalmente llenas de informes de trabajos teóricos y observaciones de efectos que pueden arrojar luz sobre su misterio.
Sin embargo, los agujeros negros tienen una propiedad más, teóricamente predicha, que podría hacer posible verlos. Pero, sin embargo, bajo una condición: la masa del agujero negro debe ser mucho menor que la masa del Sol.
UN AGUJERO NEGRO TAMBIÉN PUEDE SER “BLANCO”
Durante mucho tiempo, los agujeros negros fueron considerados la encarnación de la oscuridad, objetos que en el vacío, al no haber absorción de materia, no emiten nada. Sin embargo, en 1974, el famoso teórico inglés Stephen Hawking demostró que a los agujeros negros se les puede asignar una temperatura y, por lo tanto, deberían irradiar.
segun ideas mecánica cuántica, el vacío no es el vacío, sino una especie de “espuma del espacio-tiempo”, una mezcolanza de partículas virtuales (no observables en nuestro mundo). Sin embargo, las fluctuaciones de energía cuántica pueden "expulsar" un par partícula-antipartícula del vacío. Por ejemplo, en la colisión de dos o tres cuantos gamma, un electrón y un positrón aparecerán como surgidos de la nada. Este y otros fenómenos similares se han observado repetidamente en los laboratorios.
Son las fluctuaciones cuánticas las que determinan los procesos de radiación de los agujeros negros. Si un par de partículas con energías mi Y -MI (energía total par es igual a cero), surge en la vecindad de la esfera de Schwarzschild, destino adicional las partículas serán diferentes. Pueden aniquilarse casi de inmediato o pasar juntos por debajo del horizonte de sucesos. En este caso, el estado del agujero negro no cambiará. Pero si sólo una partícula pasa por debajo del horizonte, el observador registrará otra y le parecerá que fue generada por un agujero negro. Al mismo tiempo, un agujero negro que absorbió una partícula con energía. -MI, reducirá tu energía, y con energía mi- incrementará.
Hawking calculó las velocidades a las que ocurren todos estos procesos y llegó a la conclusión: la probabilidad de absorción de partículas con energía negativa más alto. Esto significa que el agujero negro pierde energía y masa: se evapora. Además, irradia absolutamente cuerpo negro con temperatura t = 6 . 10 -8 METRO Con / METRO kelvins, donde METRO c - masa del Sol (2,10 33 g), METRO- la masa del agujero negro. Esta sencilla relación muestra que la temperatura de un agujero negro con una masa seis veces mayor que la del Sol es igual a una cienmillonésima de grado. Está claro que un cuerpo tan frío prácticamente no emite nada y todo el razonamiento anterior sigue siendo válido. Los miniagujeros son otro asunto. ¡Es fácil ver que con una masa de 10 14 -10 30 gramos, se calientan a decenas de miles de grados y están al rojo vivo! Sin embargo, cabe señalar de inmediato que no existen contradicciones con las propiedades de los agujeros negros: esta radiación es emitida por una capa por encima de la esfera de Schwarzschild y no por debajo de ella.
Entonces, el agujero negro, que parecía un objeto eternamente congelado, tarde o temprano desaparece, evaporándose. Además, a medida que “pierde peso”, la tasa de evaporación aumenta, pero aún así lleva mucho tiempo. Se estima que los miniagujeros que pesan entre 10 y 14 gramos, que aparecieron inmediatamente después del Big Bang hace entre 10 y 15 mil millones de años, deberían evaporarse por completo en nuestro tiempo. En última etapa vida, su temperatura alcanza valores colosales, por lo que los productos de la evaporación deben ser partículas extremadamente energia alta. Quizás sean ellos los que generan lluvias de aire generalizadas en la atmósfera terrestre - EAS. En cualquier caso, el origen de las partículas de energía anormalmente alta es otro tema importante y problema interesante, que puede estar estrechamente relacionado con cuestiones no menos interesantes de la física de los agujeros negros.
Agujeros negros, materia oscura, materia oscura... Estos son sin duda los más extraños y objetos misteriosos en el espacio. Sus extrañas propiedades pueden desafiar las leyes de la física del Universo e incluso de la naturaleza. realidad existente. Para entender qué son los agujeros negros, los científicos sugieren “cambiar el enfoque”, aprender a pensar fuera de lo común y usar un poco de imaginación. Los agujeros negros se forman a partir de supernúcleos estrellas masivas, que se puede caracterizar como una región del espacio donde se concentra una enorme masa en el vacío y nada, ni siquiera la luz, puede escapar de la atracción gravitacional allí. Esta es la zona donde se encuentra el segundo velocidad de escape excede la velocidad de la luz: Y cuanto más masivo es el objeto en movimiento, más rápido debe moverse para deshacerse de la fuerza de su gravedad. Esto se conoce como velocidad de escape.
La Enciclopedia Collier llama agujeros negros a una región del espacio que surge como resultado del colapso gravitacional completo de la materia, en la que la atracción gravitacional es tan fuerte que ni la materia, ni la luz, ni otros portadores de información pueden abandonarla. Es por eso parte interna un agujero negro no está causalmente relacionado con el resto del universo; sucediendo dentro de un agujero negro procesos fisicos no puede influir en procesos fuera de él. Un agujero negro está rodeado por una superficie que tiene la propiedad de ser una membrana unidireccional: la materia y la radiación caen libremente a través de ella hacia el agujero negro, pero nada puede escapar de allí. Esta superficie se llama "horizonte de sucesos".
Historia del descubrimiento
Se predicen agujeros negros teoria general relatividad (la teoría de la gravedad propuesta por Einstein en 1915) y otros, más teorías modernas La gravedad fue fundamentada matemáticamente por R. Oppenheimer y H. Snyder en 1939. Pero las propiedades del espacio y el tiempo en las proximidades de estos objetos resultaron ser tan inusuales que los astrónomos y físicos no las tomaron en serio durante 25 años. Sin embargo descubrimientos astronómicos a mediados de la década de 1960 hizo que uno considerara los agujeros negros como posibles realidad fisica. Nuevos descubrimientos y estudios podrían cambiar fundamentalmente nuestra comprensión del espacio y el tiempo, arrojando luz sobre miles de millones de misterios cósmicos.
Formación de agujeros negros
Mientras en las entrañas de la estrella hay reacciones termonucleares, ellos apoyan alta temperatura y presión, evitando que la estrella colapse bajo su propia gravedad. Sin embargo, con el tiempo, el combustible nuclear se agota y la estrella comienza a encogerse. Los cálculos muestran que si la masa de una estrella no supera las tres masas del Sol, ganará la “batalla contra la gravedad”: su colapso gravitacional será detenido por la presión de la materia "degenerada", y la estrella se convertirá para siempre en una enana blanca o estrella neutrón. Pero si la masa de la estrella es superior a tres soles, entonces nada podrá detener su catastrófico colapso y rápidamente pasará por debajo del horizonte de sucesos, convirtiéndose en un agujero negro.
¿Es un agujero negro un agujero sin cobertura?
Lo que no emite luz no es fácil de notar. Una forma de buscar un agujero negro es buscar áreas en el espacio exterior que tengan gran masa y están en un espacio oscuro. Al buscar este tipo de objetos, los astrónomos los encontraron en dos zonas principales: en los centros de las galaxias y en las binarias. sistemas estelares de nuestra Galaxia. En total, como sugieren los científicos, existen decenas de millones de objetos de este tipo.
Actualmente la única manera confiable de distinguir agujero negro de un objeto de otro tipo es medir la masa y las dimensiones del objeto y comparar su radio con
Los agujeros negros son quizás los objetos astronómicos más misteriosos y enigmáticos de nuestro Universo, desde su descubrimiento han atraído la atención de los científicos y excitado la imaginación de los escritores de ciencia ficción. ¿Qué son los agujeros negros y qué representan? Los agujeros negros son estrellas extintas debido a su características físicas, poseer tanto alta densidad y una gravedad tan poderosa que ni siquiera la luz puede escapar más allá de ellos.
Historia del descubrimiento de los agujeros negros.
Por primera vez, la existencia teórica de los agujeros negros, mucho antes de su descubrimiento real, fue sugerida por un tal D. Michel (un sacerdote inglés de Yorkshire, que se interesa por la astronomía en su tiempo libre) en 1783. Según sus cálculos, si tomamos el nuestro y lo comprimimos (en términos modernos) lenguaje de ordenador- archivo) hasta un radio de 3 km, se forma una fuerza gravitacional tan grande (simplemente enorme) que ni siquiera la luz puede abandonarla. Así surgió el concepto de “agujero negro”, aunque en realidad no es negro en absoluto, en nuestra opinión, el término “agujero oscuro” sería más apropiado, porque es precisamente la ausencia de luz lo que se produce;
Posteriormente, en 1918, el gran científico alberto Einstein. Pero no fue hasta 1967, gracias a los esfuerzos del astrofísico estadounidense John Wheeler, que el concepto de agujeros negros finalmente ganó un lugar en los círculos académicos.
Sea como fuere, D. Michel, Albert Einstein y John Wheeler en sus trabajos asumieron sólo la existencia teórica de estos misteriosos objetos celestes en espacio exterior Sin embargo, el verdadero descubrimiento de los agujeros negros tuvo lugar en 1971, cuando fueron vistos por primera vez a través de un telescopio.
Así es como se ve un agujero negro.
Cómo se forman los agujeros negros en el espacio
Como sabemos por la astrofísica, todas las estrellas (incluido nuestro Sol) tienen un suministro limitado de combustible. Y aunque la vida de una estrella puede durar miles de millones de años luz, tarde o temprano este suministro condicional de combustible llega a su fin y la estrella “se apaga”. El proceso de “desvanecimiento” de una estrella va acompañado de intensas reacciones, durante las cuales la estrella sufre una transformación significativa y, dependiendo de su tamaño, puede convertirse en enano blanco, una estrella de neutrones o un agujero negro. Además, las estrellas más grandes, con tamaños increíblemente impresionantes, generalmente se convierten en un agujero negro; debido a la compresión de estos tamaños más increíbles, se produce un aumento múltiple en la masa y la fuerza gravitacional del agujero negro recién formado, que se convierte en un especie de aspiradora galáctica, que absorbe todo y a todos a su alrededor.
Un agujero negro se traga una estrella.
Una pequeña observación: nuestro Sol, según los estándares galácticos, no lo es en absoluto. gran estrella y después de la extinción, que ocurrirá dentro de unos pocos miles de millones de años, lo más probable es que no se convierta en un agujero negro.
Pero seamos honestos: hoy en día, los científicos aún no conocen todas las complejidades de la formación de un agujero negro; sin duda, se trata de un proceso astrofísico extremadamente complejo que en sí mismo puede durar millones de años luz; Aunque es posible avanzar en esta dirección podría ser el descubrimiento y posterior estudio de los llamados agujeros negros intermedios, es decir, estrellas en estado de extinción, en las que proceso activo formación de agujeros negros. Por cierto, en 2014 los astrónomos descubrieron una estrella similar en el brazo de una galaxia espiral.
¿Cuántos agujeros negros hay en el Universo?
Según las teorías de los científicos modernos en nuestra galaxia. vía Láctea Puede haber hasta cientos de millones de agujeros negros. Quizás no haya menos de ellos en nuestra galaxia vecina, a la que no hay nada a lo que volar desde nuestra Vía Láctea: 2,5 millones de años luz.
Teoría del agujero negro
A pesar de la enorme masa (que es cientos de miles de veces mayor que la masa de nuestro Sol) y fuerza increíble gravedad, ver los agujeros negros a través de un telescopio no fue fácil, porque no emiten luz en absoluto. Los científicos lograron notar el agujero negro solo en el momento de su "comida": la absorción de otra estrella, en este momento aparece la radiación característica, que ya se puede observar. Así, la teoría del agujero negro ha encontrado una confirmación real.
Propiedades de los agujeros negros
La principal propiedad de un agujero negro es su increíble campos gravitacionales, no permitiendo que el espacio y el tiempo circundantes permanezcan en su estado habitual. Sí, escuchaste bien, el tiempo dentro de un agujero negro pasa muchas veces más lento de lo habitual, y si estuvieras allí, cuando regresaras (si tuvieras tanta suerte, por supuesto), te sorprendería saber que han pasado siglos. en la Tierra, y ni siquiera has envejecido, has llegado a tiempo. Aunque seamos sinceros, si estuvieras dentro de un agujero negro difícilmente sobrevivirías, ya que allí la fuerza de gravedad es tal que cualquier objeto material simplemente sería despedazado, ni siquiera en pedazos, en átomos.
Pero si estuvieras siquiera cerca de un agujero negro, dentro de la influencia de su campo gravitacional, también lo pasarías mal, ya que cuanto más resistieras su gravedad, intentando volar, más rápido caerías en él. La razón de esta aparente paradoja es el campo de vórtice gravitacional que poseen todos los agujeros negros.
¿Qué pasa si una persona cae en un agujero negro?
Evaporación de agujeros negros.
El astrónomo inglés S. Hawking descubrió un hecho interesante: los agujeros negros también parecen emitir evaporación. Es cierto que esto sólo se aplica a agujeros de masa relativamente pequeña. La poderosa gravedad que los rodea da origen a pares de partículas y antipartículas, una de las cuales es arrastrada hacia adentro por el agujero y la segunda es expulsada. Así, el agujero negro emite antipartículas duras y rayos gamma. Esta evaporación o radiación de un agujero negro lleva el nombre del científico que la descubrió: "radiación de Hawking".
El agujero negro más grande
Según la teoría de los agujeros negros, en el centro de casi todas las galaxias se encuentran enormes agujeros negros con masas que van desde varios millones hasta varios miles de millones. masas solares. Y hace relativamente poco tiempo, los científicos descubrieron los dos agujeros negros más grandes conocidos hasta la fecha que se encuentran en dos galaxias cercanas: NGC 3842 y NGC 4849;
NGC 3842 es la galaxia más brillante de la constelación de Leo, ubicada a 320 millones de años luz de nosotros. En su centro hay un enorme agujero negro que pesa 9,7 mil millones de masas solares.
NGC 4849, una galaxia del cúmulo de Coma, a 335 millones de años luz de distancia, cuenta con un agujero negro igualmente impresionante.
Las áreas de influencia del campo gravitacional de estos agujeros negros gigantes, o hablando lenguaje academico, su horizonte de sucesos, está aproximadamente a 5 veces la distancia del Sol a! Un agujero negro así se comería nuestro sistema solar y ni siquiera me ahogaría.
El agujero negro más pequeño
Pero en la gran familia de los agujeros negros también hay representantes muy pequeños. Así, el agujero negro más enano descubierto por los científicos hasta la fecha tiene sólo 3 veces la masa de nuestro Sol. Esencialmente esto mínimo teórico, necesario para la formación de un agujero negro, si esa estrella fuera un poco más pequeña, el agujero no se habría formado.
Los agujeros negros son caníbales
Sí, existe tal fenómeno, como escribimos anteriormente, los agujeros negros son una especie de “aspiradoras galácticas” que absorben todo lo que les rodea, incluidos... otros agujeros negros. Recientemente, los astrónomos descubrieron que un agujero negro de una galaxia estaba siendo devorado por un glotón negro aún más grande de otra galaxia.
- Según las hipótesis de algunos científicos, los agujeros negros no son sólo aspiradoras galácticas que aspiran todo hacia sí, sino que, en determinadas circunstancias, ellos mismos pueden dar origen a nuevos universos.
- Los agujeros negros pueden evaporarse con el tiempo. Escribimos anteriormente que el científico inglés Stephen Hawking descubrió que los agujeros negros tienen la propiedad de emitir radiación y después de un período de tiempo muy largo, cuando no quede nada que absorber, el agujero negro comenzará a evaporarse más, hasta que con el tiempo dé toda su masa al espacio circundante. Aunque esto es sólo una suposición, una hipótesis.
- Los agujeros negros ralentizan el tiempo y curvan el espacio. Ya hemos escrito sobre la dilatación del tiempo, pero el espacio en las condiciones de un agujero negro también será completamente curvado.
- Los agujeros negros limitan el número de estrellas en el Universo. Es decir, sus campos gravitacionales impiden el enfriamiento de las nubes de gas en el espacio, de las que, como se sabe, nacen nuevas estrellas.
Agujeros negros en Discovery Channel, vídeo
Y para concluir, os ofrecemos un interesante documental científico sobre los agujeros negros del Discovery Channel.
