Salīdzinoši nesen pieaugot interesei par populārzinātnisku filmu veidošanu par kosmosa izpēti, mūsdienu skatītājs ir daudz dzirdējis par tādām parādībām kā singularitāte jeb melnais caurums. Tomēr filmas acīmredzami neatklāj visu šo parādību būtību un dažreiz pat sagroza konstruētās zinātniskās teorijas, lai iegūtu lielāku efektu. Šī iemesla dēļ prezentācija daudziem mūsdienu cilvēki par šīm parādībām vai nu pilnīgi virspusēji, vai pavisam kļūdaini. Viens no radušās problēmas risinājumiem ir šis raksts, kurā mēģināsim izprast esošos pētījumu rezultātus un atbildēt uz jautājumu – kas ir melnais caurums?

1784. gadā angļu priesteris un dabaszinātnieks Džons Mišels vēstulē Karaliskajai biedrībai pirmo reizi pieminēja hipotētisku masīvu ķermeni, kam ir tik spēcīga gravitācijas pievilcība, ka otrais kosmiskais ātrums tam pārsniegtu gaismas ātrumu. Otrs kosmiskais ātrums ir ātrums, kāds salīdzinoši mazam objektam būs nepieciešams, lai pārvarētu debess ķermeņa gravitācijas pievilcību un atstātu slēgto orbītu ap šo ķermeni. Pēc viņa aprēķiniem, ķermeņa ar Saules blīvumu un 500 saules rādiusu rādiusu uz virsmas būs otrs kosmiskais ātrums, kas vienāds ar gaismas ātrumu. Šajā gadījumā pat gaisma neatstās šāda ķermeņa virsmu, un tāpēc dots ķermenis tikai uzsūks ienākošo gaismu un paliks neredzams vērotājam – tāds melns plankums uz tumšās telpas fona.

Tomēr Mišela piedāvātā supermasīva ķermeņa koncepcija neizraisīja lielu interesi līdz pat Einšteina darbam. Atgādiniet, ka pēdējais definēja gaismas ātrumu kā ierobežojošo informācijas pārraides ātrumu. Turklāt Einšteins paplašināja gravitācijas teoriju ātrumiem, kas ir tuvu gaismas ātrumam (). Rezultātā vairs nebija aktuāli Ņūtona teoriju piemērot melnajiem caurumiem.

Einšteina vienādojums

Vispārējās relativitātes teorijas piemērošanas melnajiem caurumiem un Einšteina vienādojumu risināšanas rezultātā tika atklāti galvenie melnā cauruma parametri, no kuriem ir tikai trīs: masa, elektriskais lādiņš un leņķiskais impulss. Jāatzīmē indiešu astrofiziķa Subramanjana Čandrasekhara nozīmīgais ieguldījums, kurš izveidoja fundamentālu monogrāfiju "Melno caurumu matemātiskā teorija".

Tādējādi Einšteina vienādojumu risinājums ir attēlots ar četriem četriem variantiem iespējamie veidi melnie caurumi:

• Melnais caurums bez rotācijas un bez lādiņa ir Švarcšilda risinājums. Viens no pirmajiem melnā cauruma aprakstiem (1916), izmantojot Einšteina vienādojumus, bet neņemot vērā divus no trim ķermeņa parametriem. Vācu fiziķa Karla Švarcšilda risinājums ļauj aprēķināt sfēriska masīva ķermeņa ārējo gravitācijas lauku. Vācu zinātnieka melno caurumu koncepcijas iezīme ir notikumu horizonta un aiz tā esošā horizonta klātbūtne. Švarcšilds arī vispirms aprēķināja gravitācijas rādiusu, kas saņēma viņa vārdu, kas nosaka sfēras rādiusu, uz kuras atrodas notikumu horizonts ķermenim ar noteiktu masu.
• Melnais caurums bez rotācijas ar lādiņu ir Reisnera-Nordström risinājums. 1916.-1918.gadā izvirzītais risinājums, ņemot vērā iespējamo melnā cauruma elektrisko lādiņu. Šis lādiņš nevar būt patvaļīgi liels un ir ierobežots rezultātā radušās elektriskās atgrūšanās dēļ. Pēdējais ir jākompensē ar gravitācijas pievilcību.
• Melnais caurums ar rotāciju un bez lādiņa - Kerra risinājums (1963). Rotējošais Kerra melnais caurums no statiskā atšķiras ar tā sauktās ergosfēras klātbūtni (lasiet vairāk par šo un citām melnā cauruma sastāvdaļām).
• BH ar rotāciju un lādiņu - Kerr-Newman risinājums. Šis risinājums tika aprēķināts 1965. gadā un turpmāk Šis brīdis ir vispilnīgākais, jo tajā ir ņemti vērā visi trīs BH parametri. Tomēr joprojām tiek pieņemts, ka melnajiem caurumiem dabā ir nenozīmīgs lādiņš.

Melnā cauruma veidošanās

Ir vairākas teorijas par to, kā veidojas un parādās melnais caurums, no kurām slavenākā ir zvaigznes parādīšanās ar pietiekamu masu gravitācijas sabrukuma rezultātā. Šāda saspiešana var izbeigt evolūciju zvaigznēm, kuru masa pārsniedz trīs Saules masas. Termo beigās kodolreakcijasšādu zvaigžņu iekšpusē tās sāk strauji sarukt par superblīvu. Ja neitronu zvaigznes gāzes spiediens nevar kompensēt gravitācijas spēkus, tas ir, zvaigznes masa pārvar t.s. Openheimera-Volkova robeža, tad sabrukums turpinās, liekot matērijai sarauties melnajā caurumā.

Otrais scenārijs, kas apraksta melnā cauruma rašanos, ir protogalaktiskās gāzes saspiešana, tas ir, starpzvaigžņu gāze, kas atrodas galaktikas vai kāda veida kopas transformācijas stadijā. Nepietiekama iekšējā spiediena gadījumā, lai kompensētu tos pašus gravitācijas spēkus, var rasties melnais caurums.

Divi citi scenāriji joprojām ir hipotētiski:

• Melnā cauruma rašanās rezultātā - t.s. pirmatnējie melnie caurumi.
• Rašanās kodolreakciju rezultātā pie lielām enerģijām. Šādu reakciju piemērs ir eksperimenti ar kolideriem.

Melno caurumu struktūra un fizika

Melnā cauruma struktūrā saskaņā ar Švarcšildu ir tikai divi elementi, kas tika minēti iepriekš: melnā cauruma singularitāte un notikumu horizonts. Īsi runājot par singularitāti, var atzīmēt, ka tai nav iespējams novilkt taisnu līniju, kā arī lielākā daļa esošo fizisko teoriju tajā nedarbojas. Tādējādi singularitātes fizika joprojām ir noslēpums zinātniekiem šodien. melnais caurums ir noteikta robeža, kuru pārkāpjot, fiziskais objekts zaudē spēju atgriezties ārpus savām robežām un nepārprotami “iekrīt” melnā cauruma savdabībā.

Melnā cauruma struktūra kļūst nedaudz sarežģītāka Kerra risinājuma gadījumā, proti, BH rotācijas klātbūtnē. Kerra risinājums nozīmē, ka caurumam ir ergosfēra. Ergosfēra - noteikta zona, kas atrodas ārpus notikumu horizonta, kuras iekšpusē visi ķermeņi pārvietojas melnā cauruma rotācijas virzienā. Šī zona vēl nav aizraujoša un to ir iespējams pamest, atšķirībā no notikumu horizonta. Ergosfēra, iespējams, ir sava veida akrecijas diska analogs, kas attēlo rotējošu vielu ap masīviem ķermeņiem. Ja statisks Švarcšilda melnais caurums ir attēlots kā melna sfēra, tad Kerija melnajam caurumam ergosfēras klātbūtnes dēļ ir izliekta elipsoīda forma, kuras formā mēs bieži redzējām melnos caurumus zīmējumos, vecos laikos. filmas vai videospēles.

• Cik sver melnais caurums? – Vislielākais teorētiskais materiāls par melnā cauruma parādīšanos ir pieejams scenārijam par tā rašanos zvaigznes sabrukšanas rezultātā. Šajā gadījumā neitronu zvaigznes maksimālo masu un melnā cauruma minimālo masu nosaka Openheimera - Volkova robeža, saskaņā ar kuru BH masas apakšējā robeža ir 2,5 - 3 Saules masas. Smagākā jebkad atklātā melnā cauruma (galaktikā NGC 4889) masa ir 21 miljards Saules masu. Tomēr nevajadzētu aizmirst par melnajiem caurumiem, kas hipotētiski rodas no kodolreakcijām ar lielu enerģiju, piemēram, pret kolideriem. Šādu kvantu melno caurumu, citiem vārdiem sakot, "Planka melnajiem caurumiem", masa ir aptuveni , proti, 2 10 -5 g.
• Melnā cauruma izmērs. Minimālo BH rādiusu var aprēķināt no minimālās masas (2,5 – 3 saules masas). Ja Saules gravitācijas rādiuss, tas ir, apgabals, kurā būtu notikumu horizonts, ir aptuveni 2,95 km, tad 3 saules masu BH minimālais rādiuss būs aptuveni deviņi kilometri. Šādi salīdzinoši mazi izmēri neiederas galvā, ja runa ir par masīviem objektiem, kas pievelk visu apkārtējo. Tomēr kvantu melnajiem caurumiem rādiuss ir -10–35 m.
• Melnā cauruma vidējais blīvums ir atkarīgs no diviem parametriem: masas un rādiusa. Melnā cauruma, kura masa ir aptuveni trīs Saules masas, blīvums ir aptuveni 6 10 26 kg/m³, bet ūdens blīvums ir 1000 kg/m³. Taču tik mazus melnos caurumus zinātnieki nav atraduši. Lielākajai daļai atklāto BH masa ir lielāka par 105 Saules masām. Ir kāds interesants modelis, saskaņā ar kuru, jo masīvāks ir melnais caurums, jo mazāks ir tā blīvums. Šajā gadījumā masas izmaiņas par 11 kārtībām nozīmē blīvuma izmaiņas par 22 kārtībām. Tādējādi melnā cauruma, kura masa ir 1 · 10 9 Saules masas, blīvums ir 18,5 kg/m³, kas ir par vienu mazāks nekā zelta blīvums. Un melnajiem caurumiem, kuru masa ir lielāka par 10 10 saules masām, vidējais blīvums var būt mazāks par gaisa blīvumu. Pamatojoties uz šiem aprēķiniem, ir loģiski pieņemt, ka melnais caurums veidojas nevis vielas saspiešanas dēļ, bet gan liela daudzuma vielas uzkrāšanās rezultātā noteiktā tilpumā. Kvantu melno caurumu gadījumā to blīvums var būt aptuveni 10 94 kg/m³.
• Melnā cauruma temperatūra ir arī apgriezti proporcionāla tā masai. Šī temperatūra ir tieši saistīta ar. Šī starojuma spektrs sakrīt ar pilnīgi melna ķermeņa spektru, tas ir, ķermeņa, kas absorbē visu krītošo starojumu. Melnā ķermeņa starojuma spektrs ir atkarīgs tikai no tā temperatūras, tad melnā cauruma temperatūru var noteikt pēc Hokinga starojuma spektra. Kā minēts iepriekš, šis starojums ir jaudīgāks, jo mazāks ir melnais caurums. Tajā pašā laikā Hokinga starojums joprojām ir hipotētisks, jo astronomi to vēl nav novērojuši. No tā izriet, ka, ja Hokinga starojums pastāv, tad novēroto BH temperatūra ir tik zema, ka neļauj noteikt norādīto starojumu. Pēc aprēķiniem, pat temperatūra caurumam ar masu, kas atbilst Saules masai, ir niecīgi maza (1 10 -7 K jeb -272°C). Kvantu melno caurumu temperatūra var sasniegt aptuveni 10 12 K, un ar to straujo iztvaikošanu (apmēram 1,5 min.) šādi BH var izstarot enerģiju aptuveni desmit miljonu apmērā. atombumbas. Bet, par laimi, šādu hipotētisku objektu radīšanai būs nepieciešama 10 14 reizes lielāka enerģija, nekā šodien tiek iegūta Lielajā hadronu paātrinātājā. Turklāt šādas parādības astronomi nekad nav novērojuši.

No kā sastāv CHD?

Vēl viens jautājums satrauc gan zinātniekus, gan tos, kas vienkārši aizraujas ar astrofiziku – no kā sastāv melnais caurums? Uz šo jautājumu nav vienas atbildes, jo nav iespējams skatīties tālāk par notikumu horizontu, kas ieskauj jebkuru melno caurumu. Turklāt, kā minēts iepriekš, melnā cauruma teorētiskie modeļi paredz tikai 3 tā sastāvdaļas: ergosfēru, notikumu horizontu un singularitāti. Ir loģiski pieņemt, ka ergosfērā ir tikai tie objekti, kurus piesaistīja melnais caurums un kuri tagad griežas ap to - dažāda veida kosmiskie ķermeņi un kosmiskā gāze. Notikumu horizonts ir tikai plāna netieša robeža, aiz kuras reiz tie paši kosmiskie ķermeņi tiek neatgriezeniski piesaistīti melnā cauruma pēdējai galvenajai sastāvdaļai - singularitātei. Singularitātes būtība mūsdienās nav pētīta, un ir pāragri runāt par tās sastāvu.

Saskaņā ar dažiem pieņēmumiem melnais caurums var sastāvēt no neitroniem. Ja sekojam scenārijam par melnā cauruma rašanos zvaigznes saspiešanas rezultātā par neitronu zvaigzni ar sekojošu saspiešanu, tad, iespējams, melnā cauruma galveno daļu veido neitroni, no kuriem neitronu zvaigzne. pati par sevi sastāv. Vienkāršiem vārdiem sakot: Kad zvaigzne sabrūk, tās atomi tiek saspiesti tā, ka elektroni savienojas ar protoniem, tādējādi veidojot neitronus. Šāda reakcija dabā patiešām notiek, veidojoties neitronam, notiek neitrīno emisija. Tomēr tie ir tikai minējumi.

Kas notiek, ja jūs iekrītat melnajā caurumā?

Iekrišana astrofiziskā melnajā caurumā noved pie ķermeņa stiepšanās. Padomājiet par hipotētisku pašnāvnieku astronautu, kurš dodas melnajā caurumā, valkājot tikai skafandru, kājas pa priekšu. Šķērsojot notikumu horizontu, astronauts nekādas izmaiņas nepamanīs, neskatoties uz to, ka viņam vairs nav iespējas atgriezties. Kādā brīdī astronauts sasniegs punktu (nedaudz aiz notikumu horizonta), kurā sāks notikt viņa ķermeņa deformācija. Tā kā melnā cauruma gravitācijas lauks ir nevienmērīgs un to attēlo spēka gradients, kas palielinās virzienā uz centru, astronauta kājas tiks pakļautas ievērojami lielākam gravitācijas efektam nekā, piemēram, galva. Tad gravitācijas vai, pareizāk sakot, plūdmaiņu spēku dēļ kājas “nokritīs” ātrāk. Tādējādi ķermenis sāk pakāpeniski izstiepties garumā. Lai aprakstītu šo fenomenu, astrofiziķi ir izdomājuši diezgan radošu terminu – spagetifikāciju. Ķermeņa tālāka stiepšana, iespējams, sadalīs to atomos, kas agri vai vēlu sasniegs singularitāti. Var tikai minēt, kā cilvēks jutīsies šajā situācijā. Ir vērts atzīmēt, ka ķermeņa izstiepšanas efekts ir apgriezti proporcionāls melnā cauruma masai. Tas ir, ja BH ar trīs Saules masu acumirklī izstiepj/salauž ķermeni, tad supermasīvajam melnajam caurumam būs mazāki plūdmaiņu spēki, un ir pieņēmumi, ka daži fiziski materiāli varētu “izturēt” šādu deformāciju, nezaudējot savu struktūru.

Kā zināms, masīvu objektu tuvumā laiks plūst lēnāk, kas nozīmē, ka pašnāvnieka astronauta laiks plūdīs daudz lēnāk nekā zemiešiem. Tādā gadījumā, iespējams, viņš pārdzīvos ne tikai savus draugus, bet arī pašu Zemi. Būs jāveic aprēķini, lai noteiktu, cik daudz laika astronautam palēnināsies, tomēr no iepriekš minētā var pieņemt, ka astronauts melnajā caurumā iekritīs ļoti lēni un var vienkārši nenodzīvot līdz brīdim, kad sāksies viņa ķermenis. deformēties.

Zīmīgi, ka novērotājam ārpusē visi ķermeņi, kas uzlidojuši līdz notikumu horizontam, paliks šī horizonta malā, līdz pazudīs to attēls. Šīs parādības iemesls ir gravitācijas sarkanā nobīde. Nedaudz vienkāršojot, mēs varam teikt, ka gaisma, kas krīt uz pašnāvnieka astronauta ķermeni, kas "iesaldēts" notikuma horizontā, mainīs savu frekvenci tā palēninātā laika dēļ. Laikam ritot lēnāk, gaismas frekvence samazināsies un viļņa garums palielināsies. Šīs parādības rezultātā izejā, tas ir, ārējam novērotājam, gaisma pakāpeniski novirzīsies uz zemo frekvenci - sarkanu. Gaismas nobīde pa spektru notiks, pašnāvniekam astronautam attālinoties arvien tālāk no novērotāja, lai arī gandrīz nemanāmi, un viņa laiks rit arvien lēnāk. Tādējādi viņa ķermeņa atstarotā gaisma drīzumā izies ārpus redzamā spektra (attēls pazudīs), un turpmāk astronauta ķermeni varēs noķert tikai infrasarkanajā reģionā, vēlāk radio frekvencē, un rezultātā starojums būs pilnīgi nenotverams.

Neskatoties uz iepriekš rakstīto, tiek pieņemts, ka ļoti lielos supermasīvos melnos caurumos plūdmaiņas spēki tik ļoti nemainās līdz ar attālumu un gandrīz vienmērīgi iedarbojas uz krītošo ķermeni. Šajā gadījumā krišana kosmosa kuģis saglabātu savu struktūru. Rodas pamatots jautājums – kur ved melnais caurums? Uz šo jautājumu var atbildēt dažu zinātnieku darbs, sasaistot divas tādas parādības kā tārpu caurumi un melnie caurumi.

Vēl 1935. gadā Alberts Einšteins un Neitans Rozens, ņemot vērā, izvirzīja hipotēzi par tā saukto tārpu caurumu esamību, kas savieno divus laika telpas punktus pēdējo ievērojama izliekuma vietās - Einšteina-Rozena tiltā. vai tārpu caurums. Tik spēcīgam telpas izliekumam būs nepieciešami ķermeņi ar gigantisku masu, ar kuru lomu lieliski tiktu galā melnie caurumi.

Einšteina-Rozena tilts tiek uzskatīts par necaurlaidīgu tārpa caurumu, jo tas ir mazs un nestabils.

Melno un balto caurumu teorijā ir iespējama šķērsojama tārpa caurums. Kur baltais caurums ir melnajā caurumā iekritušās informācijas izvade. Baltais caurums ir aprakstīts vispārējās relativitātes teorijas ietvaros, taču šodien tas paliek hipotētisks un nav atklāts. Amerikāņu zinātnieki Kips Torns un viņa maģistrantūras students Maiks Moriss ierosināja vēl vienu tārpa cauruma modeli, kas var būt izturīgs. Tomēr, tāpat kā Morisa-Torna tārpu cauruma gadījumā, kā arī melno un balto caurumu gadījumā, ceļošanas iespējai ir nepieciešama tā saucamās eksotiskās matērijas esamība, kurai ir negatīva enerģija un kas arī paliek hipotētiska.

Melnie caurumi Visumā

Melno caurumu esamība tika apstiprināta salīdzinoši nesen (2015. gada septembrī), taču pirms tam jau bija daudz teorētisku materiālu par melno caurumu dabu, kā arī daudzi kandidāti melnā cauruma lomai. Pirmkārt, jāņem vērā melnā cauruma izmēri, jo no tiem ir atkarīgs pats fenomena raksturs:

• zvaigžņu masas melnais caurums. Šādi objekti veidojas zvaigznes sabrukšanas rezultātā. Kā minēts iepriekš, ķermeņa minimālā masa, kas spēj izveidot šādu melno caurumu, ir 2,5–3 saules masas.
• Melnie caurumi vidēja svara . Nosacīti starpposma tips melnie caurumi, kas kļuvuši lielāki tuvumā esošo objektu absorbcijas dēļ, piemēram, gāzu uzkrāšanās, blakus esošā zvaigzne (divu zvaigžņu sistēmās) un citi kosmiskie ķermeņi.
• Supermasīvs melnais caurums. Kompakti objekti ar 10 5 -10 10 saules masām. Atšķirīgas īpašībasŠādiem BH ir paradoksāli zems blīvums, kā arī vāji plūdmaiņu spēki, kas tika apspriesti iepriekš. Tas ir šis supermasīvais melnais caurums mūsu Piena Ceļa galaktikas (Sagittarius A*, Sgr A*), kā arī vairuma citu galaktiku centrā.

Kandidāti uz CHD

Tuvākais melnais caurums vai drīzāk melnā cauruma lomas kandidāts ir objekts (V616 Unicorn), kas atrodas 3000 gaismas gadu attālumā no Saules (mūsu galaktikā). Tas sastāv no divām sastāvdaļām: zvaigznes, kuras masa ir puse no Saules masas, kā arī neredzama maza ķermeņa, kura masa ir 3-5 Saules masas. Ja šis objekts izrādīsies neliels zvaigžņu masas melnais caurums, tad pa labi tas būs tuvākais melnais caurums.

Pēc šī objekta otrs tuvākais melnais caurums ir Cyg X-1 (Cyg X-1), kas bija pirmais kandidāts uz melnā cauruma lomu. Attālums līdz tai ir aptuveni 6070 gaismas gadi. Diezgan labi izpētīts: tā masa ir 14,8 Saules masas un notikumu horizonta rādiuss ir aptuveni 26 km.

Saskaņā ar dažiem avotiem, vēl viens tuvākais kandidāts melnā cauruma lomai varētu būt ķermenis zvaigžņu sistēmā V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), kas, saskaņā ar aplēsēm 1999. gadā, atradās 1600 gaismas gadu attālumā. Tomēr turpmākie pētījumi palielināja šo attālumu vismaz 15 reizes.

Cik melno caurumu ir mūsu galaktikā?

Uz šo jautājumu nav precīzas atbildes, jo tos ir diezgan grūti novērot, un visa debesu izpētes laikā zinātniekiem izdevās atklāt apmēram duci melno caurumu Piena ceļā. Neiesaistoties aprēķinos, mēs atzīmējam, ka mūsu galaktikā ir aptuveni 100–400 miljardu zvaigžņu, un apmēram katrai tūkstošajai zvaigznei ir pietiekami daudz masas, lai izveidotu melno caurumu. Visticamāk, ka Piena Ceļa pastāvēšanas laikā varēja veidoties miljoniem melno caurumu. Tā kā ir vieglāk reģistrēt milzīgus melnos caurumus, ir loģiski pieņemt, ka lielākā daļa BH mūsu galaktikā nav supermasīvi. Zīmīgi, ka NASA 2005. gada pētījumi liecina, ka ap galaktikas centru riņķo vesels melno caurumu bars (10-20 tūkstoši). Turklāt 2016. gadā japāņu astrofiziķi netālu no objekta * atklāja masīvu satelītu - melno caurumu, Piena ceļa kodolu. Šī ķermeņa mazā rādiusa (0,15 gaismas gadi), kā arī milzīgās masas (100 000 Saules masu) dēļ zinātnieki liek domāt, ka šis objekts ir arī supermasīvs melnais caurums.

Mūsu galaktikas kodols, Piena Ceļa melnais caurums (Sagittarius A *, Sgr A * vai Sagittarius A *) ir supermasīvs, un tā masa ir 4,31 10 6 Saules masas un rādiuss 0,00071 gaismas gads (6,25 gaismas stundas). jeb 6,75 miljardi km). Strēlnieka A* temperatūra kopā ar kopu ap to ir aptuveni 1 10 7 K.

Lielākais melnais caurums

Lielākais melnais caurums Visumā, ko zinātniekiem izdevies atklāt, ir supermasīvs melnais caurums, FSRQ blazārs, kas atrodas galaktikas S5 0014+81 centrā, 1,2·10 10 gaismas gadu attālumā no Zemes. Saskaņā ar provizoriskiem novērojumu rezultātiem, izmantojot Sviftas kosmosa observatoriju, melnā cauruma masa bija 40 miljardi (40 10 9) Saules masu, un šāda cauruma Švarcšilda rādiuss bija 118,35 miljardi kilometru (0,013 gaismas gadi). Turklāt, saskaņā ar aprēķiniem, tas radās pirms 12,1 miljarda gadu (1,6 miljardus gadu pēc Lielā sprādziena). Ja šis milzu melnais caurums neuzsūks apkārtējo matēriju, tad tas piedzīvos melno caurumu laikmetu – vienu no Visuma attīstības laikmetiem, kura laikā tajā dominēs melnie caurumi. Ja galaktikas S5 0014+81 kodols turpinās augt, tad tas kļūs par vienu no pēdējiem melnajiem caurumiem, kas pastāvēs Visumā.

Pārējie divi zināmie melnie caurumi, lai gan nav nosaukti, ir augstākā vērtība melno caurumu izpētei, jo tie apstiprināja to eksistenci eksperimentāli, kā arī deva svarīgus rezultātus gravitācijas pētījumos. Mēs runājam par notikumu GW150914, ko sauc par divu melno caurumu sadursmi vienā. Šis pasākums ļāva reģistrēties.

Melno caurumu noteikšana

Pirms apsvērt melno caurumu noteikšanas metodes, jāatbild uz jautājumu – kāpēc melnais caurums ir melns? - atbilde uz to neprasa dziļas zināšanas astrofizikā un kosmoloģijā. Lieta tāda, ka melnais caurums absorbē visu uz to krītošo starojumu un neizstaro vispār, ja neņem vērā hipotētisko. Ja aplūkojam šo parādību sīkāk, varam pieņemt, ka melno caurumu iekšienē nenotiek procesi, kas izraisītu enerģijas izdalīšanos elektromagnētiskā starojuma veidā. Tad, ja melnais caurums izstaro, tad tas atrodas Hokinga spektrā (kas sakrīt ar sakarsēta, absolūti melna ķermeņa spektru). Tomēr, kā minēts iepriekš, šis starojums netika atklāts, kas liecina par pilnīgi zemu melno caurumu temperatūru.

Cita vispārpieņemta teorija saka, ka elektromagnētiskais starojums nemaz nav spējīgs atstāt notikumu horizontu. Visticamāk, ka fotonus (gaismas daļiņas) nepiesaista masīvi objekti, jo saskaņā ar teoriju tiem pašiem nav masas. Tomēr melnais caurums joprojām "pievelk" gaismas fotonus, izkropļojot telpas laiku. Ja iedomājamies melno caurumu telpā kā sava veida ieplaku uz gludās telpas-laika virsmas, tad no melnā cauruma centra ir noteikts attālums, kuram tuvojoties gaisma vairs nespēs no tā attālināties. Tas ir, rupji sakot, gaisma sāk "iekrist" "bedrē", kurai pat nav "apakšā".

Turklāt, ņemot vērā gravitācijas sarkanās nobīdes efektu, iespējams, ka gaisma melnajā caurumā zaudē savu frekvenci, pārejot pa spektru uz zemas frekvences garo viļņu starojuma apgabalu, līdz tā pilnībā zaudē enerģiju.

Tātad melnais caurums ir melns, un tāpēc to ir grūti noteikt kosmosā.

Atklāšanas metodes

Apsveriet metodes, ko astronomi izmanto, lai atklātu melno caurumu:

Papildus iepriekš minētajām metodēm zinātnieki bieži saista tādus objektus kā melnie caurumi un. Kvazāri ir dažas kosmisko ķermeņu un gāzu kopas, kas ir vieni no spilgtākajiem astronomiskajiem objektiem Visumā. Tā kā tiem ir augsta luminiscences intensitāte pie salīdzinoši maziem izmēriem, ir pamats uzskatīt, ka šo objektu centrs ir supermasīvs melnais caurums, kas pievelk apkārtējo vielu. Pateicoties tik spēcīgai gravitācijas pievilcībai, piesaistītā matērija ir tik uzkarsēta, ka tā intensīvi izstaro. Šādu objektu noteikšanu parasti salīdzina ar melnā cauruma noteikšanu. Dažkārt kvazāri var izstarot uzkarsētas plazmas strūklas divos virzienos – relativistiskās strūklas. Šādu strūklu (strūklu) rašanās iemesli nav pilnībā skaidri, taču tos, iespējams, izraisa melnā cauruma un akrecijas diska magnētisko lauku mijiedarbība, un tos neizstaro tiešs melnais caurums.

Strūkla M87 galaktikā, kas trāpa no melnā cauruma centra

Rezumējot iepriekš minēto, var iztēloties tuvplānā: tas ir sfērisks melns objekts, ap kuru griežas spēcīgi uzkarsēta viela, veidojot gaismas akrecijas disku.

Melno caurumu saplūšana un sadursme

Viena no interesantākajām parādībām astrofizikā ir melno caurumu sadursme, kas arī dod iespēju atklāt tik masīvus astronomiskus ķermeņus. Šādi procesi interesē ne tikai astrofiziķus, jo to rezultātā rodas fiziķu vāji pētītas parādības. Spilgtākais piemērs ir iepriekš minētais notikums ar nosaukumu GW150914, kad divi melnie caurumi pietuvojās tik ļoti, ka savstarpējas gravitācijas pievilkšanās rezultātā saplūda vienā. Šīs sadursmes svarīgas sekas bija gravitācijas viļņu parādīšanās.

Saskaņā ar gravitācijas viļņu definīciju tās ir izmaiņas gravitācijas laukā, kas izplatās viļņveidīgi no masīviem kustīgiem objektiem. Kad divi šādi objekti tuvojas viens otram, tie sāk griezties ap kopīgu smaguma centru. Kad viņi tuvojas viens otram, to rotācija ap savu asi palielinās. Šādas mainīgas gravitācijas lauka svārstības kādā brīdī var izveidot vienu spēcīgu gravitācijas vilni, kas var izplatīties kosmosā miljoniem gaismas gadu. Tātad 1,3 miljardu gaismas gadu attālumā notika divu melno caurumu sadursme, kas veidoja spēcīgu gravitācijas vilni, kas Zemi sasniedza 2015. gada 14. septembrī un tika fiksēts ar LIGO un VIRGO detektoriem.

Kā melnie caurumi mirst?

Acīmredzot, lai melnais caurums beigtu pastāvēt, tam būtu jāzaudē visa tā masa. Tomēr saskaņā ar viņas definīciju nekas nevar atstāt melno caurumu, ja tas ir šķērsojis notikumu horizontu. Ir zināms, ka pirmo reizi padomju teorētiskais fiziķis Vladimirs Gribovs diskusijā ar citu padomju zinātnieku Jakovu Zeļdoviču pieminēja daļiņu emisiju no melnā cauruma. Viņš apgalvoja, ka no kvantu mehānikas viedokļa melnais caurums spēj izstarot daļiņas caur tuneļa efektu. Vēlāk ar kvantu mehānikas palīdzību viņš izveidoja savu, nedaudz atšķirīgu angļu teorētisko fiziķi Stīvenu Hokingu teoriju. Jūs varat lasīt vairāk par šo fenomenu. Īsāk sakot, vakuumā ir tā sauktās virtuālās daļiņas, kas pastāvīgi dzimst pa pāriem un iznīcina viena otru, vienlaikus nesadarbojoties ar ārpasauli. Bet, ja šādi pāri rodas melnā cauruma notikumu horizontā, tad spēcīga gravitācija hipotētiski spēj tos atdalīt, vienai daļiņai iekrītot melnajā caurumā, bet otrai izejot no melnā cauruma. Un tā kā daļiņu, kas ir aizlidojusi no cauruma, var novērot un līdz ar to tai ir pozitīva enerģija, tad daļiņai, kas iekritusi caurumā, jābūt ar negatīvu enerģiju. Tādējādi melnais caurums zaudēs savu enerģiju un radīsies efekts, ko sauc par melnā cauruma iztvaikošanu.

Saskaņā ar pieejamajiem melnā cauruma modeļiem, kā minēts iepriekš, tā masai samazinoties, tā starojums kļūst intensīvāks. Pēc tam melnā cauruma pastāvēšanas beigu posmā, kad to var samazināt līdz kvantu melnā cauruma izmēram, tas atbrīvos milzīgu enerģijas daudzumu starojuma veidā, kas var būt līdzvērtīgs tūkstošiem vai pat miljoniem atombumbu. Šis notikums nedaudz atgādina melnā cauruma sprādzienu, piemēram, to pašu bumbu. Pēc aprēķiniem, pirmatnējie melnie caurumi varēja rasties Lielā sprādziena rezultātā, un tiem, kuru masa ir aptuveni 10 12 kg, ap mūsu laiku vajadzēja iztvaikot un eksplodēt. Lai kā arī būtu, šādus sprādzienus astronomi nekad nav redzējuši.

Neskatoties uz Hokinga piedāvāto mehānismu melno caurumu iznīcināšanai, Hokinga starojuma īpašības rada paradoksu kvantu mehānikas ietvaros. Ja melnais caurums absorbē kādu ķermeni un pēc tam zaudē masu, kas rodas šī ķermeņa absorbcijas rezultātā, tad neatkarīgi no ķermeņa rakstura melnais caurums neatšķirsies no tā, kāds tas bija pirms ķermeņa absorbcijas. Šajā gadījumā informācija par ķermeni tiek zaudēta uz visiem laikiem. No teorētisko aprēķinu viedokļa sākotnējā tīrā stāvokļa pārveidošana iegūtajā jauktajā (“termiskajā”) stāvoklī neatbilst pašreizējai kvantu mehānikas teorijai. Šo paradoksu dažreiz sauc par informācijas pazušanu melnajā caurumā. Reāls risinājums šim paradoksam nekad nav atrasts. Zināmās iespējas paradoksa risināšanai:

• Hokinga teorijas nekonsekvence. Tas nozīmē, ka nav iespējams iznīcināt melno caurumu un tā pastāvīgu augšanu.
• Balto caurumu klātbūtne. Šajā gadījumā absorbētā informācija nepazūd, bet vienkārši tiek izmesta citā Visumā.
• Vispārpieņemtās kvantu mehānikas teorijas neatbilstība.

Neatrisināta melnā cauruma fizikas problēma

Spriežot pēc visa iepriekš aprakstītā, melnajiem caurumiem, lai arī tie ir pētīti salīdzinoši ilgu laiku, joprojām ir daudzas pazīmes, kuru darbības mehānismi zinātniekiem joprojām nav zināmi.

• 1970. gadā kāds angļu zinātnieks formulēja t.s. "kosmiskās cenzūras princips" - "Daba riebjas no kailās savdabības." Tas nozīmē, ka singularitāte veidojas tikai vietās, kas ir paslēptas no redzesloka, piemēram, melnā cauruma centrā. Tomēr šis princips vēl nav pierādīts. Ir arī teorētiski aprēķini, saskaņā ar kuriem var rasties "plika" singularitāte.
• Nav pierādīta arī “bez matu teorēma”, saskaņā ar kuru melnajiem caurumiem ir tikai trīs parametri.
• Pilnīga teorija par melnā cauruma magnetosfēru nav izstrādāta.
• Gravitācijas singularitātes būtība un fizika nav pētīta.
• Nav precīzi zināms, kas notiek melnā cauruma pastāvēšanas beigu posmā un kas paliek pēc tā kvantu sabrukšanas.

Interesanti fakti par melnajiem caurumiem

Apkopojot iepriekš minēto, varam izcelt vairākus interesantus un neparastas iezīmes Melno caurumu raksturs:

• Melnajiem caurumiem ir tikai trīs parametri: masa, elektriskais lādiņš un leņķiskais impulss. Tā kā šī ķermeņa īpašību skaits ir tik mazs, teorēmu, kas to nosaka, sauc par "no matu teorēmu". No šejienes arī radās frāze “melnajam caurumam nav matu”, kas nozīmē, ka divi melnie caurumi ir absolūti identiski, to trīs minētie parametri ir vienādi.
• Melno caurumu blīvums var būt mazāks par gaisa blīvumu, un temperatūra ir tuvu absolūtai nullei. No tā mēs varam pieņemt, ka melnā cauruma veidošanās notiek nevis vielas saspiešanas dēļ, bet gan liela daudzuma vielas uzkrāšanās rezultātā noteiktā tilpumā.
• Melno caurumu absorbēto ķermeņu laiks iet daudz lēnāk nekā ārējam novērotājam. Turklāt absorbētie ķermeņi ir ievērojami izstiepti melnā cauruma iekšpusē, ko zinātnieki nodēvējuši par spagetifikāciju.
• Mūsu galaktikā var būt aptuveni miljons melno caurumu.
• Droši vien katras galaktikas centrā ir supermasīvs melnais caurums.
• Nākotnē, pēc teorētiskā modeļa, Visums sasniegs tā saukto melno caurumu ēru, kad melnie caurumi kļūs par dominējošiem ķermeņiem Visumā.

Melnie caurumi, tumšā matērija, tumšā matērija... Tie neapšaubāmi ir dīvainākie un noslēpumainākie objekti kosmosā. Viņu dīvainās īpašības var pārkāpt Visuma fizikas likumus un pat esošās realitātes raksturu. Lai saprastu, kas ir melnie caurumi, zinātnieki piedāvā “mainīt orientierus”, iemācīties domāt ārpus rāmjiem un likt lietā iztēli. Melnie caurumi veidojas no supermasīvu zvaigžņu kodoliem, ko var raksturot kā kosmosa reģionu, kur tukšumā ir koncentrēta milzīga masa, un nekas, pat gaisma, nevar izvairīties no gravitācijas pievilcības. Šī ir zona, kurā otrais telpas ātrums pārsniedz gaismas ātrumu: Un jo masīvāks ir kustības objekts, jo ātrāk tam jāpārvietojas, lai atbrīvotos no gravitācijas. To sauc par otro evakuācijas ātrumu.

Collier Encyclopedia par melno caurumu sauc apgabalu kosmosā, kas radies matērijas pilnīgas gravitācijas sabrukuma rezultātā, kurā gravitācijas pievilcība ir tik spēcīga, ka to nevar atstāt ne matērija, ne gaisma, ne citi informācijas nesēji. Tāpēc melnā cauruma iekšpuse nav cēloņsakarības ar pārējo Visumu; fiziski procesi, kas notiek melnā cauruma iekšpusē, nevar ietekmēt procesus ārpus tā. Melno caurumu ieskauj virsma ar vienvirziena membrānas īpašību: caur to viela un starojums brīvi iekrīt melnajā caurumā, bet no tā nekas nevar izkļūt. Šo virsmu sauc par "notikumu horizontu".

Atklājumu vēsture

Melnie caurumi, ko paredz vispārējā relativitāte (Einšteina 1915. gadā ierosinātā gravitācijas teorija) un citi, ir vairāk mūsdienu teorijas gravitāciju matemātiski pamatoja R. Openheimers un H. Snaiders 1939. gadā. Taču telpas un laika īpašības šo objektu tuvumā izrādījās tik neparastas, ka astronomi un fiziķi tos neuztvēra nopietni 25 gadus. Tomēr astronomiskie atklājumi 1960. gadu vidū piespieda mūs aplūkot melnos caurumus kā iespējamu fizisko realitāti. Jauni atklājumi un izpēte var būtiski mainīt mūsu izpratni par telpu un laiku, izgaismojot miljardiem kosmisko noslēpumu.

Melno caurumu veidošanās

Kamēr zvaigznes iekšpusē notiek kodoltermiskās reakcijas, tās uztur augstu temperatūru un spiedienu, neļaujot zvaigznei sabrukt savas gravitācijas ietekmē. Tomēr laika gaitā kodoldegviela ir izsmelta, un zvaigzne sāk sarukt. Aprēķini liecina, ka, ja zvaigznes masa nepārsniegs trīs Saules masas, tā uzvarēs “cīņā ar gravitāciju”: tās gravitācijas sabrukumu apturēs “deģenerētas” matērijas spiediens, un zvaigzne uz visiem laikiem pārvērtīsies par baltais punduris vai neitronu zvaigzne. Bet, ja zvaigznes masa ir lielāka par trim Saulēm, tad nekas nevar apturēt tās katastrofālo sabrukumu un tā ātri nonāks zem notikumu horizonta, kļūstot par melno caurumu.

Vai melnais caurums ir virtuļu caurums?

Viss, kas neizstaro gaismu, ir grūti saskatāms. Viens no veidiem, kā meklēt melno caurumu, ir meklēt reģionus atklāta telpa, kuriem ir liela masa un kas atrodas tumšā telpā. Meklējot šāda veida objektus, astronomi tos ir atraduši divās galvenajās jomās: galaktiku centros un mūsu galaktikas bināro zvaigžņu sistēmās. Kopumā, kā norāda zinātnieki, šādu objektu ir desmitiem miljonu.

Pašlaik vienīgais drošais veids, kā atšķirt melno caurumu no cita veida objekta, ir izmērīt objekta masu un izmēru un salīdzināt tā rādiusu ar

Katrs cilvēks, kurš iepazīstas ar astronomiju, agri vai vēlu piedzīvo spēcīgu ziņkāri par Visuma noslēpumainākajiem objektiem – melnajiem caurumiem. Tie ir īstie tumsas meistari, kas spēj "norīt" jebkuru tuvumā ejošo atomu un neļaut izkļūt pat gaismai – viņu pievilcība ir tik spēcīga. Šie objekti ir īsts izaicinājums fiziķiem un astronomiem. Pirmie joprojām nevar saprast, kas notiek ar vielu, kas iekritusi melnajā caurumā, un otrie, lai gan viņi energoietilpīgākās kosmosa parādības skaidro ar melno caurumu esamību, viņiem nekad nav bijusi iespēja kādu no tām novērot. tieši. Mēs runāsim par šiem interesantākajiem debess objektiem, uzzināsim, kas jau ir atklāts un kas vēl ir jāzina, lai paceltu noslēpuma plīvuru.

Kas ir melnais caurums?

Nosaukumu "melnais caurums" (angļu valodā - black hole) 1967. gadā ierosināja amerikāņu teorētiskais fiziķis Džons Arčibalds Vīlers (skat. fotoattēlu pa kreisi). Tas kalpoja, lai apzīmētu debess ķermeni, kura pievilcība ir tik spēcīga, ka pat gaisma neatlaižas no sevis. Tāpēc tas ir "melns", jo neizstaro gaismu.

netiešie novērojumi

Tas ir iemesls šādai noslēpumai: tā kā melnie caurumi nespīd, mēs tos neredzam tieši un esam spiesti tos meklēt un pētīt, izmantojot tikai netiešus pierādījumus, ka to esamība atstāj apkārtējo telpu. Citiem vārdiem sakot, ja melnais caurums apņem zvaigzni, mēs nevaram redzēt melno caurumu, bet mēs varam novērot tās spēcīgā gravitācijas lauka postošo ietekmi.

Laplasa intuīcija

Neskatoties uz to, ka izteiciens "melnais caurums", kas apzīmē zvaigznes hipotētisko evolūcijas pēdējo posmu, kas gravitācijas ietekmē sabruka sevī, parādījās salīdzinoši nesen, ideja par šādu ķermeņu pastāvēšanas iespējamību radās. vairāk nekā pirms diviem gadsimtiem. Anglis Džons Mišels un francūzis Pjērs Saimons de Laplass neatkarīgi izvirzīja hipotēzi par "neredzamo zvaigžņu" esamību; kamēr tie balstījās uz parastajiem dinamikas likumiem un likuma smagumsŅūtons. Šodien melnie caurumi ieguva savu pareizs apraksts pamatā vispārējā teorija Einšteina relativitāte.

Savā darbā An Account of the World of the World (1796) Laplass rakstīja: Spoza zvaigzne tāds pats blīvums kā Zemei, kuras diametrs ir 250 reižu lielāks par Saules diametru, tās gravitācijas pievilkšanās dēļ neļautu gaismas stariem sasniegt mūs. Tāpēc ir iespējams, ka šī iemesla dēļ lielākie un spožākie debess ķermeņi ir neredzami.

Neuzvaramā gravitācija

Laplasa ideja balstījās uz bēgšanas ātruma (otrā kosmiskā ātruma) koncepciju. Melnais caurums ir tik blīvs objekts, ka tā pievilcība spēj aizturēt pat gaismu, kas attīsta lielāko ātrumu dabā (gandrīz 300 000 km/s). Praksē, lai izkļūtu no melnā cauruma, ir nepieciešams ātrums, kas ir lielāks par gaismas ātrumu, taču tas nav iespējams!

Tas nozīmē, ka šāda veida zvaigzne būtu neredzama, jo pat gaisma nespētu pārvarēt savu spēcīgo gravitāciju. Einšteins šo faktu izskaidroja ar gaismas novirzes fenomenu gravitācijas lauka ietekmē. Patiesībā melnā cauruma tuvumā telpa-laiks ir tik izliekts, ka arī gaismas staru ceļi aizveras paši sev. Lai Sauli pārvērstu par melno caurumu, mums visa tās masa būs jākoncentrē bumbiņā ar rādiusu 3 km, un Zemei būs jāpārvēršas par lodi ar rādiusu 9 mm!

Melno caurumu veidi

Apmēram pirms desmit gadiem novērojumi liecināja par divu veidu melno caurumu pastāvēšanu: zvaigžņu, kuru masa ir salīdzināma ar Saules masu vai nedaudz pārsniedz to, un supermasīvo, kuru masa ir no vairākiem simtiem tūkstošu līdz daudziem miljoniem saules masu. Tomēr salīdzinoši nesen augstas izšķirtspējas rentgena attēli un spektri, kas iegūti ar mākslīgie pavadoņi piemēram, "Chandra" un "HMM-Newton", priekšplānā izvirzīja trešo melno caurumu veidu - ar vidējo lielumu masu, kas tūkstoš reižu pārsniedz Saules masu.

zvaigžņu melnie caurumi

Zvaigžņu melnie caurumi kļuva zināmi agrāk nekā citi. Tie veidojas, kad tās galā atrodas lielas masas zvaigzne evolūcijas ceļš beidzas kodoldegviela un sabrūk sevī savas gravitācijas dēļ. Zvaigznes satricinošam sprādzienam (šo parādību sauc par "supernovas sprādzienu") ir katastrofālas sekas: ja zvaigznes kodols pārsniedz Saules masu vairāk nekā 10 reizes, kodolenerģija nespēja izturēt gravitācijas sabrukumu, kas izraisītu melno caurumu.

Supermasīvi melnie caurumi

Supermasīvajiem melnajiem caurumiem, kas pirmo reizi tika konstatēti dažu aktīvo galaktiku kodolos, ir atšķirīga izcelsme. Ir vairākas hipotēzes par to dzimšanu: zvaigžņu melnais caurums, kas miljoniem gadu aprij visas apkārt esošās zvaigznes; apvienots melno caurumu kopums; kolosāls gāzes mākonis, kas sabrūk tieši melnajā caurumā. Šie melnie caurumi ir vieni no enerģiskākajiem objektiem kosmosā. Tie atrodas ļoti daudzu galaktiku centros, ja ne visās. Arī mūsu Galaktikā ir šāds melnais caurums. Dažreiz šāda melnā cauruma klātbūtnes dēļ šo galaktiku kodoli kļūst ļoti spilgti. Galaktikas ar melnajiem caurumiem centrā, ko ieskauj liels daudzums krītošas ​​vielas un tādējādi spēj saražot milzīgu enerģijas daudzumu, sauc par "aktīvajām", un to kodolus sauc par "aktīvajiem galaktikas kodoliem" (AGN). Piemēram, kvazāri (vistālākie kosmosa objekti, kas ir pieejami mūsu novērojumiem) ir aktīvas galaktikas, kurās mēs redzam tikai ļoti spilgtu kodolu.

Vidējs un "mini"

Vēl viens noslēpums joprojām ir vidējas masas melnie caurumi, kas saskaņā ar jaunākajiem pētījumiem var atrasties dažu lodveida kopu centrā, piemēram, M13 un NCC 6388. Daudzi astronomi ir skeptiski pret šiem objektiem, bet daži jaunākais pētījums liecina par vidēja izmēra melno caurumu klātbūtni pat mūsu galaktikas centra tuvumā. Angļu fiziķis Stīvens Hokings arī izvirzīja teorētisku pieņēmumu par ceturtā veida melnā cauruma eksistenci - "mini caurumu", kura masa ir tikai miljards tonnu (kas ir aptuveni vienāda ar liela kalna masu). Tas ir par par primārajiem objektiem, tas ir, tiem, kas parādījās pirmajos Visuma dzīves brīžos, kad spiediens vēl bija ļoti augsts. Tomēr nekādas pēdas par to esamību vēl nav atklātas.

Kā atrast melno caurumu

Tikai pirms dažiem gadiem virs melnajiem caurumiem iedegās gaisma. Pateicoties pastāvīgi pilnveidotajiem instrumentiem un tehnoloģijām (gan virszemes, gan kosmosa), šie objekti kļūst arvien mazāk noslēpumaini; precīzāk, telpa ap tiem kļūst mazāk noslēpumaina. Patiešām, tā kā pats melnais caurums ir neredzams, mēs to varam atpazīt tikai tad, ja to ieskauj pietiekami daudz matērijas (zvaigznes un karsta gāze), kas riņķo ap to nelielā attālumā.

Skatās dubultās sistēmas

Daži zvaigžņu melnie caurumi ir atklāti, novērojot zvaigznes orbitālo kustību ap neredzamu pavadoni dubultā sistēma. Ciešas binārās sistēmas (tas ir, kas sastāv no divām zvaigznēm ļoti tuvu viena otrai), kurās viens no pavadoņiem ir neredzams, ir astrofiziķu iecienītākais novērošanas objekts, kas meklē melnos caurumus.

Melnā cauruma (vai neitronu zvaigznes) klātbūtnes pazīme ir spēcīga rentgenstaru emisija, ko izraisa sarežģīts mehānisms, ko shematiski var aprakstīt šādi. Pateicoties tās spēcīgajai gravitācijai, melnais caurums var izraut vielu no pavadošās zvaigznes; šī gāze tiek izplatīta plakana diska veidā un spirālē iekrīt melnajā caurumā. Berze, kas rodas krītošu gāzu daļiņu sadursmes rezultātā, uzsilda diska iekšējos slāņus līdz vairākiem miljoniem grādu, kas izraisa spēcīgu rentgenstaru emisiju.

Novērojumi iekšā rentgenstari

Vairāku gadu desmitu laikā veiktie novērojumi objektu rentgena staros mūsu galaktikā un blakus esošajās galaktikās ir ļāvuši atklāt kompaktus bināros avotus, no kuriem aptuveni desmiti ir sistēmas, kurās ir melno caurumu kandidāti. Galvenā problēma ir noteikt neredzama debess ķermeņa masu. Masas vērtību (lai arī ne pārāk precīzu) var noskaidrot, pētot pavadoņa kustību vai, kas ir daudz grūtāk, izmērot intensitāti rentgena starojums krītoša viela. Šo intensitāti savieno vienādojums ar ķermeņa masu, uz kuras šī viela nokrīt.

Nobela prēmijas laureāts

Kaut ko līdzīgu var teikt par supermasīvajiem melnajiem caurumiem, kas novēroti daudzu galaktiku kodolos, kuru masas tiek novērtētas, mērot melnajā caurumā krītošās gāzes orbitālos ātrumus. Šajā gadījumā, ko izraisa ļoti liela objekta spēcīgs gravitācijas lauks, galaktiku centrā riņķojošo gāzu mākoņu ātruma strauju pieaugumu atklāj novērojumi radio diapazonā, kā arī optiskajos staros. Novērojumi rentgenstaru diapazonā var apstiprināt palielināto enerģijas izdalīšanos, ko izraisa vielas iekrišana melnajā caurumā. Pētījumus rentgenstaru jomā 60. gadu sākumā uzsāka itālis Rikardo Džakoni, kurš strādāja ASV. Viņam 2002. gadā tika piešķirta Nobela prēmija, atzīstot viņa "revolucionāro ieguldījumu astrofizikā, kas ļāva atklāt rentgenstaru avotus kosmosā".

Cygnus X-1: pirmais kandidāts

Mūsu galaktika nav imūna pret melno caurumu kandidātobjektu klātbūtni. Par laimi, neviens no šiem objektiem neatrodas mums tik tuvu, lai radītu briesmas Zemes pastāvēšanai vai Saules sistēma. Par spīti liels skaits atzīmēja kompaktos rentgenstaru avotus (un tie ir visticamākie kandidāti melno caurumu atrašanai), mēs neesam pārliecināti, ka tajos patiešām ir melnie caurumi. Vienīgais no šiem avotiem, kam nav alternatīva versija, ir tuvu binārais Cygnus X-1, tas ir, spilgtākais rentgenstaru avots Cygnus zvaigznājā.

masīvas zvaigznes

Šī sistēma, kuras orbītas periods ir 5,6 dienas, sastāv no ļoti spilgti zilas zvaigznes liels izmērs(tās diametrs ir 20 reizes lielāks par sauli, un tās masa ir aptuveni 30 reizes), viegli atšķirama pat jūsu teleskopā un neredzama otrā zvaigzne, kuras masa tiek lēsta vairākās Saules masās (līdz 10). Otrā zvaigzne, kas atrodas 6500 gaismas gadu attālumā no mums, būtu lieliski redzama, ja tā būtu parasta zvaigzne. Tās neredzamība, sistēmas spēcīgie rentgena stari un visbeidzot tās masas novērtējums liek lielākajai daļai astronomu domāt, ka šis ir pirmais apstiprinātais zvaigžņu melnā cauruma atklājums.

Šaubas

Tomēr ir arī skeptiķi. Viņu vidū ir viens no lielākajiem melno caurumu pētniekiem, fiziķis Stīvens Hokings. Viņš pat saslēdza derības ar savu amerikāņu kolēģi Kīlu Tornu, kurš stingri atbalsta Cygnus X-1 klasificēšanu kā melno caurumu.

Strīds par Cygnus X-1 objekta būtību nav vienīgā Hokinga likme. Pēc vairāku deviņu gadu veltīšanas teorētiskie pētījumi melnajiem caurumiem, viņš pārliecinājās par savu iepriekšējo priekšstatu maldīgumu par šiem noslēpumainajiem objektiem.Īpaši Hokings pieņēma, ka matērija pēc iekrišanas melnajā caurumā pazūd uz visiem laikiem, un līdz ar to pazūd arī visa tās informatīvā bagāža. Viņš par to bija tik pārliecināts, ka 1997. gadā noslēdza derības par šo tēmu ar savu amerikāņu kolēģi Džonu Preskilu.

Kļūdas atzīšana

2004. gada 21. jūlijā Hokings savā runā Relativitātes kongresā Dublinā atzina, ka Preskilam bija taisnība. Melnie caurumi nenoved pie pilnīga pazušana vielas. Turklāt viņiem ir noteikta veida "atmiņa". Tajos var būt glabātas pēdas no tā, ko viņi absorbējuši. Tādējādi, “iztvaicējot” (tas ir, lēnām izstarojot starojumu kvantu efekta dēļ), viņi var atgriezt šo informāciju mūsu Visumam.

Melnie caurumi galaktikā

Astronomi joprojām daudz šaubās par zvaigžņu melno caurumu klātbūtni mūsu galaktikā (piemēram, to, kas pieder Cygnus X-1 binārajai sistēmai); bet par supermasīvajiem melnajiem caurumiem šaubu ir daudz mazāk.

Centrā

Mūsu galaktikā ir vismaz viens supermasīvs melnais caurums. Tās avots, kas pazīstams kā Strēlnieks A*, precīzi atrodas Piena Ceļa plaknes centrā. Tās nosaukums izskaidrojams ar to, ka tas ir visspēcīgākais radio avots Strēlnieka zvaigznājā. Tieši šajā virzienā atrodas gan mūsu galaktikas sistēmas ģeometriskais, gan fiziskais centrs. Apmēram 26 000 gaismas gadu attālumā no mums atrodas supermasīvs melnais caurums, kas saistīts ar radioviļņu avotu Strēlnieks A *, kura masa tiek lēsta aptuveni 4 miljonu Saules masu, kas atrodas telpā, kuras tilpums ir salīdzināms ar Saules sistēmas tilpums. Tā relatīvais tuvums mums (šis supermasīvais melnais caurums, bez šaubām, ir vistuvāk Zemei) pēdējos gados ir licis šim objektam būt īpaši dziļam Čandras kosmosa observatorijas pārbaudēm. Jo īpaši izrādījās, ka tas ir arī spēcīgs rentgenstaru avots (bet ne tik spēcīgs kā avoti aktīvajos galaktikas kodolos). Strēlnieks A* var būt snaudošs atlikums no tā, kas bija mūsu galaktikas aktīvais kodols pirms miljoniem vai miljardiem gadu.

Otrais melnais caurums?

Tomēr daži astronomi uzskata, ka mūsu galaktikā ir vēl kāds pārsteigums. Mēs runājam par otro vidējas masas melno caurumu, kas satur jaunu zvaigžņu kopu un neļauj tām iekrist supermasīvā melnajā caurumā, kas atrodas pašā Galaktikas centrā. Kā tas var būt, ka mazāk nekā viena gaismas gada attālumā no tā varētu atrasties zvaigžņu kopa, kuras vecums ir tik tikko sasniedzis 10 miljonus gadu, tas ir, pēc astronomiskajiem standartiem, ļoti jauns? Pēc pētnieku domām, atbilde slēpjas apstāklī, ka klasteris tur nav dzimis (vide ap centrālo melno caurumu ir pārāk naidīga zvaigžņu veidošanās procesam), bet gan "uzvilkta" tur, jo iekšpusē ir otrs melnais caurums. to, kam ir vidējo vērtību masa.

Orbītā

Atsevišķās kopas zvaigznes, ko piesaistīja supermasīvais melnais caurums, sāka virzīties galaktikas centra virzienā. Tomēr tā vietā, lai izkliedētu kosmosā, tie paliek kopā, jo piesaista otru melno caurumu, kas atrodas klastera centrā. Šī melnā cauruma masu var noteikt pēc tā spējas noturēt visu zvaigžņu kopu "pie pavadas". Vidēja izmēra melnais caurums, šķiet, griežas ap centrālo melno caurumu aptuveni 100 gadu laikā. Tas nozīmē, ka ilgtermiņa novērojumi daudzu gadu garumā ļaus mums to "redzēt".

Melnie caurumi ir vienīgie kosmiskie ķermeņi, kas spēj piesaistīt gaismu ar gravitācijas spēku. Tie ir arī lielākie objekti Visumā. Mēs, visticamāk, tuvākajā laikā neuzzināsim, kas notiek viņu notikumu horizonta tuvumā (pazīstams kā "neatgriešanās punkts"). Šīs ir mūsu pasaules noslēpumainākās vietas, par kurām, neskatoties uz gadu desmitiem ilgajiem pētījumiem, līdz šim ir zināms ļoti maz. Šajā rakstā apkopoti 10 fakti, kurus var saukt par intriģējošākajiem.

Melnie caurumi nesūc vielu.

Daudzi cilvēki domā par melno caurumu kā par sava veida "kosmisko putekļu sūcēju", kas ievelk apkārtējo telpu. Patiesībā melnie caurumi ir parasti kosmiski objekti, kuriem ir ārkārtīgi spēcīgs gravitācijas lauks.

Ja Saules vietā rastos tāda paša izmēra melnais caurums, Zeme netiktu ievilkta uz iekšu, tā grieztos pa tādu pašu orbītu kā šodien. Zvaigznes, kas atrodas netālu no melnajiem caurumiem, zaudē daļu savas masas zvaigžņu vēja veidā (tas notiek jebkuras zvaigznes pastāvēšanas laikā), un melnie caurumi absorbē tikai šo vielu.

Melno caurumu esamību paredzēja Kārlis Švarcšilds

Kārlis Švarcšilds bija pirmais, kurš izmantoja Einšteina vispārējo relativitātes teoriju, lai attaisnotu "neatgriešanās punkta" esamību. Pats Einšteins par melnajiem caurumiem nedomāja, lai gan viņa teorija ļauj paredzēt to esamību.

Švarcšilds savu ierosinājumu izteica 1915. gadā, tieši pēc tam, kad Einšteins publicēja savu vispārējo relativitātes teoriju. Tieši tad radās termins "Švarcšilda rādiuss" — vērtība, kas norāda, cik daudz jums ir jāsaspiež objekts, lai tas kļūtu par melno caurumu.

Teorētiski jebkas var kļūt par melno caurumu. pietiekami saspiešana. Jo blīvāks objekts, jo spēcīgāks ir gravitācijas lauks, ko tas rada. Piemēram, Zeme kļūtu par melno caurumu, ja zemesrieksta izmēra objektam būtu sava masa.

Melnie caurumi var radīt jaunus Visumus

Ideja, ka melnie caurumi var radīt jaunus Visumus, šķiet absurda (jo īpaši tāpēc, ka mēs joprojām neesam pārliecināti par citu Visumu esamību). Neskatoties uz to, šādas teorijas aktīvi izstrādā zinātnieki.

Vienas no šīm teorijām ļoti vienkāršota versija ir šāda. Mūsu pasaulē ir ārkārtīgi labvēlīgi apstākļi dzīvības rašanās tajā. Ja kāda no fiziskajām konstantēm kaut nedaudz mainītos, mēs nebūtu šajā pasaulē. Melno caurumu savdabība ignorē parastos fizikas likumus un varētu (vismaz teorētiski) radīt jaunu Visumu, kas atšķirtos no mūsu.

Melnie caurumi var pārvērst jūs (un jebko) par spageti

Melnie caurumi izstiepj objektus, kas atrodas tiem tuvu. Šie priekšmeti sāk atgādināt spageti (ir pat īpašs termins - "spagetifikācija").

Tas ir saistīts ar to, kā darbojas gravitācija. Šobrīd jūsu pēdas atrodas tuvāk Zemes centram nekā jūsu galva, tāpēc tās tiek vilktas spēcīgāk. Melnā cauruma virsmā gravitācijas atšķirība sāk darboties pret jums. Kājas arvien ātrāk pievelkas melnā cauruma centram, lai rumpja augšējā puse nevarētu tām sekot līdzi. Rezultāts: spagetifikācija!

Melnie caurumi laika gaitā iztvaiko

Melnie caurumi ne tikai absorbē zvaigžņu vēju, bet arī iztvaiko. Šī parādība tika atklāta 1974. gadā un tika nosaukta par Hokinga starojumu (pēc atklājuma veicēja Stīvena Hokinga).

Laika gaitā melnais caurums var nodot visu savu masu apkārtējā telpā kopā ar šo starojumu un pazust.

Melnie caurumi palēnina laiku ap tiem

Tuvojoties notikumu horizontam, laiks palēninās. Lai saprastu, kāpēc tas notiek, mums ir jāvēršas pie “dvīņu paradoksa”, domu eksperiments, ko bieži izmanto, lai ilustrētu Einšteina vispārējās relativitātes teorijas pamatus.

Viens no dvīņu brāļiem paliek uz Zemes, bet otrs lido kosmosa ceļojumā, pārvietojoties ar gaismas ātrumu. Atgriežoties uz Zemes, dvīnis atklāj, ka viņa brālis ir novecojis vairāk nekā viņš, jo, pārvietojoties ar ātrumu, kas tuvs gaismas ātrumam, laiks paiet lēnāk.

Tuvojoties melnā cauruma notikumu horizontam, jūs pārvietosities tik lielā ātrumā, ka laiks jums palēnināsies.

Melnie caurumi ir vismodernākās spēkstacijas

Melnie caurumi ģenerē enerģiju labāk nekā Saule un citas zvaigznes. Tas ir saistīts ar lietu, kas griežas ap viņiem. Pārvarot notikumu horizontu lielā ātrumā, viela melnā cauruma orbītā tiek uzkarsēta līdz ārkārtīgi augstām temperatūrām. To sauc par melnā ķermeņa starojumu.

Salīdzinājumam, kodolsintēzes laikā 0,7% vielas tiek pārvērstas enerģijā. Melnā cauruma tuvumā 10% matērijas kļūst par enerģiju!

Melnie caurumi izliek vietu ap tiem

Kosmosu var uzskatīt par izstieptu gumijas joslu, uz kuras ir novilktas līnijas. Ja uzliksiet priekšmetu uz šķīvja, tas mainīs savu formu. Melnie caurumi darbojas tāpat. To galējā masa pievelk pie sevis visu, arī gaismu (kuras starus, turpinot analoģiju, varētu saukt par līnijām uz šķīvja).

Melnie caurumi ierobežo zvaigžņu skaitu Visumā

Zvaigznes rodas no gāzes mākoņiem. Lai sāktos zvaigžņu veidošanās, mākonim ir jāatdziest.

Melno ķermeņu starojums neļauj gāzes mākoņiem atdzist un neļauj veidoties zvaigznēm.

Teorētiski jebkurš objekts var kļūt par melno caurumu.

Vienīgā atšķirība starp mūsu Sauli un melno caurumu ir gravitācijas spēks. Melnā cauruma centrā tas ir daudz spēcīgāks nekā zvaigznes centrā. Ja mūsu Saule būtu saspiesta līdz apmēram pieciem kilometriem diametrā, tas varētu būt melnais caurums.

Teorētiski jebkas var kļūt par melno caurumu. Praksē mēs zinām, ka melnie caurumi rodas tikai milzīgu zvaigžņu sabrukšanas rezultātā, kas pārsniedz Saules masu 20-30 reizes.

S. TRANKOVSKIS

Starp svarīgākajām un interesantākajām mūsdienu fizikas un astrofizikas problēmām akadēmiķis V. L. Gincburgs nosauca ar melnajiem caurumiem saistītos jautājumus (sk. Zinātne un dzīve, 1999. gada 11., 12. nr.). Šo dīvaino objektu esamība tika prognozēta pirms vairāk nekā divsimt gadiem, apstākļi, kas noveda pie to veidošanās, tika precīzi aprēķināti XX gadsimta 30. gadu beigās, un astrofizika tos apzinājās pirms nepilniem četrdesmit gadiem. Šodien zinātniskie žurnāli visā pasaulē katru gadu publicē tūkstošiem rakstu par melnajiem caurumiem.

Melnais caurums var veidoties trīs veidos.

Šādi pieņemts attēlot procesus, kas notiek brūkoša melnā cauruma tuvumā. Laikam ritot (Y), telpa (X) ap to (ēnotais laukums) sarūk pretī singularitātei.

Melnā cauruma gravitācijas lauks rada spēcīgus izkropļojumus telpas ģeometrijā.

Melnais caurums, kas nav redzams caur teleskopu, atklājas tikai ar gravitācijas ietekmi.

Melnā cauruma spēcīgajā gravitācijas laukā dzimst daļiņu un pretdaļiņu pāri.

Daļiņu-pretdaļiņu pāra dzimšana laboratorijā.

KĀ TIE RĀDĀS

Gaismas debess ķermenis, kura blīvums ir vienāds ar Zemes blīvumu un kura diametrs ir divsimt piecdesmit reizes lielāks par Saules diametru, tā pievilkšanās spēka dēļ neļaus tā gaismai sasniegt mūs. Tādējādi ir iespējams, ka lielākie gaismas ķermeņi Visumā, tieši to izmēra dēļ, paliek neredzami.
Pjērs Saimons Laplass.
Pasaules sistēmas prezentācija. 1796. gads

1783. gadā angļu matemātiķis Džons Mičels un trīspadsmit gadus vēlāk neatkarīgi no viņa franču astronoms un matemātiķis Pjērs Saimons Laplass veica ļoti dīvainu pētījumu. Viņi apsvēra apstākļus, kādos gaisma nespētu atstāt zvaigzni.

Zinātnieku loģika bija vienkārša. Jebkuram astronomiskam objektam (planētai vai zvaigznei) var aprēķināt tā saukto bēgšanas ātrumu jeb otro kosmisko ātrumu, kas ļauj jebkuram ķermenim vai daļiņai to atstāt uz visiem laikiem. Un tā laika fizikā dominēja Ņūtona teorija, saskaņā ar kuru gaisma ir daļiņu plūsma (pirms elektromagnētisko viļņu un kvantu teorijas bija palikuši gandrīz simts piecdesmit gadi). Daļiņu izplūdes ātrumu var aprēķināt, pamatojoties uz vienādību potenciālā enerģija uz planētas virsmas un kinētiskā enerģijaķermenis, kas "aizbēga" bezgala lielā attālumā. Šo ātrumu nosaka pēc formulas #1#

kur M ir kosmosa objekta masa, R ir tā rādiuss, G ir gravitācijas konstante.

No šejienes ir viegli iegūt noteiktas masas ķermeņa rādiusu (vēlāk sauktu par "gravitācijas rādiusu". r g "), pie kura bēgšanas ātrums ir vienāds ar gaismas ātrumu:

Tas nozīmē, ka zvaigzne ir saspiesta sfērā ar rādiusu r g< 2GM/c 2 pārstās izstarot - gaisma nevarēs to atstāt. Visumā parādīsies melnais caurums.

Ir viegli aprēķināt, ka Saule (tās masa ir 2,1033 g) pārvērtīsies par melno caurumu, ja tā saruks līdz aptuveni 3 kilometru rādiusam. Tās vielas blīvums šajā gadījumā sasniegs 10 16 g/cm 3 . Zemes rādiuss, saspiests līdz melnā cauruma stāvoklim, samazinātos līdz apmēram vienam centimetram.

Likās neticami, ka dabā var atrast spēkus, kas spēj saspiest zvaigzni līdz tik nenozīmīgam izmēram. Tāpēc secinājumi no Mičela un Laplasa vairāk nekā simts gadu darba tika uzskatīti par kaut ko līdzīgu matemātiskam paradoksam, kam nav fiziskas nozīmes.

Stingri matemātiskais pierādījums ka šāds eksotisks objekts kosmosā ir iespējams, tika iegūts tikai 1916. gadā. Vācu astronoms Kārlis Švarcšilds, analizējis Alberta Einšteina vispārējās relativitātes teorijas vienādojumus, saņēma interesantu rezultātu. Izpētījis daļiņas kustību masīva ķermeņa gravitācijas laukā, viņš nonāca pie secinājuma, ka vienādojums zaudē fiziskā nozīme(tā risinājums iet līdz bezgalībai) plkst r= 0 un r = r g.

Punktus, kuros lauka īpašības zaudē nozīmi, sauc par vienskaitlī, tas ir, par īpašiem. Singularitāte nulles punktā atspoguļo punktu vai, kas ir tas pats, centrāli simetrisku lauka struktūru (galu galā jebkuru sfērisku ķermeni - zvaigzni vai planētu - var attēlot kā materiālu punktu). Un punkti, kas atrodas uz sfēriskas virsmas ar rādiusu r g , veido pašu virsmu, no kuras bēgšanas ātrums ir vienāds ar gaismas ātrumu. Vispārējā relativitātes teorijā to sauc par Švarcšilda vienskaitļa sfēru jeb notikumu horizontu (kāpēc - tas kļūs skaidrs vēlāk).

Jau pie mums pazīstamo objektu - Zemes un Saules - piemēra ir skaidrs, ka melnie caurumi ir ļoti dīvaini priekšmeti. Pat astronomi, kas nodarbojas ar vielu ekstremālās temperatūrās, blīvumā un spiedienā, tos uzskata par ļoti eksotiskiem, un vēl nesen ne visi ticēja to esamībai. Taču pirmās norādes par melno caurumu veidošanās iespējamību jau bija ietvertas A. Einšteina vispārējā relativitātes teorijā, kas izveidota 1915. gadā. Angļu astronoms Artūrs Edingtons, viens no pirmajiem relativitātes teorijas interpretētājiem un popularizētājiem, pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados atvasināja vienādojumu sistēmu, kas apraksta zvaigžņu iekšējo uzbūvi. No tiem izriet, ka zvaigzne atrodas līdzsvarā pretēji vērstu gravitācijas spēku un iekšējā spiediena ietekmē, ko rada karstu plazmas daļiņu kustība gaismekļa iekšpusē un tās dziļumos radītā starojuma spiediens. Un tas nozīmē, ka zvaigzne ir gāzes bumba, kuras centrā siltumu pakāpeniski samazinās virzienā uz perifēriju. No vienādojumiem jo īpaši izrietēja, ka Saules virsmas temperatūra ir aptuveni 5500 grādu (kas diezgan atbilst astronomisko mērījumu datiem), un tās centrā vajadzētu būt aptuveni 10 miljoniem grādu. Tas ļāva Edingtonam izdarīt pravietisku secinājumu: pie šādas temperatūras tiek "aizdegta" kodoltermiskā reakcija, kas ir pietiekama, lai nodrošinātu Saules spīdumu. Tā laika atomfiziķi tam nepiekrita. Viņiem šķita, ka zvaigznes zarnās ir pārāk "auksts": temperatūra tur bija nepietiekama, lai reakcija "iet". Uz to saniknotais teorētiķis atbildēja: "Meklējiet karstāku vietu!"

Un galu galā viņam izrādījās taisnība: zvaigznes centrā patiešām notiek kodoltermiskā reakcija (cita lieta, ka tā sauktais "standarta saules modelis", kas balstīts uz idejām par kodolsintēzi, acīmredzot izrādījās būt nepareizi - skatīt, piemēram, "Zinātne un dzīve" Nr. 2, 3, 2000). Neskatoties uz to, reakcija zvaigznes centrā notiek, zvaigzne spīd, un radiācija, kas šajā gadījumā rodas, notur to stabilā stāvoklī. Taču tagad zvaigznē esošā kodoldegviela izdeg. Enerģijas izdalīšanās apstājas, starojums nodziest, un spēks, kas kavē gravitācijas pievilcību, pazūd. Zvaigznes masai ir ierobežojums, pēc kura zvaigzne sāk neatgriezeniski sarukt. Aprēķini liecina, ka tas notiek, ja zvaigznes masa pārsniedz divas vai trīs Saules masas.

GRAVITACIJAS SAKLĀŠANĀS

Sākumā zvaigznes saraušanās ātrums ir mazs, bet tā ātrums nepārtraukti palielinās, jo pievilkšanās spēks ir apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam. Saspiešana kļūst neatgriezeniska, nav spēku, kas spētu pretoties pašgravitācijai. Šo procesu sauc par gravitācijas sabrukumu. Zvaigznes čaulas ātrums pret savu centru palielinās, tuvojoties gaismas ātrumam. Un šeit savu lomu sāk spēlēt relativitātes teorijas ietekme.

Bēgšanas ātrums tika aprēķināts, pamatojoties uz Ņūtona idejām par gaismas dabu. No vispārējās relativitātes viedokļa parādības sabrūkošas zvaigznes tuvumā notiek nedaudz atšķirīgi. Tā spēcīgajā gravitācijas laukā notiek tā sauktā gravitācijas sarkanā nobīde. Tas nozīmē, ka starojuma frekvence, kas nāk no masīva objekta, tiek novirzīta uz zemām frekvencēm. Robežā, pie Švarcšilda sfēras robežas, starojuma frekvence kļūst nulle. Tas ir, novērotājs, kas atrodas ārpus tā, nevarēs neko uzzināt par to, kas notiek iekšā. Tāpēc Švarcšilda sfēru sauc par notikumu horizontu.

Bet frekvences samazināšana ir līdzvērtīga laika palēnināšanai, un, kad frekvence kļūst par nulli, laiks apstājas. Tas nozīmē, ka ārējais novērotājs redzēs ļoti dīvainu ainu: zvaigznes apvalks, kas krīt ar pieaugošu paātrinājumu, tā vietā, lai sasniegtu gaismas ātrumu, apstājas. No viņa viedokļa kontrakcija apstāsies, tiklīdz zvaigznes izmērs tuvosies gravitācijas rādiusam
ūsas. Viņš nekad neredzēs pat vienu daļiņu, kas "nirst" zem Švarcšilda sfēras. Bet hipotētiskajam novērotājam, kurš iekrīt melnajā caurumā, pēc pulksteņa domām, viss beigsies dažu mirkļu laikā. Tādējādi Saules izmēra zvaigznes gravitācijas sabrukšanas laiks būs 29 minūtes, bet daudz blīvākas un kompaktākas neitronu zvaigznes - tikai 1/20 000 sekundes. Un te viņam ir nepatikšanas, kas saistītas ar telpas-laika ģeometriju pie melnā cauruma.

Novērotājs ieiet izliektā telpā. Gravitācijas rādiusa tuvumā gravitācijas spēki kļūst bezgalīgi lieli; viņi izstiepj raķeti ar astronautu-novērotāju bezgalīgi plānā bezgala garuma pavedienā. Bet viņš pats to nepamanīs: visas viņa deformācijas atbildīs telpas-laika koordinātu izkropļojumiem. Šie apsvērumi, protams, attiecas uz ideālu, hipotētisku gadījumu. Jebkurš īsts ķermenis tiks saplēsts plūdmaiņu spēku ietekmē ilgi pirms tuvošanās Švarcšilda sfērai.

MELNIE BAURUMI IZMĒRI

Melnā cauruma izmērs vai, pareizāk sakot, Švarcšilda sfēras rādiuss ir proporcionāls zvaigznes masai. Un tā kā astrofizika neuzliek nekādus ierobežojumus zvaigznes izmēram, melnais caurums var būt patvaļīgi liels. Ja, piemēram, tas rastos zvaigznei ar 108 saules masu lielu masu sabrukšanas laikā (vai simtiem tūkstošu vai pat miljonu salīdzinoši mazu zvaigžņu saplūšanas dēļ), tās rādiuss būtu aptuveni 300 miljoni kilometru, divreiz pārsniedz Zemes orbītu. Un šāda milža vielas vidējais blīvums ir tuvu ūdens blīvumam.

Acīmredzot tieši šādi melnie caurumi ir atrodami galaktiku centros. Jebkurā gadījumā astronomi mūsdienās saskaita apmēram piecdesmit galaktikas, kuru centrā, spriežot pēc netiešajām zīmēm (par tām mēs runāsim tālāk), atrodas melnie caurumi, kuru masa ir aptuveni miljards (10 9) saules. Acīmredzot arī mūsu galaktikai ir savs melnais caurums; tā masa tika novērtēta diezgan precīzi - 2,4. 10 6 ±10% no Saules masas.

Teorija pieņem, ka kopā ar šādiem supergigantiem ir melni mini caurumi ar masu aptuveni 10 14 g un rādiusu aptuveni 10 -12 cm (izmērs atoma kodols). Tie varētu parādīties pirmajos Visuma pastāvēšanas brīžos kā ļoti spēcīgas telpas-laika neviendabīguma izpausme ar kolosālu enerģijas blīvumu. Apstākļi, kas toreiz bija Visumā, tagad tiek realizēti spēcīgo kolidētāju (paātrinātāju uz sadursmes stariem) pētnieki. Šī gada sākumā CERN veiktie eksperimenti radīja kvarka-gluona plazmu, jau esošu vielu. elementārdaļiņas. Šīs vielas stāvokļa izpēte turpinās Brukhavenā, Amerikas paātrinātāju centrā. Tas spēj paātrināt daļiņas līdz enerģijām, kas ir par pusotru līdz divām kārtām augstākas nekā paātrinātājs
CERN. Gaidāmais eksperiments izraisīja nopietnu satraukumu: vai tā īstenošanas laikā radīsies melns mini caurums, kas salieks mūsu telpu un iznīcinās Zemi?

Šīs bailes izraisīja tik spēcīgu reakciju, ka ASV valdība bija spiesta sasaukt autoritatīvu komisiju, lai pārbaudītu šo iespēju. Komisija, kas sastāvēja no ievērojamiem pētniekiem, secināja, ka paātrinātāja enerģija ir pārāk zema, lai veidotos melnais caurums (šis eksperiments ir aprakstīts žurnālā "Zinātne un dzīve" Nr. 3, 2000).

KĀ REDZĒT NEREDZAMO

Melnie caurumi neizstaro neko, pat ne gaismu. Tomēr astronomi ir iemācījušies tos saskatīt, pareizāk sakot, atrast "kandidātus" šai lomai. Ir trīs veidi, kā noteikt melno caurumu.

1. Jāseko līdzi zvaigžņu cirkulācijai kopās ap noteiktu smaguma centru. Ja izrādās, ka šajā centrā nekā nav, un zvaigznes griežas it kā ap tukšu vietu, var pietiekami droši teikt: šajā "tukšumā" ir melnais caurums. Pamatojoties uz to, tika pieņemts, ka mūsu Galaktikas centrā ir melnais caurums, un tika novērtēta tā masa.

2. Melnais caurums aktīvi iesūc sevī matēriju no apkārtējās telpas. Uz tā spirālē nokrīt starpzvaigžņu putekļi, gāze, tuvējo zvaigžņu matērija, veidojot tā saukto akrecijas disku, līdzīgu Saturna gredzenam. (Tieši tas bija biedējoši Brūkhevenas eksperimentā: melnais mini caurums, kas radās paātrinātājā, sāks iesūkt Zemi sevī, un šo procesu nevarēja apturēt nekādi spēki.) Tuvojoties Švarcšilda sfērai, daļiņas piedzīvo paātrinājumu un sāk izstarot rentgena diapazonā. Šim starojumam ir raksturīgs spektrs, kas līdzīgs labi izpētītajam sinhrotronā paātrinātu daļiņu starojumam. Un, ja šāds starojums nāk no kāda Visuma reģiona, mēs varam droši teikt, ka tur ir jābūt melnajam caurumam.

3. Kad divi melnie caurumi saplūst, rodas gravitācijas starojums. Ir aprēķināts, ka, ja katra masa ir aptuveni desmit reizes lielāka par Saules masu, tad, tām saplūstot dažu stundu laikā, gravitācijas viļņu veidā izdalīsies enerģija, kas līdzvērtīga 1% no to kopējās masas. Tas ir tūkstoš reižu vairāk nekā gaisma, siltums un cita enerģija, ko Saule ir izstarojusi visā savas pastāvēšanas laikā – piecu miljardu gadu laikā. Viņi cer atklāt gravitācijas starojumu ar gravitācijas viļņu observatoriju LIGO un citu palīdzību, kuras tagad tiek būvētas Amerikā un Eiropā, piedaloties Krievijas pētniekiem (sk. "Zinātne un dzīve" Nr. 5, 2000).

Un tomēr, lai gan astronomiem nav šaubu par melno caurumu esamību, neviens nevar kategoriski apgalvot, ka tieši viens no tiem atrodas noteiktā kosmosa punktā. Zinātniskā ētika, pētnieka apzinīgums prasa nepārprotamu atbildi uz uzdoto jautājumu, kas nepieļauj neatbilstības. Nepietiek, lai novērtētu neredzamā objekta masu, jums ir jāizmēra tā rādiuss un jāparāda, ka tas nepārsniedz Švarcšilda masu. Un pat mūsu Galaktikā šī problēma vēl nav atrisināta. Tāpēc zinātnieki izrāda zināmu atturību, ziņojot par saviem atklājumiem, un zinātniskie žurnāli ir burtiski pilni ar ziņojumiem par teorētisko darbu un novērojumiem par ietekmi, kas var izgaismot viņu noslēpumu.

Tiesa, melnajiem caurumiem ir arī vēl viena teorētiski prognozēta īpašība, kas, iespējams, ļautu tos ieraudzīt. Tomēr ar vienu nosacījumu: melnā cauruma masai jābūt daudz mazākai par Saules masu.

MELNS BAURUMS VAR BŪT "BALTS"

Ilgu laiku melnie caurumi tika uzskatīti par tumsas iemiesojumu, objektiem, kas vakuumā, ja nav vielas absorbcijas, neko neizstaro. Tomēr 1974. gadā slavenais angļu teorētiķis Stīvens Hokings parādīja, ka melnajiem caurumiem var piešķirt temperatūru un tāpēc tiem ir jāizstaro.

Saskaņā ar kvantu mehānikas jēdzieniem vakuums nav tukšums, bet gan sava veida "telplaika putas", virtuālu (mūsu pasaulē nenovērojamu) daļiņu jūklis. Tomēr kvantu enerģijas svārstības spēj "izmest" daļiņu-pretdaļiņu pāri no vakuuma. Piemēram, kad saduras divi vai trīs gamma kvanti, elektrons un pozitrons parādās it kā no nekā. Šī un līdzīgas parādības vairākkārt novērotas laboratorijās.

Tieši kvantu svārstības nosaka melno caurumu radiācijas procesus. Ja daļiņu pāris ar enerģijām E un -E(pāra kopējā enerģija ir nulle), rodas Švarcšilda sfēras tuvumā, tālākais liktenis daļiņas būs atšķirīgas. Viņi var iznīcināt gandrīz nekavējoties vai kopā nonākt notikumu horizontā. Šajā gadījumā melnā cauruma stāvoklis nemainīsies. Bet, ja zem horizonta nonāk tikai viena daļiņa, novērotājs reģistrēs citu, un viņam šķitīs, ka to radījis melnais caurums. Šajā gadījumā melnais caurums, kas ir absorbējis daļiņu ar enerģiju -E, samazinās savu enerģiju, un ar enerģiju E- palielināt.

Hokings aprēķināja ātrumu, kādā notiek visi šie procesi, un nonāca pie secinājuma: daļiņu ar negatīvu enerģiju absorbcijas varbūtība ir lielāka. Tas nozīmē, ka melnais caurums zaudē enerģiju un masu – tas iztvaiko. Turklāt tas izstaro kā pilnīgi melns ķermenis ar temperatūru T = 6 . 10 -8 M ar / M kelvins, kur M c ir Saules masa (2,1033 g), M ir melnā cauruma masa. Šī vienkāršā sakarība parāda, ka melnā cauruma, kura masa ir sešas reizes lielāka par Saules masu, temperatūra ir grāda simtmiljonā daļa. Ir skaidrs, ka tik auksts ķermenis praktiski neko neizstaro, un viss iepriekš minētais arguments paliek spēkā. Cita lieta - mini bedrītes. Ir viegli redzēt, ka ar 10 14 -10 30 gramu masu tie ir uzkarsēti līdz desmitiem tūkstošu grādu un ir balti karsti! Tomēr uzreiz jāatzīmē, ka nav pretrunu ar melno caurumu īpašībām: šo starojumu izstaro slānis virs Švarcšilda sfēras, nevis zem tās.

Tātad melnais caurums, kas šķita mūžīgi sasalis objekts, agrāk vai vēlāk pazūd, iztvaikojot. Turklāt, tā kā tas "zaudē svaru", iztvaikošanas ātrums palielinās, taču tas joprojām aizņem ārkārtīgi ilgu laiku. Tiek lēsts, ka 10 14 gramus smagajām mini bedrītēm, kas parādījās tūlīt pēc Lielā sprādziena pirms 10–15 miljardiem gadu, līdz mūsu laikam vajadzētu pilnībā iztvaikot. Viņu dzīves pēdējā posmā to temperatūra sasniedz kolosālu vērtību, tāpēc iztvaikošanas produktiem jābūt daļiņām ar ārkārtīgi augstu enerģiju. Iespējams, ka tie rada plašas atmosfēras lietusgāzes - EAS Zemes atmosfērā. Jebkurā gadījumā anomāli augstas enerģijas daļiņu izcelsme ir vēl viena svarīga un interesanta problēma, kas var būt cieši saistīts ar ne mazāk aizraujošiem jautājumiem melnā cauruma fizikā.