Čierna diera je špeciálna oblasť vo vesmíre. Je to určitá akumulácia čiernej hmoty, ktorá je schopná vtiahnuť do seba a absorbovať iné objekty v priestore. Fenomén čiernych dier stále nie je. Všetky dostupné údaje sú len teórie a predpoklady vedcov astronómov.
Názov „čierna diera“ vymyslel vedec J.A. Wheeler v roku 1968 na Princetonskej univerzite.
Existuje teória, že čierne diery sú hviezdy, ale nezvyčajné, napríklad neutrónové. Čierna diera - - pretože má veľmi vysokú hustotu luminiscencie a nevysiela absolútne žiadne žiarenie. Preto nie je neviditeľný ani v infračervenom, ani v röntgenovom, ani v rádiovom žiarení.
Francúzsky astronóm P. Laplace objavil túto situáciu 150 rokov pred čiernymi dierami. Podľa jeho argumentov, ak má hustotu rovnajúcu sa hustote Zeme a priemer 250-krát väčší ako priemer Slnka, potom svojou gravitáciou neumožňuje šírenie svetelných lúčov po celom vesmíre, a preto zostáva neviditeľný. Predpokladá sa teda, že čierne diery sú najsilnejšie emitujúce objekty vo vesmíre, ale nemajú pevný povrch.
Vlastnosti čiernych dier
Všetky predpokladané vlastnosti čiernych dier sú založené na teórii relativity, ktorú v 20. storočí odvodil A. Einstein. Žiadny tradičný prístup k štúdiu tohto javu neposkytuje žiadne presvedčivé vysvetlenie fenoménu čiernych dier.
Hlavnou vlastnosťou čiernej diery je schopnosť ohýbať čas a priestor. Akýkoľvek pohybujúci sa objekt zachytený v jeho gravitačnom poli bude nevyhnutne vtiahnutý dovnútra, pretože... v tomto prípade sa okolo objektu objaví hustý gravitačný vír, akýsi lievik. Zároveň sa mení pojem času. Vedci sa podľa výpočtov stále prikláňajú k záveru, že čierne diery nie sú nebeské telesá vo všeobecne akceptovanom zmysle. Sú to skutočne akési diery, červie diery v čase a priestore, schopné ho meniť a zahusťovať.
Čierna diera je uzavretá oblasť priestoru, do ktorej je stlačená hmota a z ktorej nemôže nič uniknúť, ani svetlo.
Podľa výpočtov astronómov, so silným gravitačným poľom, ktoré existuje vo vnútri čiernych dier, nemôže zostať nezranený ani jeden objekt. Okamžite sa roztrhne na miliardy kúskov, kým sa vôbec dostane dovnútra. To však nevylučuje možnosť výmeny častíc a informácií s ich pomocou. A ak má čierna diera hmotnosť aspoň miliardu krát väčšiu ako hmotnosť Slnka (supermasívna), potom je teoreticky možné, aby sa cez ňu objekty pohybovali bez toho, aby ich roztrhla gravitácia.
Samozrejme, sú to iba teórie, pretože výskum vedcov je stále príliš vzdialený od pochopenia toho, aké procesy a schopnosti skrývajú čierne diery. Je dosť možné, že sa niečo podobné môže stať aj v budúcnosti.
Čierne diery sú jediné kozmické telesá schopné priťahovať svetlo gravitáciou. Sú to tiež najväčšie objekty vo vesmíre. Je nepravdepodobné, že sa v blízkej dobe dozvieme, čo sa stane v blízkosti ich horizontu udalostí (známeho ako „bod, odkiaľ niet návratu“). Ide o najzáhadnejšie miesta nášho sveta, o ktorých sa napriek desaťročiam výskumu stále vie veľmi málo. Tento článok obsahuje 10 faktov, ktoré možno označiť za najzaujímavejšie.
Čierne diery nenasávajú hmotu.
Mnoho ľudí si čiernu dieru predstavuje ako akýsi „vesmírny vysávač“, ktorý kreslí okolitý priestor. V skutočnosti sú čierne diery obyčajné vesmírne objekty, ktoré majú mimoriadne silné gravitačné pole.
Ak by na mieste Slnka vznikla čierna diera rovnakej veľkosti, Zem by nebola vtiahnutá, otáčala by sa na rovnakej dráhe ako dnes. Hviezdy nachádzajúce sa vedľa čiernych dier strácajú časť svojej hmoty vo forme hviezdneho vetra (to sa deje počas existencie akejkoľvek hviezdy) a čierne diery pohlcujú iba túto hmotu.
Existenciu čiernych dier predpovedal Karl Schwarzschild
Karl Schwarzschild bol prvý, kto použil Einsteinovu teóriu všeobecnej relativity, aby dokázal existenciu „bodu, odkiaľ niet návratu“. Sám Einstein o čiernych dierach neuvažoval, hoci jeho teória ich existenciu predpovedá.
Schwarzschild predložil svoj návrh v roku 1915, hneď po tom, čo Einstein zverejnil svoju všeobecnú teóriu relativity. V tom čase vznikol pojem „Schwarzschildov rádius“ – to je hodnota, ktorá ukazuje, ako veľmi by ste museli stlačiť objekt, aby sa z neho stala čierna diera.
Čiernou dierou sa teoreticky môže stať čokoľvek, ak je dostatočne stlačené. Čím je objekt hustejší, tým silnejšie je gravitačné pole, ktoré vytvára. Napríklad Zem by sa stala čiernou dierou, ak by mala hmotnosť objektu veľkosti arašidu.
Čierne diery môžu zrodiť nové vesmíry
Myšlienka, že čierne diery môžu zrodiť nové vesmíry, sa zdá byť absurdná (najmä preto, že si stále nie sme istí existenciou iných vesmírov). Vedci však takéto teórie aktívne rozvíjajú.
Veľmi zjednodušená verzia jednej z týchto teórií je nasledovná. Náš svet má mimoriadne priaznivé podmienky pre vznik života v ňom. Ak by sa ktorákoľvek z fyzikálnych konštánt čo i len trochu zmenila, neboli by sme na tomto svete. Jedinečnosť čiernych dier má prednosť pred normálnymi fyzikálnymi zákonmi a mohla by (aspoň teoreticky) viesť k vzniku nového vesmíru, ktorý sa bude líšiť od nášho.
Čierne diery vás (a čokoľvek iné) môžu zmeniť na špagety
Čierne diery naťahujú objekty, ktoré sú v ich blízkosti. Tieto položky sa začínajú podobať špagetám (existuje dokonca aj špeciálny výraz - „špagetifikácia“).
To sa deje v dôsledku spôsobu fungovania gravitácie. V súčasnosti sú vaše nohy bližšie k stredu Zeme ako vaša hlava, takže sú priťahované silnejšie. Na povrchu čiernej diery začne rozdiel v gravitácii pôsobiť proti vám. Nohy sú čoraz rýchlejšie priťahované do stredu čiernej diery, takže horná polovica tela s nimi nestíha držať krok. Výsledok: špagetovanie!
Čierne diery sa časom vyparujú
Čierne diery nielen pohlcujú hviezdny vietor, ale sa aj vyparujú. Tento jav bol objavený v roku 1974 a nazval ho Hawkingovo žiarenie (podľa Stephena Hawkinga, ktorý objav uskutočnil).
Čierna diera môže časom spolu s týmto žiarením uvoľniť všetku svoju hmotu do okolitého priestoru a zmiznúť.
Čierne diery spomaľujú čas v ich blízkosti
Keď sa blížite k horizontu udalostí, čas sa spomaľuje. Aby sme pochopili, prečo sa to deje, musíme sa pozrieť na „paradox dvojčiat“, myšlienkový experiment, ktorý sa často používa na ilustráciu základných princípov Einsteinovej teórie všeobecnej relativity.
Jedno z dvojčiat zostáva na Zemi a druhé odletí na vesmírnu cestu a pohybuje sa rýchlosťou svetla. Po návrate na Zem dvojča zisťuje, že jeho brat zostarol viac ako on, pretože čas sa pohybuje pomalšie, keď sa pohybuje blízko rýchlosti svetla.
Keď sa priblížite k horizontu udalostí čiernej diery, budete sa pohybovať takou vysokou rýchlosťou, že sa vám spomalí čas.
Čierne diery sú najpokročilejšie energetické systémy
Čierne diery generujú energiu lepšie ako Slnko a iné hviezdy. Je to spôsobené hmotou, ktorá okolo nich obieha. Hmota na obežnej dráhe čiernej diery, ktorá prekročí horizont udalostí obrovskou rýchlosťou, sa zahreje na extrémne vysoké teploty. Toto sa nazýva žiarenie čierneho telesa.
Pre porovnanie, jadrová fúzia premieňa 0,7 % hmoty na energiu. V blízkosti čiernej diery sa 10 % hmoty stáva energiou!
Čierne diery ohýbajú priestor okolo seba
Priestor si možno predstaviť ako natiahnutú gumenú dosku, na ktorej sú nakreslené čiary. Ak na záznam položíte predmet, zmení svoj tvar. Čierne diery fungujú rovnako. Ich extrémna hmotnosť priťahuje všetko, vrátane svetla (ktorého lúče, aby sme pokračovali v analógii, by sme mohli nazvať čiarami na tanieri).
Čierne diery obmedzujú počet hviezd vo vesmíre
Hviezdy vznikajú z oblakov plynu. Aby sa mohla začať formovať hviezda, oblak sa musí ochladiť.
Žiarenie z čiernych telies bráni ochladzovaniu oblakov plynu a bráni vzniku hviezd.
Čiernou dierou sa teoreticky môže stať akýkoľvek objekt
Jediný rozdiel medzi našim Slnkom a čiernou dierou je sila gravitácie. V strede čiernej diery je oveľa silnejší ako v strede hviezdy. Ak by bolo naše Slnko stlačené na priemer asi päť kilometrov, mohla by to byť čierna diera.
Čiernou dierou sa teoreticky môže stať čokoľvek. V praxi vieme, že čierne diery vznikajú len v dôsledku kolapsu obrovských hviezd, ktorých hmotnosť je 20-30-krát väčšia ako hmotnosť Slnka.
Čierne diery, temná hmota, temná hmota... Toto sú nepochybne najzvláštnejšie a najzáhadnejšie objekty vo vesmíre. Ich bizarné vlastnosti môžu napadnúť zákony fyziky vesmíru a dokonca aj povahu existujúcej reality. Aby sme pochopili, čo sú čierne diery, vedci navrhujú „zmeniť svoje zameranie“, naučiť sa myslieť mimo rámca a použiť trochu fantázie. Čierne diery vznikajú z jadier superhmotných hviezd, ktoré možno opísať ako oblasť vesmíru, kde sa v prázdnote sústreďuje obrovská hmota a nič, dokonca ani svetlo, nemôže uniknúť tamojšej gravitácii. Toto je oblasť, kde druhá úniková rýchlosť prevyšuje rýchlosť svetla: A čím je objekt pohybu hmotnejší, tým rýchlejšie sa musí pohybovať, aby sa zbavil sily svojej gravitácie. Toto je známe ako úniková rýchlosť.
Collier's Encyclopedia nazýva čierne diery oblasťou vo vesmíre, ktorá vzniká v dôsledku úplného gravitačného kolapsu hmoty, v ktorej je gravitačná príťažlivosť taká silná, že ju nemôže opustiť ani hmota, ani svetlo, ani iné nosiče informácií. Preto vnútro čiernej diery nie je kauzálne spojené so zvyškom vesmíru; Fyzikálne procesy prebiehajúce vo vnútri čiernej diery nemôžu ovplyvniť procesy mimo nej. Čierna diera je obklopená povrchom s vlastnosťou jednosmernej membrány: hmota a žiarenie cez ňu voľne prepadajú do čiernej diery, ale nič odtiaľ nemôže uniknúť. Tento povrch sa nazýva „horizont udalostí“.
História objavovania
Čierne diery, ktoré predpovedala všeobecná teória relativity (teória gravitácie navrhnutá Einsteinom v roku 1915) a ďalšie, modernejšie teórie gravitácie, boli matematicky podložené R. Oppenheimerom a H. Snyderom v roku 1939. Ale vlastnosti priestoru a čas v blízkosti týchto objektov sa ukázal byť taký nezvyčajný, že astronómovia a fyzici ich 25 rokov nebrali vážne. Astronomické objavy v polovici 60. rokov však vyniesli na povrch čierne diery ako možnú fyzikálnu realitu. Nové objavy a štúdie by mohli zásadne zmeniť naše chápanie priestoru a času a osvetliť miliardy kozmických záhad.
Vznik čiernych dier
Zatiaľ čo v útrobách hviezdy prebiehajú termonukleárne reakcie, udržiavajú si vysokú teplotu a tlak, čím bránia tomu, aby sa hviezda zrútila pod vplyvom vlastnej gravitácie. Jadrové palivo sa však časom vyčerpá a hviezda sa začne zmenšovať. Výpočty ukazujú, že ak hmotnosť hviezdy nepresiahne tri hmotnosti Slnka, potom vyhrá „bitku s gravitáciou“: jej gravitačný kolaps zastaví tlak „degenerovanej“ hmoty a hviezda sa navždy zmení na biely trpaslík alebo neutrónová hviezda. Ale ak je hmotnosť hviezdy viac ako tri slnečné, nič nemôže zastaviť jej katastrofický kolaps a rýchlo sa dostane pod horizont udalostí a stane sa čiernou dierou.
Čierna diera je šišková diera?
Čo nevyžaruje svetlo, nie je ľahké si všimnúť. Jedným zo spôsobov, ako hľadať čiernu dieru, je hľadať oblasti vo vesmíre, ktoré majú veľkú hmotnosť a nachádzajú sa v tmavom priestore. Pri hľadaní týchto typov objektov ich astronómovia našli v dvoch hlavných oblastiach: v centrách galaxií a v dvojhviezdnych sústavách našej Galaxie. Vedci naznačujú, že celkovo existujú desiatky miliónov takýchto objektov.
V súčasnosti je jediným spoľahlivým spôsobom, ako odlíšiť čiernu dieru od iného typu objektu, zmerať hmotnosť a veľkosť objektu a porovnať jeho polomer s
Aby sa vytvorila čierna diera, je potrebné stlačiť teleso na určitú kritickú hustotu, aby sa polomer stlačeného telesa rovnal jeho gravitačnému polomeru. Hodnota tejto kritickej hustoty je nepriamo úmerná druhej mocnine hmotnosti čiernej diery.
Pre typickú čiernu dieru s hviezdnou hmotnosťou ( M=10M Slnko) gravitačný polomer je 30 km a kritická hustota je 2·10 14 g/cm 3 , teda dvesto miliónov ton na centimeter kubický. Táto hustota je veľmi vysoká v porovnaní s priemernou hustotou Zeme (5,5 g/cm3), rovná sa hustote látky atómového jadra.
Pre čiernu dieru v galaktickom jadre ( M=10 10 M Slnko) gravitačný polomer je 3·10 15 cm = 200 AU, čo je päťnásobok vzdialenosti od Slnka k Plutu (1 astronomická jednotka - priemerná vzdialenosť od Zeme k Slnku - sa rovná 150 miliónom km alebo 1,5·10 13 cm). Kritická hustota sa v tomto prípade rovná 0,2 · 10 –3 g/cm 3 , čo je niekoľkonásobne menej ako hustota vzduchu, rovná sa 1,3 · 10 –3 g/cm 3 (!).
Pre Zem ( M= 3·10 –6 M slnko), gravitačný polomer je blízky 9 mm a zodpovedajúca kritická hustota je obludne vysoká: ρ cr = 2·10 27 g/cm 3 , čo je o 13 rádov viac ako hustota atómového jadra.
Ak vezmeme nejaký pomyselný guľový lis a stlačíme Zem, pričom si zachováme jej hmotnosť, potom keď štvornásobne zmenšíme polomer Zeme (6370 km), jej druhá úniková rýchlosť sa zdvojnásobí a bude sa rovnať 22,4 km/s. Ak stlačíme Zem tak, že jej polomer bude približne 9 mm, potom druhá kozmická rýchlosť nadobudne hodnotu rovnajúcu sa rýchlosti svetla c= 300 000 km/s.
Ďalej nebude potrebný lis - Zem stlačená na takú veľkosť sa už stlačí sama. Nakoniec na mieste Zeme vznikne čierna diera, ktorej polomer horizontu udalostí sa bude blížiť k 9 mm (ak zanedbáme rotáciu vzniknutej čiernej diery). V reálnych podmienkach samozrejme neexistuje žiadny super výkonný lis - gravitácia „funguje“. To je dôvod, prečo sa čierne diery môžu tvoriť iba vtedy, keď sa zrútia vnútro veľmi hmotných hviezd, v ktorých je gravitácia dostatočne silná na to, aby stlačila hmotu na kritickú hustotu.
Evolúcia hviezd
Čierne diery vznikajú v záverečných fázach vývoja masívnych hviezd. V hĺbkach obyčajných hviezd dochádza k termonukleárnym reakciám, uvoľňuje sa obrovská energia a udržiava sa vysoká teplota (desiatky a stovky miliónov stupňov). Gravitačné sily majú tendenciu hviezdu stláčať a tlakové sily horúceho plynu a žiarenia tomuto stláčaniu odolávajú. Preto je hviezda v hydrostatickej rovnováhe.
Okrem toho môže hviezda existovať v tepelnej rovnováhe, keď sa energia uvoľnená v dôsledku termonukleárnych reakcií v jej strede presne rovná výkonu, ktorý hviezda vyžaruje z povrchu. Keď sa hviezda zmršťuje a rozširuje, tepelná rovnováha je narušená. Ak je hviezda nehybná, potom sa jej rovnováha nastaví tak, že negatívna potenciálna energia hviezdy (energia gravitačnej kompresie) v absolútnej hodnote je vždy dvojnásobkom tepelnej energie. Z tohto dôvodu má hviezda úžasnú vlastnosť - negatívnu tepelnú kapacitu. Obyčajné telesá majú pozitívnu tepelnú kapacitu: zahriaty kus železa, ktorý sa ochladzuje, teda stráca energiu, znižuje jeho teplotu. Pre hviezdu je to naopak: čím viac energie stratí vo forme žiarenia, tým vyššia bude teplota v jej strede.
Táto na prvý pohľad zvláštna vlastnosť má jednoduché vysvetlenie: hviezda sa pri vyžarovaní pomaly sťahuje. Pri kompresii sa potenciálna energia premieňa na kinetickú energiu padajúcich vrstiev hviezdy a jej vnútro sa zahrieva. Navyše tepelná energia získaná hviezdou v dôsledku kompresie je dvakrát väčšia ako energia stratená vo forme žiarenia. V dôsledku toho sa teplota vo vnútri hviezdy zvyšuje a dochádza k nepretržitej termonukleárnej syntéze chemických prvkov. Napríklad reakcia premeny vodíka na hélium v súčasnom Slnku prebieha pri teplote 15 miliónov stupňov. Keď sa po 4 miliardách rokov v strede Slnka všetok vodík zmení na hélium, na ďalšiu syntézu atómov uhlíka z atómov hélia bude potrebná výrazne vyššia teplota, asi 100 miliónov stupňov (elektrický náboj jadier hélia je dvakrát vyššia ako u jadier vodíka a na priblíženie jadier hélia na vzdialenosť 10–13 cm je potrebná oveľa vyššia teplota). Práve táto teplota bude zabezpečená vďaka negatívnej tepelnej kapacite Slnka, kým sa v jeho hĺbkach zapáli termonukleárna reakcia premeny hélia na uhlík.
Bieli trpaslíci
Ak je hmotnosť hviezdy malá, takže hmotnosť jej jadra ovplyvneného termonukleárnymi premenami je menšia ako 1,4 M Slnko, termonukleárna fúzia chemických prvkov môže prestať v dôsledku takzvanej degenerácie elektrónového plynu v jadre hviezdy. Najmä tlak degenerovaného plynu závisí od hustoty, ale nezávisí od teploty, pretože energia kvantových pohybov elektrónov je oveľa väčšia ako energia ich tepelného pohybu.
Vysoký tlak degenerovaného elektrónového plynu účinne pôsobí proti silám gravitačnej kompresie. Keďže tlak nezávisí od teploty, strata energie hviezdy vo forme žiarenia nevedie ku kompresii jej jadra. V dôsledku toho sa gravitačná energia neuvoľňuje ako dodatočné teplo. Preto sa teplota vo vyvíjajúcom sa degenerovanom jadre nezvyšuje, čo vedie k prerušeniu reťazca termonukleárnych reakcií.
Vonkajší vodíkový obal, neovplyvnený termonukleárnymi reakciami, sa oddelí od jadra hviezdy a vytvorí planetárnu hmlovinu, žiariacu v emisných čiarach vodíka, hélia a iných prvkov. Centrálne kompaktné a relatívne horúce jadro vyvinutej hviezdy s nízkou hmotnosťou je biely trpaslík - objekt s polomerom rádovo ako polomer Zeme (~10 4 km), hmotnosťou menšou ako 1,4 M slnko a priemerná hustota asi tona na centimeter kubický. Bieli trpaslíci sú pozorovaní vo veľkom počte. Ich celkový počet v Galaxii dosahuje 10 10, teda asi 10 % celkovej hmotnosti pozorovateľnej hmoty Galaxie.
Termonukleárne horenie v degenerovanom bielom trpaslíkovi môže byť nestabilné a viesť k jadrovému výbuchu dostatočne masívneho bieleho trpaslíka s hmotnosťou blízkou takzvanej Chandrasekharovej hranici (1,4 M slnko). Takéto výbuchy vyzerajú ako supernovy typu I, ktoré nemajú vo svojom spektre žiadne vodíkové čiary, ale iba čiary hélia, uhlíka, kyslíka a iných ťažkých prvkov.
Neutrónové hviezdy
Ak je jadro hviezdy degenerované, potom keď sa jej hmotnosť blíži k hranici 1,4 M slnko, obvyklú degeneráciu elektrónového plynu v jadre nahrádza takzvaná relativistická degenerácia.
Kvantové pohyby degenerovaných elektrónov sú také rýchle, že ich rýchlosť sa blíži rýchlosti svetla. V tomto prípade sa elasticita plynu znižuje, jeho schopnosť pôsobiť proti silám gravitácie klesá a hviezda zažíva gravitačný kolaps. Počas kolapsu sú elektróny zachytené protónmi a dochádza k neutronizácii látky. To vedie k vytvoreniu neutrónovej hviezdy z masívneho degenerovaného jadra.
Ak počiatočná hmotnosť jadra hviezdy presiahne 1,4 M slnko, potom sa v jadre dosiahne vysoká teplota a počas celého jeho vývoja nedochádza k degenerácii elektrónov. V tomto prípade funguje negatívna tepelná kapacita: keď hviezda stráca energiu vo forme žiarenia, teplota v jej hĺbke sa zvyšuje a existuje nepretržitý reťazec termonukleárnych reakcií premieňajúcich vodík na hélium, hélium na uhlík, uhlík na kyslík a tak ďalej, až po prvky skupiny železa. K reakcii termonukleárnej fúzie jadier prvkov ťažších ako železo už nedochádza pri uvoľňovaní, ale pri pohlcovaní energie. Ak teda hmotnosť jadra hviezdy, pozostávajúceho hlavne z prvkov skupiny železa, prekročí Chandrasekharovu hranicu 1,4 M slnko , ale menej ako takzvaný Oppenheimer-Volkov limit ~3 M Slnko, potom na konci jadrovej evolúcie hviezdy dôjde ku gravitačnému kolapsu jadra, v dôsledku čoho dôjde k uvoľneniu vonkajšieho vodíkového obalu hviezdy, čo je pozorované ako výbuch supernovy typu II v spektre ktoré mohutné vodíkové čiary sú pozorované.
Kolaps železného jadra vedie k vytvoreniu neutrónovej hviezdy.
Keď je masívne jadro hviezdy, ktorá sa dostala do neskorého štádia vývoja, stlačené, teplota stúpne na gigantické hodnoty rádovo miliardy stupňov, keď sa jadrá atómov začnú rozpadať na neutróny a protóny. Protóny pohlcujú elektróny a menia sa na neutróny, pričom emitujú neutrína. Neutróny sa podľa kvantovomechanického Pauliho princípu pri silnom stlačení začnú navzájom účinne odpudzovať.
Keď je hmotnosť kolabujúceho jadra menšia ako 3 M Slnko, rýchlosti neutrónov sú výrazne menšie ako rýchlosť svetla a elasticita hmoty vďaka efektívnemu odpudzovaniu neutrónov môže vyrovnávať gravitačné sily a viesť k vzniku stabilnej neutrónovej hviezdy.
Možnosť existencie neutrónových hviezd prvýkrát predpovedal v roku 1932 vynikajúci sovietsky fyzik Landau hneď po objavení neutrónu v laboratórnych experimentoch. Polomer neutrónovej hviezdy sa blíži k 10 km, jej priemerná hustota je stovky miliónov ton na centimeter kubický.
Keď je hmotnosť kolabujúceho jadra hviezdy väčšia ako 3 M Slnko, potom sa podľa existujúcich predstáv výsledná neutrónová hviezda, ochladzujúca, zrúti do čiernej diery. Kolaps neutrónovej hviezdy do čiernej diery je uľahčený aj spätným pádom časti obalu hviezdy, vymrštenej počas výbuchu supernovy.
Neutrónová hviezda sa zvyčajne otáča rýchlo, pretože normálna hviezda, ktorá ju zrodila, môže mať významný uhlový moment. Keď sa jadro hviezdy zrúti na neutrónovú hviezdu, charakteristické rozmery hviezdy sa zmenšia R= 10 5 – 10 6 km do R≈ 10 km. S klesajúcou veľkosťou hviezdy sa zmenšuje jej moment zotrvačnosti. Aby sa zachoval moment hybnosti, musí sa rýchlosť axiálnej rotácie prudko zvýšiť. Napríklad, ak sa Slnko, rotujúce s periódou asi mesiaca, stlačí na veľkosť neutrónovej hviezdy, potom sa rotácia zníži na 10 – 3 sekundy.
Jednotlivé neutrónové hviezdy so silným magnetickým poľom sa prejavujú ako rádiové pulzary – zdroje striktne periodických impulzov rádiovej emisie, ktoré vznikajú, keď sa energia rýchlej rotácie neutrónovej hviezdy premení na usmernenú rádiovú emisiu. V binárnych systémoch vykazujú pribúdajúce neutrónové hviezdy fenomén röntgenového pulzaru a röntgenového bursteru typu 1.
Od čiernej diery nemožno očakávať striktne periodické pulzácie žiarenia, pretože čierna diera nemá žiadny pozorovateľný povrch a žiadne magnetické pole. Ako fyzici často hovoria, čierne diery nemajú „vlasy“ – všetky polia a všetky nehomogenity v blízkosti horizontu udalostí sa vyžarujú, keď sa čierna diera vytvorí z kolabujúcej hmoty vo forme prúdu gravitačných vĺn. Výsledkom je, že výsledná čierna diera má iba tri charakteristiky: hmotnosť, moment hybnosti a elektrický náboj. Pri vytváraní čiernej diery sa zabúda na všetky jednotlivé vlastnosti rozpadajúcej sa látky: napríklad čierne diery vytvorené zo železa a z vody majú pri ostatných rovnakých vlastnostiach rovnaké vlastnosti.
Ako predpovedá Všeobecná teória relativity (GR), hviezdy, ktorých hmotnosť železného jadra na konci svojho vývoja presahuje 3 M slnko, zažijete neobmedzenú kompresiu (relativistický kolaps) s vytvorením čiernej diery. Vysvetľuje to skutočnosť, že vo všeobecnej teórii relativity sú gravitačné sily, ktoré majú tendenciu stláčať hviezdu, určené hustotou energie a pri obrovských hustotách hmoty dosiahnutej počas stláčania takého masívneho jadra hviezdy je hlavným príspevkom k hustote energie. už nie je tvorená pokojovou energiou častíc, ale energiou ich pohybu a interakcie. Ukazuje sa, že vo všeobecnej teórii relativity sa zdá, že tlak látky pri veľmi vysokých hustotách „váži“ sám seba: čím väčší je tlak, tým väčšia je hustota energie a následne tým väčšie sú gravitačné sily, ktoré majú tendenciu látku stláčať. Okrem toho v silných gravitačných poliach nadobúdajú zásadný význam efekty časopriestorového zakrivenia, ktoré tiež prispievajú k neobmedzenej kompresii jadra hviezdy a jej premene na čiernu dieru (obr. 3).
Na záver poznamenávame, že čierne diery vytvorené v našej ére (napríklad čierna diera v systéme Cygnus X-1), prísne vzaté, nie sú stopercentnými čiernymi dierami, pretože kvôli relativistickej dilatácii času pre vzdialeného pozorovateľa, ich horizonty udalostí sa ešte nevytvorili. Povrchy takýchto kolabujúcich hviezd sa pozorovateľovi na Zemi javia ako zamrznuté a nekonečne sa približujú k horizontom udalostí.
Aby čierne diery z takýchto kolabujúcich objektov konečne vznikli, musíme počkať celý nekonečne dlhý čas existencie nášho Vesmíru. Treba však zdôrazniť, že už v prvých sekundách relativistického kolapsu sa povrch kolabujúcej hviezdy pre pozorovateľa zo Zeme priblíži veľmi blízko k horizontu udalostí a všetky procesy na tomto povrchu sa nekonečne spomaľujú.
Tajomné a nepolapiteľné čierne diery. Fyzikálne zákony potvrdzujú možnosť ich existencie vo vesmíre, no stále zostáva veľa otáznikov. Početné pozorovania ukazujú, že vo vesmíre existujú diery a existuje viac ako milión týchto objektov.
Čo sú čierne diery?
V roku 1915, pri riešení Einsteinových rovníc, bol predpovedaný jav ako „čierne diery“. Vedecká obec sa však o ne začala zaujímať až v roku 1967. Potom sa nazývali „zrútené hviezdy“, „zamrznuté hviezdy“.
Čierna diera je dnes oblasťou času a priestoru, ktorá má takú gravitáciu, že z nej nemôže uniknúť ani lúč svetla.
Ako vznikajú čierne diery?
Existuje niekoľko teórií o výskyte čiernych dier, ktoré sa delia na hypotetické a realistické. Najjednoduchšia a najrozšírenejšia realistická je teória gravitačného kolapsu veľkých hviezd.
Keď dostatočne hmotná hviezda pred „smrťou“ zväčší svoju veľkosť a stane sa nestabilnou, pričom spotrebuje svoje posledné palivo. Hmotnosť hviezdy zároveň zostáva nezmenená, ale jej veľkosť sa zmenšuje, keď dochádza k takzvanému zhusťovaniu. Inými slovami, pri zhutnení ťažké jadro „spadne“ do seba. Paralelne s tým zhutňovanie vedie k prudkému zvýšeniu teploty vo vnútri hviezdy a odtrhávajú sa vonkajšie vrstvy nebeského telesa, z ktorých vznikajú nové hviezdy. Zároveň v strede hviezdy jadro spadá do svojho vlastného „centra“. V dôsledku pôsobenia gravitačných síl sa stred zrúti do bodu - to znamená, že gravitačné sily sú také silné, že pohltia zhutnené jadro. Takto sa rodí čierna diera, ktorá začne deformovať priestor a čas tak, že z nej nemôže uniknúť ani svetlo.
V strede všetkých galaxií je supermasívna čierna diera. Podľa Einsteinovej teórie relativity:
"Akákoľvek hmotnosť deformuje priestor a čas."
Teraz si predstavte, ako veľmi čierna diera deformuje čas a priestor, pretože jej hmotnosť je obrovská a zároveň vtesnaná do ultra malého objemu. Táto schopnosť spôsobuje nasledujúcu zvláštnosť:
„Čierne diery majú schopnosť prakticky zastaviť čas a stlačiť priestor. Kvôli tomuto extrémnemu skresleniu sa diery stávajú pre nás neviditeľnými."
Ak čierne diery nie sú viditeľné, ako vieme, že existujú?
Áno, aj keď je čierna diera neviditeľná, mala by byť viditeľná vďaka hmote, ktorá do nej spadá. Rovnako ako hviezdny plyn, ktorý pri približovaní sa k horizontu udalostí priťahuje čierna diera, teplota plynu začína stúpať na ultravysoké hodnoty, čo vedie k žiare. To je dôvod, prečo čierne diery žiaria. Vďaka tejto, aj keď slabej žiare, astronómovia a astrofyzici vysvetľujú prítomnosť objektu s malým objemom, ale obrovskou hmotnosťou v strede galaxie. V súčasnosti bolo na základe pozorovaní objavených asi 1000 objektov, ktoré sa správajú podobne ako čierne diery.
Čierne diery a galaxie
Ako môžu čierne diery ovplyvniť galaxie? Táto otázka trápi vedcov na celom svete. Existuje hypotéza, podľa ktorej sú to čierne diery nachádzajúce sa v strede galaxie, ktoré ovplyvňujú jej tvar a vývoj. A že pri zrážke dvoch galaxií sa čierne diery spoja a počas tohto procesu sa uvoľní také obrovské množstvo energie a hmoty, že vznikajú nové hviezdy.
Typy čiernych dier
- Podľa existujúcej teórie existujú tri typy čiernych dier: hviezdne, supermasívne a miniatúrne. A každý z nich bol vytvorený zvláštnym spôsobom.
- - Čierne diery hviezdnej hmotnosti, narastá do obrovských rozmerov a zrúti sa.
- Supermasívne čierne diery, ktoré môžu mať hmotnosť ekvivalentnú miliónom Sĺnk, pravdepodobne existujú v centrách takmer všetkých galaxií, vrátane našej Mliečnej dráhy. Vedci majú stále rôzne hypotézy o vzniku supermasívnych čiernych dier. Zatiaľ je známe len jedno – supermasívne čierne diery sú vedľajším produktom vzniku galaxií. Supermasívne čierne diery – od bežných sa líšia tým, že majú veľmi veľkú veľkosť, no paradoxne nízku hustotu. - - Nikomu sa zatiaľ nepodarilo odhaliť miniatúrnu čiernu dieru, ktorá by mala hmotnosť menšiu ako Slnko. Je možné, že miniatúrne diery mohli vzniknúť krátko po „veľkom tresku“, čo je presný začiatok existencie nášho vesmíru (asi pred 13,7 miliardami rokov).
- - Pomerne nedávno bol predstavený nový koncept ako „biele čierne diery“. Toto je stále hypotetická čierna diera, ktorá je opakom čiernej diery. Stephen Hawking aktívne študoval možnosť existencie bielych dier.
- - Kvantové čierne diery - existujú zatiaľ len teoreticky. Kvantové čierne diery môžu vzniknúť pri zrážke ultra malých častíc v dôsledku jadrovej reakcie.
- - Primárne čierne diery sú tiež teóriou. Vznikli hneď po svojom vzniku.
V súčasnosti existuje veľké množstvo otvorených otázok, na ktoré budú musieť budúce generácie ešte odpovedať. Môžu napríklad skutočne existovať takzvané „červí diery“, pomocou ktorých sa dá cestovať priestorom a časom. Čo presne sa deje vo vnútri čiernej diery a aké zákony tieto javy dodržiavajú. A čo zmiznutie informácií v čiernej diere?
