Tako za znanstvenike preteklih stoletij kot za raziskovalce našega časa je največja skrivnost vesolja črna luknja. Kaj je znotraj tega fiziki popolnoma neznanega sistema? Kateri zakoni tam veljajo? Kako teče čas v črni luknji in zakaj od tam ne morejo uiti niti svetlobni kvanti? Zdaj bomo seveda skušali z vidika teorije in ne prakse razumeti, kaj je znotraj črne luknje, zakaj je načeloma nastala in obstaja, kako privlači predmete, ki jo obkrožajo.
Najprej opišemo ta predmet
Torej, črna luknja je določeno področje vesolja v vesolju. Nemogoče ga je izolirati kot ločeno zvezdo ali planet, saj ni trden in ne plinsko telo. Brez osnovnega razumevanja, kaj je prostor-čas in kako se lahko te dimenzije spreminjajo, je nemogoče razumeti, kaj je v črni luknji. Gre za to, da to območje ni samo prostorska enota. ki izkrivlja tako tri razsežnosti, ki jih poznamo (dolžino, širino in višino), kot tudi časovnico. Znanstveniki so prepričani, da v območju obzorja (tako imenovano območje, ki obdaja luknjo) čas dobi prostorski pomen in se lahko premika naprej in nazaj.
Spoznajmo skrivnosti gravitacije
Če želimo razumeti, kaj je v črni luknji, si poglejmo pobližje, kaj je gravitacija. Prav ta pojav je ključen pri razumevanju narave tako imenovanih "črvtin", iz katerih ne more uiti niti svetloba. Gravitacija je interakcija med vsemi telesi, ki imajo materialno osnovo. Moč te gravitacije je odvisna od molekularne sestave teles, od koncentracije atomov, pa tudi od njihove sestave. Več ko se delcev zruši na določenem območju prostora, več jih je gravitacijska sila. To je neločljivo povezano s teorijo veliki pok, ko je bilo naše vesolje veliko kot grah. To je bilo stanje največje singularnosti in kot posledica bliska svetlobnih kvantov se je prostor začel širiti zaradi dejstva, da so se delci medsebojno odbijali. Znanstveniki opisujejo črno luknjo ravno nasprotno. Kaj je znotraj take stvari v skladu z TBZ? Singularnost, ki je enaka indikatorjem, ki so značilni za naše vesolje v trenutku njegovega rojstva.
Kako snov pride v črvino?
Obstaja mnenje, da človek nikoli ne bo mogel razumeti, kaj se dogaja v črni luknji. Ker ko bo tam, ga bo gravitacija in sila težnosti dobesedno zdrobila. Pravzaprav to ne drži povsem. Da, res, črna luknja je območje singularnosti, kjer je vse stisnjeno do maksimuma. Toda to sploh ni "vesoljski sesalnik", ki bi lahko posrkal vse planete in zvezde. katera koli materialni predmet, ki se znajde na obzorju dogodkov, bo opazil močno distorzijo prostora in časa (zaenkrat ti enoti stojita ločeno). Evklidski geometrijski sistem bo začel delovati nepravilno, z drugimi besedami, sekali se bodo in obrisi stereometričnih likov ne bodo več poznani. Kar zadeva čas, se bo postopoma upočasnil. Bolj kot se približujete luknji, počasneje se bo ura premikala glede na zemeljski čas, vendar tega ne boste opazili. Pri padcu v črvino bo telo padlo s hitrostjo nič, vendar bo ta enota enaka neskončnosti. ukrivljenost, ki neskončno enači z nič, kar končno ustavi čas v območju singularnosti.
Reakcija na oddano svetlobo
Edini predmet v vesolju, ki privlači svetlobo, je črna luknja. Kaj je v njem in v kakšni obliki je tam, ni znano, vendar se domneva, da je trda tema, kar si je nemogoče predstavljati. Svetlobni kvanti Ko pridejo tja, ne izginejo kar tako. Njihova masa se pomnoži z maso singularnosti, zaradi česar je še večja in se poveča. črvina luknja»Prižgeš svetilko, da pogledaš naokoli, ne bo svetila. Emitirani kvanti se bodo nenehno množili z maso luknje, vi pa boste, grobo rečeno, samo poslabšali svoj položaj.
Črne luknje na vsakem koraku
Kot smo že ugotovili, je osnova nastanka gravitacija, katere obseg je milijonkrat večji kot na Zemlji. Natančno predstavo o tem, kaj je črna luknja, je svetu dal Karl Schwarzschild, ki je pravzaprav odkril sam obzorje dogodkov in točko brez vrnitve ter ugotovil, da je nič v stanju singularnosti enaka neskončnost. Po njegovem mnenju lahko črna luknja nastane kjerkoli v vesolju. V tem primeru mora doseči določen materialni predmet sferične oblike gravitacijski polmer. Na primer, masa našega planeta se mora prilegati prostornini enega graha, da postane črna luknja. In Sonce bi moralo imeti s svojo maso premer 5 kilometrov - takrat bo njegovo stanje postalo singularno.
Horizont za nastanek novega sveta
Zakoni fizike in geometrije popolnoma delujejo na zemlji in v njej vesolje, kjer se prostor približuje vakuumu. Toda na obzorju dogodkov popolnoma izgubijo svoj pomen. Zato z matematična točka Z vidom je nemogoče izračunati, kaj je v črni luknji. Slike, do katerih lahko pridete, če prostor upogibate v skladu z našimi predstavami o svetu, so verjetno daleč od resnice. Ugotovljeno je bilo le, da se čas tukaj spremeni v prostorsko enoto in najverjetneje do obstoječe meritve dodanih je še nekaj. To omogoča verjeti, da se znotraj črne luknje (fotografija, kot veste, tega ne bo pokazala, saj svetloba tam poje) oblikujejo popolnoma drugačni svetovi. Ta vesolja so morda sestavljena iz antimaterije, ki znanstvenikom trenutno ni znana. Obstajajo tudi različice, da je sfera brez povratka le portal, ki vodi bodisi v drug svet bodisi v druge točke našega vesolja.
Rojstvo in smrt
Veliko več kot obstoj črne luknje je njen nastanek ali izginotje. Krogla, ki izkrivlja prostor-čas, kot smo že ugotovili, nastane kot posledica kolapsa. To je lahko eksplozija velike zvezde, trk dveh ali več teles v vesolju ipd. Toda kako je snov, ki se je teoretično lahko dotaknemo, postala domena časovnega popačenja? Uganka je v teku. Sledi pa drugo vprašanje - zakaj takšne sfere nepovrata izginjajo? In če črne luknje izhlapijo, zakaj potem ta svetloba in vsa vesoljna snov, ki so jo posrkale, ne prideta iz njih? Ko se snov v območju singularnosti začne širiti, se gravitacija postopoma zmanjšuje. Posledično se črna luknja preprosto raztopi in na njenem mestu ostane običajni vakuumski vesoljski prostor. Iz tega sledi še ena uganka - kam je šlo vse, kar je šlo vanj?
Je gravitacija naš ključ do srečne prihodnosti?
Raziskovalci so prepričani, da lahko energetsko prihodnost človeštva kroji črna luknja. Kaj je znotraj tega sistema, še ni znano, ugotovljeno pa je, da se na obzorju dogodkov vsaka snov pretvori v energijo, vendar seveda delno. Na primer, človek, ki se znajde blizu točke brez vrnitve, bo dal 10 odstotkov svoje snovi za predelavo v energijo. Ta številka je preprosto ogromna, postala je senzacija med astronomi. Dejstvo je, da se na Zemlji le 0,7 odstotka snovi pretvori v energijo.
Črne luknje so edine kozmična telesa, ki lahko privlači svetlobo z gravitacijsko silo. So tudi največji objekti v vesolju. Malo je verjetno, da bomo kmalu vedeli, kaj se zgodi blizu njihovega obzorja dogodkov (znanega kot »točka brez vrnitve«). To so najbolj skrivnostni kraji našega sveta, o katerih je kljub desetletjem raziskav še vedno zelo malo znanega. Ta članek vsebuje 10 dejstev, ki jih lahko imenujemo najbolj zanimiva.
Črne luknje ne srkajo snovi vase
Veliko ljudi si črno luknjo predstavlja kot nekakšen »vesoljski sesalnik«, ki riše v okoliški prostor. Pravzaprav so črne luknje navadna vesoljska telesa, ki imajo izjemno močno gravitacijsko polje.
Če bi na mestu Sonca nastala črna luknja enake velikosti, Zemlje ne bi potegnilo vase, vrtela bi se po isti orbiti kot danes. Zvezde, ki se nahajajo poleg črnih lukenj, izgubijo del svoje mase v obliki zvezdnega vetra (to se zgodi med obstojem katere koli zvezde) in črne luknje absorbirajo samo to snov.
Obstoj črnih lukenj je napovedal Karl Schwarzschild
Karl Schwarzschild je bil prvi, ki je uporabil Einsteinovo splošno teorijo relativnosti, da bi dokazal obstoj "točke brez vrnitve". Einstein sam ni razmišljal o črnih luknjah, čeprav njegova teorija predvideva njihov obstoj.
Schwarzschild je podal svoj predlog leta 1915, takoj potem, ko je Einstein objavil svojo splošno teorijo relativnosti. Takrat se je pojavil izraz "Schwarzschildov polmer" - to je vrednost, ki pove, koliko bi morali stisniti objekt, da bi postal črna luknja.
Teoretično lahko kar koli postane črna luknja, če je dovolj stisnjeno. Čim gostejši je objekt, tem močnejše gravitacijsko polje ustvarja. Na primer, Zemlja bi postala črna luknja, če bi imela maso predmeta velikosti arašida.
Črne luknje lahko rodijo nova vesolja
Ideja, da lahko črne luknje rodijo nova vesolja, se zdi absurdna (še posebej, ker še vedno nismo prepričani o obstoju drugih vesolj). Kljub temu znanstveniki aktivno razvijajo takšne teorije.
Zelo poenostavljena različica ene od teh teorij je naslednja. Naš svet ima izključno ugodni pogoji da se v njem pojavi življenje. Če katera od fizikalne konstantečetudi malo spremenili, nas ne bi bilo na tem svetu. Singularnost črne luknje se izniči navadni zakoni fizike in lahko (vsaj v teoriji) povzroči novo vesolje, ki bo drugačen od našega.
Črne luknje lahko spremenijo vas (in kar koli drugega) v špagete
Črne luknje raztezajo predmete, ki so blizu njih. Ti predmeti začnejo spominjati na špagete (obstaja celo poseben izraz - "špagetifikacija").
To se zgodi zaradi načina delovanja gravitacije. IN sedanji trenutek stopala so bližje središču Zemlje kot glava, zato se močneje privlačijo. Na površini črne luknje začne razlika v gravitaciji delovati proti vam. Noge središče črne luknje privlači vse hitreje, tako da jim zgornja polovica telesa ne dohaja. Rezultat: špagetiranje!
Črne luknje sčasoma izhlapijo
Črne luknje ne samo absorbirajo zvezdni veter, ampak tudi izhlapevajo. Ta pojav so odkrili leta 1974 in so ga poimenovali Hawkingovo sevanje (po Stephenu Hawkingu, ki je odkril).
Sčasoma lahko črna luknja sprosti vso svojo maso v okoliški prostor skupaj s tem sevanjem in izgine.
Črne luknje upočasnijo čas v njihovi bližini
Ko se približujete obzorju dogodkov, se čas upočasni. Da bi razumeli, zakaj se to zgodi, si moramo ogledati »paradoks dvojčkov«, miselni eksperiment, ki se pogosto uporablja za ponazoritev osnovnih načel Einsteinove teorije splošne relativnosti.
Eden od bratov dvojčkov ostane na Zemlji, drugi pa leti vesoljsko potovanje, ki se premika s svetlobno hitrostjo. Dvojček, ki se vrača na Zemljo, odkrije, da se je njegov brat postaral bolj kot on, ker med potovanjem s hitrostjo blizu svetlobne čas teče počasnejši.
Ko se približujete obzorju dogodkov črne luknje, se boste premikali s takšno hitrostjo visoka hitrost da se bo čas zate upočasnil.
Črne luknje so najnaprednejši energetski sistemi
Črne luknje proizvajajo energijo bolje kot Sonce in druge zvezde. To je posledica snovi, ki kroži okoli njih. Ko z ogromno hitrostjo prečka obzorje dogodkov, se snov v orbiti črne luknje segreje na izjemno visoke temperature. To se imenuje sevanje črnega telesa.
Za primerjavo, kdaj jedrska fuzija 0,7 % snovi se pretvori v energijo. V bližini črne luknje 10 % snovi postane energija!
Črne luknje ukrivljajo prostor okoli sebe
Prostor si lahko predstavljamo kot raztegnjeno gumijasto ploščo z narisanimi črtami. Če postavite predmet na zapis, bo spremenil svojo obliko. Črne luknje delujejo na enak način. Njihova izjemna masa privlači vse, tudi svetlobo (katere žarkom bi, če nadaljujemo analogijo, lahko rekli črte na krožniku).
Črne luknje omejujejo število zvezd v vesolju
Zvezde nastajajo iz plinskih oblakov. Za začetek nastajanja zvezd se mora oblak ohladiti.
Sevanje črnih teles preprečuje ohlajanje plinskih oblakov in preprečuje nastanek zvezd.
Teoretično lahko vsak predmet postane črna luknja
Edina razlika med našim Soncem in črno luknjo je gravitacijska sila. V središču črne luknje je veliko močnejši kot v središču zvezde. Če bi naše Sonce stisnili na približno pet kilometrov v premeru, bi lahko bila črna luknja.
Teoretično lahko karkoli postane črna luknja. V praksi vemo, da črne luknje nastanejo le kot posledica kolapsa ogromnih zvezd, ki po masi presegajo Sonce za 20-30-krat.
S. TRANKOVSKI
Med najpomembnejšimi in zanimivimi problemi moderna fizika in astrofizike je akademik V.L. Ginzburg poimenoval vprašanja, povezana s črnimi luknjami (glej »Znanost in življenje« št. 11, 12, 1999). Obstoj teh čudni predmeti je bilo napovedano že pred več kot dvesto leti, pogoji za njihov nastanek so bili natančno izračunani v poznih tridesetih letih 20. stoletja, astrofizika pa se jih je resno lotila pred manj kot štiridesetimi leti. Danes znanstvene revije Vsako leto je po vsem svetu objavljenih na tisoče člankov o črnih luknjah.
Nastanek črne luknje lahko poteka na tri načine.
Tako je običajno prikazati procese, ki se dogajajo v bližini propadajoče črne luknje. Sčasoma (Y) se prostor (X) okoli njega (osenčeno območje) skrči in hiti proti singularnosti.
Gravitacijsko polje črne luknje vnaša huda popačenja v geometrijo prostora.
Črna luknja, nevidna skozi teleskop, se razkrije le s svojim gravitacijskim vplivom.
V močnem gravitacijskem polju črne luknje se rojevajo pari delec-antidelec.
Rojstvo para delec-antidelec v laboratoriju.
KAKO NASTANEJO
Svetleč nebesno telo, ki ima gostoto, enaka gostota Zemlja in s premerom dvesto petdesetkrat večjim od premera Sonca, zaradi moči svoje gravitacije ne bo dovolila, da bi nas svetloba dosegla. Tako je možno, da največja svetleča telesa v vesolju ostanejo nevidna prav zaradi svoje velikosti.
Pierre Simon Laplace.
Razstava svetovnega sistema. 1796
Leta 1783 sta angleški matematik John Mitchell in trinajst let pozneje neodvisno od njega francoski astronom in matematik Pierre Simon Laplace opravila zelo nenavadno študijo. Preučevali so pogoje, pod katerimi svetloba ne bi mogla uiti zvezde.
Logika znanstvenikov je bila preprosta. Za vsak astronomski objekt (planet ali zvezdo) je mogoče izračunati tako imenovano ubežno hitrost oziroma drugo kozmično hitrost, ki omogoča, da ga katero koli telo ali delec za vedno zapusti. In v takratni fiziki je kraljevala Newtonova teorija, po kateri je svetloba tok delcev (pred teorijo elektromagnetni valovi in kvanti so ostali skoraj sto petdeset let). Ubežno hitrost delcev lahko izračunamo na podlagi enakosti potencialna energija na površini planeta in kinetična energija telo, ki je v nedogled »bežalo«. dolge razdalje. Ta hitrost je določena s formulo #1#
kje M- teža vesoljski objekt, R- njen polmer, G- gravitacijska konstanta.
Iz tega lahko enostavno dobimo polmer telesa dane mase (kasneje imenovan "gravitacijski radij" r g"), pri kateri je ubežna hitrost enaka svetlobni hitrosti:
To pomeni, da je zvezda stisnjena v kroglo s polmerom r g< 2GM/c 2 bo prenehal oddajati – svetloba ga ne bo mogla zapustiti. V vesolju se bo pojavila črna luknja.
Zlahka je izračunati, da se bo Sonce (njegova masa je 2,1033 g) spremenilo v črno luknjo, če se skrči na polmer približno 3 kilometre. Gostota njegove snovi bo dosegla 10 16 g/cm 3 . Polmer Zemlje, stisnjene v črno luknjo, bi se zmanjšal na približno en centimeter.
Zdelo se je neverjetno, da v naravi obstajajo sile, ki so sposobne stisniti zvezdo na tako nepomembno velikost. Zato so sklepi iz del Mitchella in Laplacea več kot sto let veljali za nekakšen matematični paradoks, ki ni imel fizičnega pomena.
Strogo matematični dokaz Dejstvo, da je tako eksotičen predmet v vesolju mogoč, je bilo pridobljeno šele leta 1916. Nemški astronom Karl Schwarzschild je po analizi enačb splošne teorije relativnosti Alberta Einsteina dobil zanimiv rezultat. S proučevanjem gibanja delca v gravitacijskem polju masivno telo, je prišel do zaključka: enačba izgublja fizični pomen(njegova rešitev gre v neskončnost), ko r= 0 in r = r g.
Točke, v katerih lastnosti polja postanejo nesmiselne, imenujemo singularne, to je posebne. Singularnost v ničelna točka odseva točko ali, kar je isto, centralno simetrično strukturo polja (navsezadnje lahko vsako sferično telo - zvezdo ali planet - predstavljamo kot materialna točka). In točke, ki se nahajajo na sferično površino polmer r g, tvorijo ravno površino, s katere je ubežna hitrost enaka svetlobni hitrosti. V splošni teoriji relativnosti se imenuje Schwarzschildova singularna sfera ali obzorje dogodkov (zakaj, bo jasno kasneje).
Že na podlagi primera nam znanih predmetov - Zemlje in Sonca - je jasno, da so črne luknje zelo čudni predmeti. Tudi astronomi, ki se ukvarjajo s snovjo pri ekstremnih vrednostih temperature, gostote in tlaka, jih imajo za zelo eksotične in do nedavnega vsi niso verjeli v njihov obstoj. Vendar pa so bili prvi znaki o možnosti nastanka črnih lukenj že v splošni teoriji relativnosti A. Einsteina, ustvarjeni leta 1915. Angleški astronom Arthur Eddington, eden prvih razlagalcev in popularizatorjev relativnostne teorije, je v 30. letih izpeljal sistem enačb, ki opisujejo notranja struktura zvezde Iz njih izhaja, da je zvezda v ravnotežju pod vplivom nasprotno usmerjenih gravitacijskih sil in notranjega tlaka, ki nastane zaradi gibanja delcev vroče plazme znotraj zvezde in pritiska sevanja, ki nastaja v njenih globinah. To pomeni, da je zvezda plinska krogla, v središču katere je visoka temperatura, ki postopoma pada proti obrobju. Iz enačb je zlasti sledilo, da je temperatura površine Sonca okoli 5500 stopinj (kar se je precej skladalo s podatki astronomske meritve), v njegovem središču pa bi moralo biti približno 10 milijonov stopinj. To je Eddingtonu omogočilo preroški zaključek: pri tej temperaturi se "vname" termonuklearna reakcija, ki zadostuje za zagotovitev sijaja Sonca. Atomski fiziki tistega časa se s tem niso strinjali. Zdelo se jim je, da je v globinah zvezde preveč "hladno": temperatura tam ni bila dovolj, da bi reakcija "šla". Na to je razjarjeni teoretik odgovoril: "Iščite bolj vroče mesto!"
In na koncu se je izkazalo, da je imel prav: termonuklearna reakcija dejansko poteka v središču zvezde (druga stvar je, da t.i. "standardni solarni model«, ki temelji na idejah o termonuklearna fuzija, se je očitno izkazalo za napačno - glej na primer »Znanost in življenje« št. 2, 3, 2000). Toda kljub temu pride do reakcije v središču zvezde, zvezda zasije in sevanje, ki nastane, jo ohranja v stabilnem stanju. Toda jedrsko "gorivo" v zvezdi izgori. Sproščanje energije se ustavi, sevanje ugasne in zadrževalna sila gravitacijska privlačnost, izgine. Obstaja meja mase zvezde, po kateri se zvezda začne nepovratno krčiti. Izračuni kažejo, da se to zgodi, če masa zvezde preseže dve do tri sončne mase.
GRAVITACIJSKI KOLAPS
Sprva je hitrost krčenja zvezde majhna, vendar se njena hitrost nenehno povečuje, saj je gravitacijska sila obratno sorazmerna s kvadratom razdalje. Stiskanje postane nepovratno; ni nobenih sil, ki bi lahko nasprotovale lastni gravitaciji. Ta proces se imenuje gravitacijski kolaps. Hitrost gibanja lupine zvezde proti središču se povečuje in se približuje svetlobni hitrosti. In tu začnejo igrati vlogo učinki relativnostne teorije.
Hitrost pobega je bila izračunana na podlagi Newtonovih idej o naravi svetlobe. Z vidika splošne relativnosti se pojavi v bližini zvezde v kolapsu odvijajo nekoliko drugače. V njegovem močnem gravitacijskem polju se pojavi tako imenovani gravitacijski rdeči premik. To pomeni, da je frekvenca sevanja, ki prihaja iz masivnega predmeta, premaknjena proti nižjim frekvencam. V meji, na meji Schwarzschildove krogle, postane frekvenca sevanja enako nič. To pomeni, da opazovalec, ki se nahaja zunaj njega, ne bo mogel izvedeti ničesar o tem, kaj se dogaja znotraj. Zato Schwarzschildovo kroglo imenujemo obzorje dogodkov.
Toda zmanjševanje frekvence je enako upočasnitvi časa in ko frekvenca postane nič, se čas ustavi. To pomeni, da bo zunanji opazovalec videl zelo čudno sliko: lupina zvezde, ki pada z naraščajočim pospeškom, se ustavi, namesto da bi dosegla svetlobno hitrost. Z njegovega vidika se bo stiskanje ustavilo takoj, ko se bo velikost zvezde približala gravitacijski
usu. Nikoli ne bo videl niti enega delca "potopljati" pod Schwarzschielovo kroglo. Toda za hipotetičnega opazovalca, ki pade v črno luknjo, bo na njegovi uri vsega konec v nekaj trenutkih. Tako bo gravitacijski čas kolapsa zvezde velikosti Sonca 29 minut, veliko gostejša in kompaktnejša nevtronska zvezda pa le 1/20.000 sekunde. In tu se sooči s težavami, povezanimi z geometrijo prostora-časa v bližini črne luknje.
Opazovalec se znajde v ukrivljenem prostoru. V bližini gravitacijskega polmera postanejo gravitacijske sile neskončno velike; raztegnejo raketo z astronavtom opazovalcem v neskončno tanko nit neskončna dolžina. Toda sam tega ne bo opazil: vse njegove deformacije bodo ustrezale izkrivljanju prostorsko-časovnih koordinat. Ti premisleki se seveda nanašajo na idealen, hipotetičen primer. katera koli pravo telo bodo raztrgale plimske sile veliko preden se bodo približale Schwarzschildovi krogli.
DIMENZIJE ČRNIH LUKENJ
Velikost črne luknje ali natančneje polmer Schwarzschildove krogle je sorazmeren z maso zvezde. In ker astrofizika ne postavlja nobenih omejitev glede velikosti zvezde, je črna luknja lahko poljubno velika. Če je na primer nastala med kolapsom zvezde z maso 10 8 sončnih mas (ali zaradi združitve več sto tisoč ali celo milijonov razmeroma majhnih zvezd), bo njen polmer približno 300 milijonov kilometrov, dvakrat večji zemeljska orbita. A povprečna gostota Snov takšnega velikana je blizu gostote vode.
Očitno so to vrste črnih lukenj, ki jih najdemo v središčih galaksij. Kakorkoli že, astronomi danes štejejo približno petdeset galaksij, v središčih katerih so po posrednih dokazih (o katerih govorimo spodaj) črne luknje z maso okoli milijarde (10 9) sončnih. Očitno ima tudi naša galaksija svojo črno luknjo; Njegova masa je bila ocenjena precej natančno - 2,4. 10 6 ±10 % mase Sonca.
Teorija nakazuje, da poleg takšnih supergigantov obstajajo črne mini luknje z maso približno 10 14 g in polmerom približno 10 -12 cm (velikost atomsko jedro). Lahko bi se pojavili v prvih trenutkih obstoja vesolja kot manifestacija zelo močne nehomogenosti prostora-časa z ogromno energijsko gostoto. Danes raziskovalci spoznavajo razmere, ki so takrat obstajale v vesolju ob močnih trkalnikih (pospeševalnikih s trčnimi žarki). Poskusi v CERN-u v začetku tega leta so ustvarili kvark-gluonsko plazmo, snov, ki je obstajala pred nastankom elementarni delci. Raziskave tega agregatnega stanja se nadaljujejo v ameriškem pospeševalnem centru Brookhaven. Sposoben je pospeševati delce do energij, ki so za en in pol do dva reda velikosti višje od pospeševalnika v
CERN. Prihajajoči eksperiment je povzročil resno zaskrbljenost: ali bo med njegovo izvedbo nastala mini črna luknja, ki bo upognila naš prostor in uničila Zemljo?
Ta strah je tako močno odmeval, da je bila ameriška vlada prisiljena sklicati avtoritativno komisijo, ki je preučila to možnost. Komisija, sestavljena iz uglednih raziskovalcev, je ugotovila: energija pospeševalnika je prenizka za nastanek črne luknje (ta eksperiment je opisan v reviji Science and Life, št. 3, 2000).
KAKO VIDETI NEVIDNO
Črne luknje ne oddajajo ničesar, niti svetlobe ne. Astronomi pa so se jih naučili videti oziroma bolje rečeno najti »kandidate« za to vlogo. Obstajajo trije načini za odkrivanje črne luknje.
1. Potrebno je spremljati vrtenje zvezd v kopicah okoli določenega težišča. Če se izkaže, da v tem središču ni ničesar in se zdi, da se zvezde vrtijo okoli prazen prostor, lahko z gotovostjo trdimo: v tej »praznini« je črna luknja. Na podlagi tega je bila predpostavljena prisotnost črne luknje v središču naše Galaksije in ocenjena njena masa.
2. Črna luknja aktivno srka vase snov iz okolice. Medzvezdni prah, plin in snov iz bližnjih zvezd padajo nanj v spirali in tvorijo tako imenovani akrecijski disk, podoben Saturnovemu obroču. (Prav to je strašilo v eksperimentu Brookhaven: mini črna luknja, ki se je pojavila v pospeševalniku, bo začela srkati Zemljo vase in tega procesa ne bo mogla ustaviti nobena sila.) Ko se približajo Schwarzschildovi krogli, delci izkusijo pospeši in začne oddajati v rentgenskem območju. To sevanje ima značilen spekter, podoben dobro raziskanemu sevanju delcev, pospešenih v sinhrotronu. In če takšno sevanje prihaja iz nekega področja vesolja, lahko z gotovostjo trdimo, da tam mora biti črna luknja.
3. Ko se dve črni luknji združita, pride do gravitacijskega sevanja. Izračunano je, da če je masa vsakega približno deset sončnih mas, potem ko se združita v nekaj urah, se bo energija, ki ustreza 1% njihove skupne mase, sprostila v obliki gravitacijskih valov. To je tisočkrat več od svetlobe, toplote in druge energije, ki jo je Sonce oddajalo ves čas svojega obstoja – pet milijard let. Upajo, da bodo zaznali gravitacijsko sevanje s pomočjo observatorijev gravitacijskih valov LIGO in drugih, ki jih zdaj gradijo v Ameriki in Evropi s sodelovanjem ruskih raziskovalcev (glej "Znanost in življenje" št. 5, 2000).
In vendar, čeprav astronomi ne dvomijo o obstoju črnih lukenj, si nihče ne upa kategorično trditi, da se ravno ena od njih nahaja na določeni točki v vesolju. Znanstvena etika, vestnost raziskovalca zahteva pridobitev nedvoumnega odgovora na zastavljeno vprašanje, ki ne dopušča odstopanj. Ni dovolj, da ocenimo maso nevidnega predmeta; treba je izmeriti njegov polmer in pokazati, da ne presega Schwarzschildovega polmera. In tudi znotraj naše Galaksije ta problem še ni rešljiv. Zato znanstveniki kažejo določeno zadržanost pri poročanju o svojih odkritjih, znanstvene revije pa so dobesedno polne poročil o teoretičnih delih in opazovanjih učinkov, ki lahko osvetlijo njihovo skrivnost.
Imajo pa črne luknje še eno lastnost, teoretično predvideno, zaradi katere bi jih morda lahko videli. Vendar pod enim pogojem: masa črne luknje mora biti veliko manjša od mase Sonca.
ČRNA LUKNJA JE LAHKO TUDI "BELA"
Črne luknje so dolgo veljale za utelešenje teme, objekte, ki v vakuumu, ob odsotnosti absorpcije snovi, ne oddajajo ničesar. Vendar pa je leta 1974 slavni angleški teoretik Stephen Hawking pokazal, da je črnim luknjam mogoče pripisati temperaturo in bi zato morale sevati.
Po zamislih kvantna mehanika, vakuum ni praznina, ampak nekakšna »pena prostora-časa«, mešanica virtualnih (v našem svetu neopazljivih) delcev. Vendar pa lahko nihanja kvantne energije "izvržejo" par delec-antidelec iz vakuuma. Na primer, pri trku dveh ali treh gama kvantov se bosta kot iz nič pojavila elektron in pozitron. Ta in podobni pojavi so bili večkrat opaženi v laboratorijih.
Kvantne fluktuacije določajo procese sevanja črnih lukenj. Če je par delcev z energijami E in -E (skupna energija par enak nič), nastane v bližini Schwarzschildove krogle, nadaljnja usoda delci bodo različni. Lahko se uničijo skoraj takoj ali pa gredo skupaj pod horizont dogodkov. V tem primeru se stanje črne luknje ne bo spremenilo. Če pa gre samo en delec pod obzorje, bo opazovalec zabeležil drugega in zdelo se mu bo, da ga je ustvarila črna luknja. Hkrati črna luknja, ki je absorbirala delec z energijo -E, bo zmanjšal vašo energijo in z energijo E- se bo povečalo.
Hawking je izračunal hitrosti, s katerimi se odvijajo vsi ti procesi, in prišel do zaključka: verjetnost absorpcije delcev z negativno energijo višji. To pomeni, da črna luknja izgubi energijo in maso – izhlapi. Poleg tega izžareva kot absolutno črno telo s temperaturo T = 6 . 10 -8 M z / M kelvini, kje M c - masa Sonca (2,10 33 g), M- masa črne luknje. Ta preprosta povezava kaže, da je temperatura črne luknje z maso, ki je šestkrat večja od sončne, enaka stomilijontki stopinje. Jasno je, da tako hladno telo ne oddaja praktično nič in vsa zgornja razmišljanja ostajajo veljavna. Mini luknje so druga stvar. Preprosto je videti, da so z maso 10 14 -10 30 gramov segreti na več deset tisoč stopinj in razbeljeni! Vendar je treba takoj opozoriti, da z lastnostmi črnih lukenj ni nobenih protislovij: to sevanje oddaja plast nad Schwarzschildovo kroglo in ne pod njo.
Torej črna luknja, ki se je zdela večno zamrznjen predmet, prej ali slej izgine in izhlapi. Še več, ko »hujša«, se stopnja izhlapevanja poveča, vendar še vedno traja izjemno dolgo. Ocenjuje se, da bi morale mini luknje s težo 10 14 gramov, ki so se pojavile takoj po velikem poku pred 10-15 milijardami let, do našega časa popolnoma izhlapeti. Vklopljeno zadnja stopnjaživljenja, njihova temperatura dosega ogromne vrednosti, zato bi morali biti produkti izhlapevanja delci izjemno visoka energija. Morda prav oni ustvarjajo razširjene zračne plohe v Zemljinem ozračju – EAS. Vsekakor je izvor delcev nenormalno visoke energije še en pomemben in zanimiv problem, ki je lahko tesno povezana z nič manj vznemirljivimi vprašanji fizike črnih lukenj.
črne luknje, temna snov, temna snov … To so nedvomno najčudnejši in skrivnostni predmeti v vesolju. Njihove bizarne lastnosti lahko izpodbijajo zakone fizike vesolja in celo narave obstoječa realnost. Da bi razumeli, kaj so črne luknje, znanstveniki predlagajo, da "spremenite fokus", se naučite razmišljati izven okvirov in uporabite malo domišljije. Črne luknje nastanejo iz superjeder masivne zvezde, ki ga lahko označimo kot območje vesolja, kjer je ogromna masa skoncentrirana v praznini in tam nič, niti svetloba, ne more uiti gravitacijski privlačnosti. To je območje, kjer je drugi ubežna hitrost presega svetlobno hitrost: In bolj masiven je predmet gibanja, hitreje se mora premikati, da se znebi sile svoje gravitacije. To je znano kot hitrost pobega.
Collierjeva enciklopedija imenuje črne luknje območje v vesolju, ki nastane kot posledica popolnega gravitacijskega kolapsa materije, v katerem je gravitacijska privlačnost tako močna, da je ne morejo zapustiti niti snov, niti svetloba niti drugi nosilci informacij. zato notranji delčrna luknja ni vzročno povezana s preostalim vesoljem; dogaja znotraj črne luknje fizikalni procesi ne more vplivati na procese zunaj njega. Črno luknjo obdaja površina z lastnostjo enosmerne membrane: snov in sevanje prosto padata skozi njo v črno luknjo, vendar od tam ne more nič uiti. Ta površina se imenuje "horizont dogodkov".
Zgodovina odkritja
Napovedane črne luknje splošna teorija relativnost (teorija gravitacije, ki jo je predlagal Einstein leta 1915) in drugi, več sodobne teorije gravitacijo sta matematično utemeljila R. Oppenheimer in H. Snyder leta 1939. Toda lastnosti prostora in časa v bližini teh objektov so se izkazale za tako nenavadne, da jih astronomi in fiziki 25 let niso jemali resno. Vendar astronomska odkritja sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja na črne luknje gledali kot na možno fizična realnost. Nova odkritja in študije bi lahko temeljito spremenile naše razumevanje prostora in časa ter osvetlile milijarde kozmičnih skrivnosti.
Nastajanje črnih lukenj
Medtem ko so v globinah zvezde termonuklearne reakcije, podpirajo visoka temperatura in pritisk, ki preprečuje, da bi se zvezda sesedla pod lastno gravitacijo. Vendar se sčasoma jedrsko gorivo izčrpa in zvezda se začne krčiti. Izračuni kažejo, da če masa zvezde ne presega treh mas Sonca, bo zmagala v "bitki z gravitacijo": gravitacijski kolaps bo ustavil pritisk “izrojene” materije, zvezda pa se bo za vedno spremenila v belo pritlikavko oz. nevtronska zvezda. Če pa je masa zvezde večja od treh sončnih, potem nič ne more ustaviti njenega katastrofalnega kolapsa in hitro bo šla pod obzorje dogodkov in postala črna luknja.
Ali je črna luknja luknja za krofe?
Kar ne oddaja svetlobe, ni lahko opaziti. Eden od načinov za iskanje črne luknje je iskanje območij v vesolju, ki imajo velika masa in so v temnem prostoru. Pri iskanju tovrstnih objektov so jih astronomi našli na dveh glavnih območjih: v središčih galaksij in v binarjih. zvezdni sistemi naše Galaksije. Znanstveniki menijo, da je skupno več deset milijonov takih predmetov.
Trenutno edini zanesljiv način razlikovanja črna luknja iz predmeta druge vrste je izmeriti maso in dimenzije predmeta ter primerjati njegov polmer z
Črne luknje so morda najbolj skrivnostni in zagonetni astronomski objekti v našem vesolju; od trenutka, ko so jih odkrili, pritegnejo pozornost znanstvenikov in burijo domišljijo piscev znanstvene fantastike. Kaj so črne luknje in kaj predstavljajo? Črne luknje so izumrle zvezde, zaradi svoje telesne lastnosti, ki ima toliko visoka gostota in tako močno gravitacijo, da jim niti svetloba ne more uiti.
Zgodovina odkritja črnih lukenj
Prvič je teoretični obstoj črnih lukenj, veliko pred njihovim dejanskim odkritjem, predlagal neki D. Michel (angleški duhovnik iz Yorkshira, ki se v prostem času zanima za astronomijo) davnega leta 1783. Po njegovih izračunih, če vzamemo naše in ga stisnemo (sodobno povedano) računalniški jezik- arhiv) do polmera 3 km nastane tako velika (preprosto ogromna) gravitacijska sila, da je ne more zapustiti niti svetloba. Tako se je pojavil pojem »črna luknja«, čeprav pravzaprav sploh ni črna; po našem mnenju bi bil bolj primeren izraz »temna luknja«, saj nastane ravno odsotnost svetlobe.
Kasneje, leta 1918, veliki znanstvenik Albert Einstein. Toda šele leta 1967 je s prizadevanji ameriškega astrofizika Johna Wheelerja koncept črnih lukenj končno dobil mesto v akademskih krogih.
Kakor koli že, D. Michel, Albert Einstein in John Wheeler so v svojih delih domnevali le teoretični obstoj teh skrivnostnih nebesnih objektov v vesolje Pravo odkritje črnih lukenj pa se je zgodilo leta 1971, ko so jih prvič videli skozi teleskop.
Tako izgleda črna luknja.
Kako nastanejo črne luknje v vesolju
Kot vemo iz astrofizike, imajo vse zvezde (vključno z našim Soncem) nekaj omejene zaloge goriva. In čeprav lahko življenje zvezde traja milijarde svetlobnih let, se ta pogojna zaloga goriva prej ali slej konča in zvezda "ugasne". Proces "bledenja" zvezde spremljajo intenzivne reakcije, med katerimi je zvezda podvržena pomembni preobrazbi in se lahko glede na svojo velikost spremeni v beli pritlikavec, nevtronska zvezda ali črna luknja. Poleg tega se največje zvezde z neverjetno impresivnimi velikostmi običajno spremenijo v črno luknjo - zaradi stiskanja teh najbolj neverjetnih velikosti pride do večkratnega povečanja mase in gravitacijske sile novonastale črne luknje, ki se spremeni v nekakšen galaktični sesalnik - absorbira vse in vsakogar okoli sebe.
Črna luknja pogoltne zvezdo.
Majhna pripomba - naše Sonce po galaktičnih standardih sploh ni velika zvezda in po izumrtju, ki se bo zgodilo čez približno nekaj milijard let, se najverjetneje ne bo spremenila v črno luknjo.
A bodimo iskreni z vami – danes znanstveniki še ne poznajo vseh podrobnosti nastajanja črne luknje, nedvomno je to izjemno zapleten astrofizični proces, ki lahko sam po sebi traja milijone svetlobnih let. Čeprav je mogoče napredovati v tej smeri, bi lahko bilo odkritje in kasnejše preučevanje tako imenovanih vmesnih črnih lukenj, to je zvezd v stanju izumiranja, v katerih aktivni proces nastanek črne luknje. Mimogrede, podobno zvezdo so astronomi odkrili leta 2014 v rokavu spiralne galaksije.
Koliko črnih lukenj je v vesolju?
Po teorijah sodobnih znanstvenikov v naši galaksiji mlečna potČrnih lukenj je lahko do sto milijonov. Morda jih ni nič manj v naši sosednji galaksiji, do katere z naše Mlečne ceste ni kaj leteti - 2,5 milijona svetlobnih let.
Teorija črne luknje
Kljub ogromni masi (ki je stotisočkrat večja od mase našega Sonca) in neverjetna moč gravitacije, videti črne luknje skozi teleskop ni bilo lahko, saj sploh ne oddajajo svetlobe. Znanstvenikom je črno luknjo uspelo opaziti šele v trenutku njenega "obroka" - absorpcije druge zvezde, v tem trenutku se pojavi značilno sevanje, ki ga je že mogoče opazovati. Tako je teorija črne luknje našla dejansko potrditev.
Lastnosti črnih lukenj
Glavna lastnost črne luknje je njena neverjetnost gravitacijskih polj, ne dovolijo, da bi okoliški prostor in čas ostali v običajnem stanju. Da, prav ste slišali, čas v črni luknji teče veliko počasneje kot običajno, in če bi bili tam, bi potem, ko bi se vrnili nazaj (če bi imeli tako srečo, seveda), presenečeni opazili, da so minila stoletja na Zemlji, pa se nisi niti postaral, da si uspel pravočasno. Čeprav bodimo resnici na ljubo, če bi bili v črni luknji, bi težko preživeli, saj je sila gravitacije tam tolikšna, da bi vsak materialni predmet preprosto raztrgal, niti na kose, na atome.
Če pa bi bili celo blizu črne luknje, pod vplivom njenega gravitacijskega polja, bi prav tako imeli težko delo, saj bolj ko se upirate njeni gravitaciji in poskušate odleteti, hitreje bi padli vanjo. Razlog za ta navidezni paradoks je gravitacijsko vrtinčno polje, ki ga imajo vse črne luknje.
Kaj pa, če človek pade v črno luknjo
Izhlapevanje črnih lukenj
Angleški astronom S. Hawking je odkril zanimivo dejstvo: zdi se, da tudi črne luknje oddajajo izhlapevanje. Res je, da to velja le za luknje relativno majhne mase. Močna gravitacija okoli njih rodi pare delcev in antidelcev, enega od para luknja potegne noter, drugega pa izžene. Tako črna luknja oddaja trde antidelce in žarke gama. To izhlapevanje ali sevanje iz črne luknje je dobilo ime po znanstveniku, ki ga je odkril - "Hawkingovo sevanje".
Največja črna luknja
Po teoriji črnih lukenj so v središču skoraj vseh galaksij ogromne črne luknje z maso od nekaj milijonov do nekaj milijard sončne mase. In relativno nedavno so znanstveniki odkrili dve največji črni luknji, ki sta znani do danes; nahajata se v dveh bližnjih galaksijah: NGC 3842 in NGC 4849.
NGC 3842 je najsvetlejša galaksija v ozvezdju Leva, ki je od nas oddaljena 320 milijonov svetlobnih let. V njenem središču je ogromna črna luknja, ki tehta 9,7 milijard sončnih mas.
NGC 4849, galaksija v kopici Coma, oddaljena 335 milijonov svetlobnih let, se ponaša s prav tako impresivno črno luknjo.
Območja vpliva gravitacijskega polja teh velikanskih črnih lukenj ali če govorimo akademski jezik, njihov obzorje dogodkov, je približno 5-kratna razdalja od Sonca do! Takšna črna luknja bi nas pojedla sončni sistem in se ne bi niti zadušil.
Najmanjša črna luknja
Toda v veliki družini črnih lukenj obstajajo tudi zelo majhni predstavniki. Tako je najbolj pritlikava črna luknja, ki so jo trenutno odkrili znanstveniki, le 3-krat večja od mase našega Sonca. V bistvu to teoretični minimum, ki je potrebna za nastanek črne luknje, če bi bila ta zvezda nekoliko manjša, luknja ne bi nastala.
Črne luknje so kanibali
Da, obstaja tak pojav, kot smo zapisali zgoraj, črne luknje so neke vrste "galaktični sesalniki", ki absorbirajo vse okoli sebe, vključno z ... drugimi črnimi luknjami. Pred kratkim so astronomi odkrili, da črno luknjo iz ene galaksije žre še večji črni požeruh iz druge galaksije.
- Po hipotezah nekaterih znanstvenikov črne luknje niso le galaktični sesalniki, ki vase posrkajo vse, ampak lahko v določenih okoliščinah same rodijo nova vesolja.
- Črne luknje lahko sčasoma izhlapijo. Zgoraj smo zapisali, da je angleški znanstvenik Stephen Hawking odkril, da imajo črne luknje lastnost sevanja in po zelo dolgem času, ko naokoli ne bo več ničesar, kar bi lahko absorbiralo, bo črna luknja začela bolj izhlapevati, dokler čez čas ne da dvigniti vso svojo maso v okoliški prostor. Čeprav je to le predpostavka, hipoteza.
- Črne luknje upočasnjujejo čas in ukrivljajo prostor. O dilataciji časa smo že pisali, vendar bo tudi prostor v pogojih črne luknje popolnoma ukrivljen.
- Črne luknje omejujejo število zvezd v vesolju. Njihova gravitacijska polja namreč preprečujejo ohlajanje plinskih oblakov v vesolju, iz katerih se, kot je znano, rojevajo nove zvezde.
Črne luknje na Discovery Channel, video
In za zaključek vam ponujamo zanimiv znanstveni dokumentarec o črnih luknjah Discovery Channel
