Ze względu na stosunkowo niedawny wzrost zainteresowania tworzeniem filmów popularnonaukowych o eksploracji kosmosu, współczesny widz słyszał wiele o takich zjawiskach, jak osobliwość czy czarna dziura. Jednak filmy oczywiście nie odsłaniają w pełni natury tych zjawisk, a czasem nawet dla większego efektu zniekształcają konstruowane teorie naukowe. Z tego powodu prezentacja wielu współcześni ludzie o tych zjawiskach albo całkowicie powierzchownie, albo zupełnie błędnie. Jednym z rozwiązań powstałego problemu jest niniejszy artykuł, w którym postaramy się zrozumieć dotychczasowe wyniki badań i odpowiedzieć na pytanie – czym jest czarna dziura?

W 1784 r. angielski ksiądz i przyrodnik John Michell po raz pierwszy wspomniał w liście do Royal Society o hipotetycznym, masywnym ciele, które ma tak silne przyciąganie grawitacyjne, że druga kosmiczna prędkość dla niego przekroczyłaby prędkość światła. Druga prędkość kosmiczna to prędkość, jaką stosunkowo mały obiekt będzie potrzebował, aby przezwyciężyć przyciąganie grawitacyjne ciała niebieskiego i opuścić zamkniętą orbitę wokół tego ciała. Według jego obliczeń ciało o gęstości Słońca i promieniu 500 promieni słonecznych będzie miało na swojej powierzchni drugą prędkość kosmiczną równą prędkości światła. W takim przypadku nawet światło nie opuści powierzchni takiego ciała, a co za tym idzie dane ciało pochłonie tylko wpadające światło i pozostanie niewidoczne dla obserwatora - rodzaj czarnej plamy na tle ciemnej przestrzeni.

Jednak koncepcja supermasywnego ciała zaproponowana przez Michella nie wzbudziła większego zainteresowania aż do prac Einsteina. Przypomnijmy, że ten ostatni określił prędkość światła jako graniczną prędkość przesyłania informacji. Ponadto Einstein rozszerzył teorię grawitacji o prędkości zbliżone do prędkości światła (). W rezultacie stosowanie teorii Newtona do czarnych dziur nie było już istotne.

równanie Einsteina

W wyniku zastosowania ogólnej teorii względności do czarnych dziur i rozwiązania równań Einsteina ujawniono główne parametry czarnej dziury, z których są tylko trzy: masa, ładunek elektryczny i moment pędu. Należy zauważyć znaczący wkład indyjskiego astrofizyka Subramanyana Chandrasekhara, który stworzył fundamentalną monografię: „The Mathematical Theory of Black Holes”.

Zatem rozwiązanie równań Einsteina jest reprezentowane przez cztery opcje dla czterech możliwe typy czarne dziury:

• Czarna dziura bez rotacji i bez ładunku to rozwiązanie Schwarzschilda. Jeden z pierwszych opisów czarnej dziury (1916) z wykorzystaniem równań Einsteina, ale bez uwzględnienia dwóch z trzech parametrów ciała. Rozwiązanie niemieckiego fizyka Karla Schwarzschilda pozwala obliczyć zewnętrzne pole grawitacyjne sferycznego, masywnego ciała. Cechą koncepcji czarnych dziur niemieckiego naukowca jest obecność horyzontu zdarzeń i horyzontu za nim. Schwarzschild również najpierw obliczył promień grawitacyjny, który otrzymał jego imię, który określa promień kuli, na której znajdowałby się horyzont zdarzeń dla ciała o danej masie.
• Czarna dziura bez rotacji z ładunkiem to rozwiązanie Reisnera-Nordströma. Rozwiązanie zaproponowane w latach 1916-1918, uwzględniające możliwy ładunek elektryczny czarnej dziury. Ładunek ten nie może być dowolnie duży i jest ograniczony ze względu na wynikające z tego odpychanie elektryczne. Te ostatnie muszą być skompensowane przez przyciąganie grawitacyjne.
• Czarna dziura z rotacją i bez ładunku - rozwiązanie Kerra (1963). Obracająca się czarna dziura Kerra różni się od statycznej obecnością tak zwanej ergosfery (przeczytaj więcej o tym i innych składnikach czarnej dziury).
• BH z obrotem i ładowaniem - rozwiązanie Kerr-Newmana. To rozwiązanie zostało obliczone w 1965 i później ten moment jest najbardziej kompletny, ponieważ uwzględnia wszystkie trzy parametry BH. Jednak nadal zakłada się, że czarne dziury w przyrodzie mają nieznaczny ładunek.

Powstawanie czarnej dziury

Istnieje kilka teorii na temat powstawania i pojawiania się czarnej dziury, z których najsłynniejszą jest pojawienie się gwiazdy o wystarczającej masie w wyniku kolapsu grawitacyjnego. Taka kompresja może zakończyć ewolucję gwiazd o masie większej niż trzy masy Słońca. Pod koniec termo reakcje jądrowe wewnątrz takich gwiazd zaczynają się gwałtownie kurczyć do supergęstej. Jeżeli ciśnienie gazu gwiazdy neutronowej nie może zrekompensować sił grawitacyjnych, to znaczy, że masa gwiazdy pokonuje tzw. Limit Oppenheimera-Volkova, a następnie zapadanie się trwa, powodując kurczenie się materii w czarną dziurę.

Drugim scenariuszem opisującym narodziny czarnej dziury jest kompresja gazu protogalaktycznego, czyli gazu międzygwiazdowego znajdującego się na etapie transformacji w galaktykę lub swego rodzaju gromadę. W przypadku niewystarczającego ciśnienia wewnętrznego, aby skompensować te same siły grawitacyjne, może powstać czarna dziura.

Dwa inne scenariusze pozostają hipotetyczne:

• W rezultacie powstanie czarnej dziury - tzw. pierwotne czarne dziury.
• Występowanie w wyniku reakcji jądrowych przy wysokich energiach. Przykładem takich reakcji są eksperymenty na zderzaczach.

Struktura i fizyka czarnych dziur

Struktura czarnej dziury według Schwarzschilda zawiera tylko dwa elementy, o których wspomniano wcześniej: osobliwość i horyzont zdarzeń czarnej dziury. Mówiąc krótko o osobliwości, można zauważyć, że nie da się przez nią poprowadzić linii prostej, a także, że nie działa w niej większość istniejących teorii fizycznych. Tak więc fizyka osobliwości pozostaje dziś dla naukowców zagadką. czarnej dziury to pewna granica, po przekroczeniu której obiekt fizyczny traci zdolność powrotu poza swoje granice i jednoznacznie „wpada” w osobliwość czarnej dziury.

Struktura czarnej dziury staje się nieco bardziej skomplikowana w przypadku rozwiązania Kerra, a mianowicie w obecności rotacji BH. Rozwiązanie Kerra sugeruje, że dziura ma ergosferę. Ergosfera – pewien obszar położony poza horyzontem zdarzeń, wewnątrz którego wszystkie ciała poruszają się zgodnie z kierunkiem obrotu czarnej dziury. Ten obszar nie jest jeszcze ekscytujący i można go opuścić, w przeciwieństwie do horyzontu zdarzeń. Ergosfera jest prawdopodobnie rodzajem analogu dysku akrecyjnego, który reprezentuje wirującą substancję wokół masywnych ciał. Jeśli statyczna czarna dziura Schwarzschilda jest reprezentowana jako czarna sfera, to czarna dziura Kerry'ego, ze względu na obecność ergosfery, ma kształt spłaszczonej elipsoidy, w postaci której często widywaliśmy czarne dziury na rysunkach, w starych filmy lub gry wideo.

• Ile waży czarna dziura? – Największy materiał teoretyczny na temat pojawienia się czarnej dziury jest dostępny dla scenariusza jej pojawienia się w wyniku kolapsu gwiazdy. W tym przypadku maksymalną masę gwiazdy neutronowej i minimalną masę czarnej dziury określa granica Oppenheimera - Volkova, zgodnie z którą dolna granica masy BH wynosi 2,5 - 3 masy Słońca. Najcięższa kiedykolwiek odkryta czarna dziura (w galaktyce NGC 4889) ma masę 21 miliardów mas Słońca. Nie należy jednak zapominać o czarnych dziurach, hipotetycznie powstałych w wyniku reakcji jądrowych przy wysokich energiach, np. w zderzaczach. Masa takich kwantowych czarnych dziur, czyli "czarnych dziur Plancka" jest rzędu , czyli 2 10-5 g.
• Rozmiar czarnej dziury. Minimalny promień BH można obliczyć z minimalnej masy (2,5 – 3 masy Słońca). Jeśli promień grawitacyjny Słońca, czyli obszar, w którym znajdowałby się horyzont zdarzeń, wynosi około 2,95 km, to minimalny promień BH o 3 masach Słońca wyniesie około dziewięciu kilometrów. Tak stosunkowo niewielkie rozmiary nie mieszczą się w głowie, jeśli chodzi o masywne przedmioty, które przyciągają wszystko dookoła. Jednak dla kwantowych czarnych dziur promień wynosi -10 −35 m.
• Średnia gęstość czarnej dziury zależy od dwóch parametrów: masy i promienia. Gęstość czarnej dziury o masie około trzech mas Słońca wynosi około 6 10 26 kg/m³, natomiast gęstość wody to 1000 kg/m³. Jednak tak małe czarne dziury nie zostały znalezione przez naukowców. Większość wykrytych BH ma masy większe niż 105 mas Słońca. Istnieje ciekawy wzór, zgodnie z którym im masywniejsza czarna dziura, tym mniejsza jej gęstość. W tym przypadku zmiana masy o 11 rzędów wielkości pociąga za sobą zmianę gęstości o 22 rzędy wielkości. Tak więc czarna dziura o masie 1·10 9 mas Słońca ma gęstość 18,5 kg/m³, czyli o jeden mniej niż gęstość złota. A czarne dziury o masie większej niż 10 10 mas Słońca mogą mieć średnią gęstość mniejszą niż gęstość powietrza. Na podstawie tych obliczeń logiczne jest założenie, że powstanie czarnej dziury następuje nie w wyniku kompresji materii, ale w wyniku nagromadzenia dużej ilości materii w określonej objętości. W przypadku czarnych dziur kwantowych ich gęstość może wynosić około 10 94 kg/m³.
• Temperatura czarnej dziury jest również odwrotnie proporcjonalna do jej masy. Ta temperatura jest bezpośrednio związana z . Widmo tego promieniowania pokrywa się z widmem ciała całkowicie czarnego, czyli ciała pochłaniającego całe padające promieniowanie. Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego zależy tylko od jego temperatury, wtedy temperaturę czarnej dziury można wyznaczyć z widma promieniowania Hawkinga. Jak wspomniano powyżej, promieniowanie to jest tym silniejsze, im mniejsza jest czarna dziura. Jednocześnie promieniowanie Hawkinga pozostaje hipotetyczne, ponieważ nie zostało jeszcze zaobserwowane przez astronomów. Wynika z tego, że jeśli istnieje promieniowanie Hawkinga, to temperatura obserwowanych BH jest tak niska, że ​​nie pozwala na wykrycie wskazanego promieniowania. Według obliczeń nawet temperatura dziury o masie rzędu masy Słońca jest pomijalnie mała (1 10 -7 K lub -272°C). Temperatura kwantowych czarnych dziur może sięgać około 10 12 K, a przy ich szybkim odparowaniu (około 1,5 min.) takie BH mogą emitować energię rzędu dziesięciu milionów bomby atomowe. Ale na szczęście stworzenie takich hipotetycznych obiektów będzie wymagało energii 10 14 razy większej niż ta osiągana dzisiaj w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Ponadto takich zjawisk nigdy nie zaobserwowali astronomowie.

Z czego wykonany jest CHD?

Kolejne pytanie niepokoi zarówno naukowców, jak i tych, którzy po prostu lubią astrofizykę - z czego składa się czarna dziura? Nie ma jednej odpowiedzi na to pytanie, ponieważ nie można spojrzeć poza horyzont zdarzeń otaczający czarną dziurę. Ponadto, jak wspomniano wcześniej, modele teoretyczne czarnej dziury uwzględniają tylko 3 jej składniki: ergosferę, horyzont zdarzeń i osobliwość. Logiczne jest założenie, że w ergosferze znajdują się tylko te obiekty, które zostały przyciągnięte przez czarną dziurę i które teraz krążą wokół niej - różnego rodzaju ciała kosmiczne i kosmiczny gaz. Horyzont zdarzeń jest tylko cienką, dorozumianą granicą, za którą kiedyś te same ciała kosmiczne są nieodwołalnie przyciągane do ostatniego głównego składnika czarnej dziury - osobliwości. Natura osobliwości nie została dziś zbadana i jest za wcześnie, aby mówić o jej składzie.

Według niektórych założeń czarna dziura może składać się z neutronów. Jeśli podążymy za scenariuszem pojawienia się czarnej dziury w wyniku kompresji gwiazdy w gwiazdę neutronową, a następnie jej kompresji, to prawdopodobnie główna część czarnej dziury składa się z neutronów, z których gwiazda neutronowa sama się również składa. W prostych słowach: Kiedy gwiazda zapada się, jej atomy są ściskane w taki sposób, że elektrony łączą się z protonami, tworząc w ten sposób neutrony. Taka reakcja rzeczywiście zachodzi w przyrodzie, wraz z powstawaniem neutronu następuje emisja neutrin. To jednak tylko domysły.

Co się stanie, jeśli wpadniesz do czarnej dziury?

Wpadnięcie w astrofizyczną czarną dziurę prowadzi do rozciągnięcia ciała. Rozważmy hipotetycznego astronautę-samobójcę, który zmierza do czarnej dziury, ubrany tylko w skafander kosmiczny, stopami do przodu. Przekraczając horyzont zdarzeń astronauta nie zauważy żadnych zmian, mimo że nie ma już możliwości powrotu. W pewnym momencie astronauta dotrze do punktu (nieco za horyzontem zdarzeń), w którym zacznie pojawiać się deformacja jego ciała. Ponieważ pole grawitacyjne czarnej dziury jest niejednorodne i jest reprezentowane przez gradient siły rosnący w kierunku środka, nogi astronauty będą poddane zauważalnie większemu efektowi grawitacyjnemu niż np. głowa. Wtedy, z powodu grawitacji, a raczej sił pływowych, nogi „opadają” szybciej. W ten sposób ciało zaczyna się stopniowo wydłużać. Aby opisać to zjawisko, astrofizycy wymyślili dość twórczy termin - spaghetyfikacja. Dalsze rozciąganie ciała prawdopodobnie rozłoży je na atomy, które prędzej czy później osiągną osobliwość. Można się tylko domyślać, jak osoba poczuje się w tej sytuacji. Warto zauważyć, że efekt rozciągania ciała jest odwrotnie proporcjonalny do masy czarnej dziury. Oznacza to, że jeśli BH o masie trzech Słońc natychmiast rozciągnie/rozerwie ciało, to supermasywna czarna dziura będzie miała mniejsze siły pływowe i istnieją sugestie, że niektóre materiały fizyczne mogą „tolerować” taką deformację bez utraty swojej struktury.

Jak wiecie, w pobliżu masywnych obiektów czas płynie wolniej, co oznacza, że ​​czas dla samobójcy astronauty będzie płynął znacznie wolniej niż dla Ziemian. W takim razie być może przeżyje nie tylko swoich przyjaciół, ale samą Ziemię. Obliczenia będą potrzebne, aby określić, ile czasu zwolni astronauta, ale z góry można założyć, że astronauta bardzo wolno wpadnie do czarnej dziury i może po prostu nie doczekać momentu, w którym jego ciało zacznie się deformować .

Warto zauważyć, że dla obserwatora na zewnątrz wszystkie ciała, które przeleciały do ​​horyzontu zdarzeń, pozostaną na krawędzi tego horyzontu, dopóki ich obraz nie zniknie. Powodem tego zjawiska jest grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni. W pewnym uproszczeniu można powiedzieć, że światło padające na ciało samobójczego astronauty „zamrożone” na horyzoncie zdarzeń zmieni swoją częstotliwość ze względu na spowolniony czas. Wraz z wolniejszym biegiem czasu częstotliwość światła zmniejszy się, a długość fali wzrośnie. W wyniku tego zjawiska, na wyjściu, czyli dla obserwatora zewnętrznego, światło będzie stopniowo przesuwało się w kierunku niskiej częstotliwości - czerwonej. Nastąpi przesunięcie światła wzdłuż widma, ponieważ samobójczy astronauta oddala się coraz bardziej od obserwatora, aczkolwiek prawie niezauważalnie, a jego czas płynie coraz wolniej. W ten sposób światło odbite przez jego ciało wkrótce wyjdzie poza zakres widzialny (obraz zniknie), a w przyszłości ciało astronauty będzie mogło być uchwycone tylko w zakresie podczerwieni, później częstotliwości radiowej, a w rezultacie promieniowanie będzie całkowicie nieuchwytne.

Pomimo tego, co zostało napisane powyżej, zakłada się, że w bardzo dużych supermasywnych czarnych dziurach siły pływowe nie zmieniają się tak bardzo wraz z odległością i działają niemal jednorodnie na spadające ciało. W tym przypadku spadający statek kosmiczny zachowa swoją strukturę. Powstaje uzasadnione pytanie - dokąd prowadzi czarna dziura? Na to pytanie mogą odpowiedzieć prace niektórych naukowców, łączące dwa takie zjawiska jak tunele czasoprzestrzenne i czarne dziury.

Już w 1935 r. Albert Einstein i Nathan Rosen, biorąc pod uwagę, wysunęli hipotezę o istnieniu tzw. tuneli czasoprzestrzennych, łączących drogą dwa punkty czasoprzestrzeni w miejscach o znacznej krzywiźnie tej ostatniej - most Einsteina-Rosena lub tunelu czasoprzestrzennego. Do tak potężnej krzywizny przestrzeni potrzebne będą ciała o gigantycznej masie, z rolą, której doskonale poradziłyby sobie czarne dziury.

Most Einsteina-Rosena jest uważany za nieprzenikniony tunel czasoprzestrzenny, ponieważ jest mały i niestabilny.

Przebywalny tunel czasoprzestrzenny jest możliwy w teorii czarnych i białych dziur. Gdzie biała dziura jest wyjściem informacji, która wpadła do czarnej dziury. Biała dziura jest opisana w ramach ogólnej teorii względności, ale dziś pozostaje hipotetyczna i nie została odkryta. Inny model tunelu czasoprzestrzennego zaproponowali amerykańscy naukowcy Kip Thorne i jego doktorant Mike Morris, który może być przejezdny. Jednak, podobnie jak w przypadku tunelu Morris-Thorn, a także w przypadku czarnych i białych dziur, możliwość podróżowania wymaga istnienia tzw. materii egzotycznej, która ma energię ujemną i również pozostaje hipotetyczna.

Czarne dziury we wszechświecie

Istnienie czarnych dziur potwierdzono stosunkowo niedawno (wrzesień 2015), ale wcześniej było już dużo materiału teoretycznego na temat natury czarnych dziur, a także wiele obiektów kandydujących do roli czarnej dziury. Przede wszystkim należy wziąć pod uwagę wymiary czarnej dziury, ponieważ od nich zależy sama natura zjawiska:

• czarna dziura o masie gwiazdowej. Takie obiekty powstają w wyniku zapadnięcia się gwiazdy. Jak wspomniano wcześniej, minimalna masa ciała zdolnego do uformowania takiej czarnej dziury wynosi 2,5-3 mas Słońca.
• Czarne dziury Średnia waga . Warunkowy typ pośredni czarne dziury, które zostały powiększone przez połykanie pobliskich obiektów, takich jak gaz, sąsiednia gwiazda (w układach dwugwiazdowych) i inne ciała niebieskie.
• Wielka czarna dziura. Kompaktowe obiekty z 10 5 -10 10 masami Słońca. Charakterystyczne właściwości Takie BH mają paradoksalnie niską gęstość, a także słabe siły pływowe, o których była mowa wcześniej. To ta supermasywna czarna dziura w centrum naszej galaktyki Drogi Mlecznej (Strzelec A*, Sgr A*), jak również większość innych galaktyk.

Kandydaci do CHD

Najbliższą czarną dziurą, a raczej kandydatką do roli czarnej dziury, jest obiekt (V616 Unicorn), który znajduje się w odległości 3000 lat świetlnych od Słońca (w naszej Galaktyce). Składa się z dwóch elementów: gwiazdy o masie połowy masy Słońca oraz niewidzialnego małego ciała, którego masa wynosi 3-5 mas Słońca. Jeśli ten obiekt okaże się małą czarną dziurą o masie gwiazdowej, to z prawej strony będzie to najbliższa czarna dziura.

Po tym obiekcie drugą najbliższą czarną dziurą jest Cyg X-1 (Cyg X-1), która była pierwszym kandydatem do roli czarnej dziury. Odległość do niego wynosi około 6070 lat świetlnych. Całkiem dobrze zbadany: ma masę 14,8 mas Słońca i promień horyzontu zdarzeń wynoszący około 26 km.

Według niektórych źródeł kolejnym najbliższym kandydatem do roli czarnej dziury może być ciało w układzie gwiezdnym V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), które według szacunków z 1999 roku znajdowało się w odległości 1600 lat świetlnych. Jednak kolejne badania zwiększyły tę odległość co najmniej 15-krotnie.

Ile czarnych dziur znajduje się w naszej galaktyce?

Nie ma dokładnej odpowiedzi na to pytanie, ponieważ dość trudno je zaobserwować, a podczas całego badania nieba naukowcom udało się wykryć w Drodze Mlecznej kilkanaście czarnych dziur. Nie zagłębiając się w obliczenia, zauważamy, że w naszej galaktyce jest około 100-400 miliardów gwiazd, a około co tysięczna gwiazda ma masę wystarczającą do utworzenia czarnej dziury. Jest prawdopodobne, że podczas istnienia Drogi Mlecznej mogły powstać miliony czarnych dziur. Ponieważ łatwiej jest zarejestrować ogromne czarne dziury, logiczne jest założenie, że najprawdopodobniej większość czarnych dziur w naszej galaktyce nie jest supermasywna. Warto zauważyć, że badania NASA z 2005 roku sugerują obecność całego roju czarnych dziur (10-20 tysięcy) krążących wokół centrum galaktyki. Ponadto w 2016 roku japońscy astrofizycy odkryli w pobliżu obiektu * masywnego satelitę - czarną dziurę, rdzeń Drogi Mlecznej. Ze względu na mały promień (0,15 lat świetlnych) tego ciała, a także jego ogromną masę (100 000 mas Słońca), naukowcy sugerują, że obiekt ten jest również supermasywną czarną dziurą.

Jądro naszej galaktyki, czarna dziura Drogi Mlecznej (Sagittarius A *, Sgr A * lub Sagittarius A *) jest supermasywna i ma masę 4,31 106 mas Słońca oraz promień 0,00071 lat świetlnych (6,25 godzin świetlnych). lub 6,75 mld km). Temperatura Strzelca A* wraz z gromadą wokół niego wynosi około 1 10 7 K.

Największa czarna dziura

Największa czarna dziura we wszechświecie, którą naukowcy byli w stanie wykryć, to supermasywna czarna dziura, blazar FSRQ, w centrum galaktyki S5 0014+81, w odległości 1,2·10 10 lat świetlnych od Ziemi. Według wstępnych wyników obserwacji z wykorzystaniem obserwatorium kosmicznego Swifta, masa czarnej dziury wynosiła 40 miliardów (40 10 9) mas Słońca, a promień Schwarzschilda takiej dziury wynosił 118,35 miliarda kilometrów (0,013 lat świetlnych). Ponadto, według obliczeń, powstało 12,1 miliarda lat temu (1,6 miliarda lat po Wielkim Wybuchu). Jeśli ta gigantyczna czarna dziura nie wchłonie otaczającej ją materii, to dożyje ery czarnych dziur - jednej z er w rozwoju Wszechświata, podczas której czarne dziury będą w nim dominować. Jeśli jądro galaktyki S5 0014+81 będzie nadal rosło, stanie się jedną z ostatnich czarnych dziur, jakie będą istniały we Wszechświecie.

Pozostałe dwie znane czarne dziury, choć nie nazwane, mają najwyższa wartość do badania czarnych dziur, ponieważ potwierdziły ich istnienie eksperymentalnie, a także dały ważne wyniki do badania grawitacji. Mówimy o zdarzeniu GW150914, które nazywamy zderzeniem dwóch czarnych dziur w jedną. To wydarzenie pozwoliło się zarejestrować.

Wykrywanie czarnych dziur

Przed rozważeniem metod wykrywania czarnych dziur należy odpowiedzieć na pytanie – dlaczego czarna dziura jest czarna? - odpowiedź na nią nie wymaga głębokiej wiedzy z astrofizyki i kosmologii. Faktem jest, że czarna dziura pochłania całe padające na nią promieniowanie i wcale nie promieniuje, jeśli nie weźmiesz pod uwagę hipotetycznego. Jeśli rozważymy to zjawisko bardziej szczegółowo, możemy założyć, że w czarnych dziurach nie ma procesów, które prowadzą do uwolnienia energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Wtedy jeśli czarna dziura promieniuje, to znajduje się w widmie Hawkinga (które pokrywa się z widmem rozgrzanego, absolutnie czarnego ciała). Jednak, jak wspomniano wcześniej, promieniowanie to nie zostało wykryte, co sugeruje zupełnie niską temperaturę czarnych dziur.

Inna ogólnie przyjęta teoria mówi, że promieniowanie elektromagnetyczne wcale nie jest w stanie opuścić horyzontu zdarzeń. Najprawdopodobniej fotony (cząstki światła) nie są przyciągane przez masywne obiekty, ponieważ zgodnie z teorią same nie mają masy. Jednak czarna dziura nadal „przyciąga” fotony światła poprzez zniekształcenie czasoprzestrzeni. Jeśli wyobrazimy sobie czarną dziurę w przestrzeni jako rodzaj zagłębienia na gładkiej powierzchni czasoprzestrzeni, to istnieje pewna odległość od środka czarnej dziury, zbliżając się do której światło nie będzie już mogło się od niej oddalić. To znaczy, z grubsza mówiąc, światło zaczyna „wpadać” do „dołu”, który nie ma nawet „dna”.

Ponadto, biorąc pod uwagę efekt grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni, możliwe jest, że światło w czarnej dziurze traci swoją częstotliwość, przesuwając się wzdłuż widma w obszar promieniowania długofalowego o niskiej częstotliwości, aż do całkowitego zaniku energii.

Tak więc czarna dziura jest czarna i dlatego trudna do wykrycia w kosmosie.

Metody wykrywania

Rozważ metody stosowane przez astronomów do wykrywania czarnej dziury:

Oprócz wyżej wymienionych metod naukowcy często kojarzą obiekty takie jak czarne dziury i. Kwazary to niektóre gromady ciał kosmicznych i gazu, które należą do najjaśniejszych obiektów astronomicznych we Wszechświecie. Ponieważ mają one wysoką intensywność luminescencji przy stosunkowo niewielkich rozmiarach, istnieją powody, by sądzić, że w centrum tych obiektów znajduje się supermasywna czarna dziura, która przyciąga do siebie otaczającą materię. Dzięki tak silnemu przyciąganiu grawitacyjnemu przyciągana materia jest tak nagrzana, że ​​intensywnie promieniuje. Wykrywanie takich obiektów jest zwykle porównywane z wykrywaniem czarnej dziury. Czasami kwazary mogą emitować strumienie rozgrzanej plazmy w dwóch kierunkach - strumienie relatywistyczne. Przyczyny pojawienia się takich dżetów (dżetów) nie są do końca jasne, ale prawdopodobnie są one spowodowane oddziaływaniem pól magnetycznych BH i dysku akrecyjnego i nie są emitowane przez bezpośrednią czarną dziurę.

Dżet w galaktyce M87 uderzający ze środka czarnej dziury

Podsumowując powyższe, można sobie wyobrazić z bliska: jest to kulisty czarny obiekt, wokół którego wiruje silnie nagrzana materia, tworząc świetlisty dysk akrecyjny.

Scalanie i kolidowanie czarnych dziur

Jednym z najciekawszych zjawisk w astrofizyce jest zderzenie czarnych dziur, które również umożliwia wykrywanie tak masywnych ciał astronomicznych. Procesy takie interesują nie tylko astrofizyków, gdyż prowadzą do zjawisk słabo zbadanych przez fizyków. Najjaśniejszy przykład to wspomniane wcześniej zdarzenie o nazwie GW150914, kiedy dwie czarne dziury zbliżyły się tak bardzo, że w wyniku wzajemnego przyciągania grawitacyjnego połączyły się w jedno. Ważną konsekwencją tego zderzenia było pojawienie się fal grawitacyjnych.

Zgodnie z definicją fal grawitacyjnych są to zmiany w polu grawitacyjnym, które rozchodzą się w sposób falowy od masywnych poruszających się obiektów. Kiedy dwa takie obiekty zbliżają się do siebie, zaczynają się obracać wokół wspólnego środka ciężkości. Gdy zbliżają się do siebie, zwiększa się ich rotacja wokół własnej osi. Takie zmienne oscylacje pola grawitacyjnego w pewnym momencie mogą stworzyć jedną potężną falę grawitacyjną, która może rozchodzić się w przestrzeni przez miliony lat świetlnych. Tak więc w odległości 1,3 miliarda lat świetlnych doszło do zderzenia dwóch czarnych dziur, które utworzyły potężną falę grawitacyjną, która dotarła do Ziemi 14 września 2015 r. i została zarejestrowana przez detektory LIGO i VIRGO.

Jak umierają czarne dziury?

Oczywiście, aby czarna dziura przestała istnieć, musiałaby stracić całą swoją masę. Jednak zgodnie z jej definicją nic nie może opuścić czarnej dziury, jeśli przekroczyła ona swój horyzont zdarzeń. Wiadomo, że po raz pierwszy radziecki fizyk teoretyczny Władimir Gribow wspomniał o możliwości emisji cząstek przez czarną dziurę w rozmowie z innym sowieckim naukowcem Jakowem Zeldowiczem. Twierdził, że z punktu widzenia mechaniki kwantowej czarna dziura może emitować cząstki poprzez efekt tunelowy. Później, z pomocą mechaniki kwantowej, zbudował własną, nieco inną teorię, angielskiego fizyka teoretycznego Stephena Hawkinga. Możesz przeczytać więcej o tym zjawisku. Krótko mówiąc, w próżni istnieją tak zwane wirtualne cząstki, które nieustannie rodzą się w parach i anihilują się nawzajem, nie oddziałując jednocześnie ze światem zewnętrznym. Ale jeśli takie pary powstają na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury, wówczas silna grawitacja jest hipotetycznie w stanie je rozdzielić, przy czym jedna cząstka wpada do czarnej dziury, a druga oddala się od czarnej dziury. A ponieważ można zaobserwować cząstkę, która wyleciała z dziury, a zatem ma energię dodatnią, cząstka, która wpadła do dziury, musi mieć energię ujemną. W ten sposób czarna dziura straci swoją energię i nastąpi efekt zwany parowaniem czarnej dziury.

Zgodnie z dostępnymi modelami czarnej dziury, jak wspomniano wcześniej, wraz ze spadkiem jej masy, jej promieniowanie staje się bardziej intensywne. Następnie, na końcowym etapie istnienia czarnej dziury, kiedy można ją zredukować do rozmiarów kwantowej czarnej dziury, wyzwoli ogromną ilość energii w postaci promieniowania, która może być równoważna tysiącom, a nawet miliony bomb atomowych. To wydarzenie przypomina nieco eksplozję czarnej dziury, jak ta sama bomba. Według obliczeń pierwotne czarne dziury mogły powstać w wyniku Wielkiego Wybuchu, a te z nich, których masa jest rzędu 10 12 kg, powinny wyparować i eksplodować mniej więcej w naszych czasach. Tak czy inaczej, takich eksplozji nigdy nie widzieli astronomowie.

Pomimo zaproponowanego przez Hawkinga mechanizmu niszczenia czarnych dziur, właściwości promieniowania Hawkinga wywołują paradoks w ramach mechaniki kwantowej. Jeśli czarna dziura wchłonie jakieś ciało, a następnie straci masę wynikającą z wchłonięcia tego ciała, to niezależnie od charakteru ciała, czarna dziura nie będzie się różnić od tego, czym była przed wchłonięciem tego ciała. W takim przypadku informacje o ciele zostają na zawsze utracone. Z punktu widzenia obliczeń teoretycznych transformacja początkowego stanu czystego w powstały stan mieszany („termiczny”) nie odpowiada obecnej teorii mechaniki kwantowej. Ten paradoks jest czasami nazywany znikaniem informacji w czarnej dziurze. Nigdy nie znaleziono prawdziwego rozwiązania tego paradoksu. Znane opcje rozwiązania paradoksu:

• Niespójność teorii Hawkinga. Pociąga to za sobą niemożność zniszczenia czarnej dziury i jej ciągłego wzrostu.
• Obecność białych dziur. W tym przypadku pochłonięta informacja nie znika, ale jest po prostu wyrzucana do innego Wszechświata.
• Niespójność ogólnie przyjętej teorii mechaniki kwantowej.

Nierozwiązany problem fizyki czarnej dziury

Sądząc po wszystkim, co zostało opisane wcześniej, czarne dziury, choć badane od stosunkowo dawna, nadal posiadają wiele cech, których mechanizmy wciąż nie są znane naukowcom.

• W 1970 roku angielski naukowiec sformułował tzw. „zasada kosmicznej cenzury” – „Natura brzydzi się samą osobliwością”. Oznacza to, że osobliwość powstaje tylko w miejscach niewidocznych, takich jak środek czarnej dziury. Jednak ta zasada nie została jeszcze udowodniona. Istnieją również obliczenia teoretyczne, według których może wystąpić „naga” osobliwość.
• Twierdzenie o braku włosa, zgodnie z którym czarne dziury mają tylko trzy parametry, również nie zostało udowodnione.
• Nie opracowano pełnej teorii magnetosfery czarnej dziury.
• Nie badano natury i fizyki osobliwości grawitacyjnej.
• Nie wiadomo na pewno, co dzieje się w końcowej fazie istnienia czarnej dziury, a co pozostaje po jej kwantowym rozpadzie.

Interesujące fakty na temat czarnych dziur

Podsumowując powyższe, możemy wyróżnić kilka ciekawych i niezwykłe cechy natura czarnych dziur:

• Czarne dziury mają tylko trzy parametry: masę, ładunek elektryczny i moment pędu. W wyniku tak małej liczby cech tego ciała, twierdzenie o tym nosi nazwę "twierdzenie bez włosów". Stąd też wzięło się sformułowanie „czarna dziura nie ma włosów”, co oznacza, że ​​dwie czarne dziury są absolutnie identyczne, ich trzy wymienione parametry są takie same.
• Gęstość czarnych dziur może być mniejsza niż gęstość powietrza, a temperatura jest bliska zeru bezwzględnego. Na tej podstawie możemy założyć, że powstanie czarnej dziury następuje nie w wyniku kompresji materii, ale w wyniku nagromadzenia dużej ilości materii w określonej objętości.
• Czas dla ciał wchłoniętych przez czarne dziury płynie znacznie wolniej niż dla obserwatora zewnętrznego. Ponadto zaabsorbowane ciała są znacznie rozciągnięte wewnątrz czarnej dziury, co naukowcy nazwali spaghettyfikacją.
• W naszej galaktyce może być około miliona czarnych dziur.
• W centrum każdej galaktyki prawdopodobnie znajduje się supermasywna czarna dziura.
• W przyszłości, zgodnie z modelem teoretycznym, Wszechświat osiągnie tak zwaną erę czarnych dziur, kiedy to czarne dziury staną się ciałami dominującymi we Wszechświecie.

Czarne dziury, ciemna materia, ciemna materia... To bez wątpienia najdziwniejsze i najbardziej tajemnicze obiekty w kosmosie. Ich dziwaczne właściwości mogą przeczyć prawom fizyki we wszechświecie, a nawet naturze istniejącej rzeczywistości. Aby zrozumieć, czym są czarne dziury, naukowcy proponują „zmianę punktów orientacyjnych”, nauczenie się myślenia nieszablonowego i zastosowanie odrobiny wyobraźni. Czarne dziury powstają z jąder supermasywnych gwiazd, które można opisać jako obszar przestrzeni, w którym ogromna masa jest skoncentrowana w próżni i nic, nawet światło, nie może uciec przed przyciąganiem grawitacyjnym. Jest to obszar, w którym druga prędkość kosmiczna przekracza prędkość światła: A im bardziej masywny obiekt ruchu, tym szybciej musi się poruszać, aby pozbyć się swojej grawitacji. Jest to znane jako druga prędkość ucieczki.

Encyklopedia Collier nazywa czarną dziurę regionem w przestrzeni, który powstał w wyniku całkowitego grawitacyjnego załamania się materii, w którym przyciąganie grawitacyjne jest tak silne, że ani materia, ani światło, ani inne nośniki informacji nie mogą go opuścić. Dlatego wnętrze czarnej dziury jest przyczynowo niezwiązane z resztą wszechświata; procesy fizyczne zachodzące wewnątrz czarnej dziury nie mogą wpływać na procesy poza nią. Czarna dziura jest otoczona powierzchnią o właściwości jednokierunkowej membrany: materia i promieniowanie swobodnie przez nią wpadają do czarnej dziury, ale nic nie może z niej uciec. Ta powierzchnia nazywana jest „horyzontem zdarzeń”.

Historia odkryć

Czarne dziury, przewidziane przez ogólną teorię względności (teorię grawitacji zaproponowaną przez Einsteina w 1915) i inne, są bardziej współczesne teorie grawitację matematycznie potwierdzili R. Oppenheimer i H. Snyder w 1939 r. Jednak właściwości przestrzeni i czasu w sąsiedztwie tych obiektów okazały się na tyle niezwykłe, że astronomowie i fizycy przez 25 lat nie traktowali ich poważnie. Jednak odkrycia astronomiczne w połowie lat 60. zmusiły nas do spojrzenia na czarne dziury jako możliwą rzeczywistość fizyczną. Nowe odkrycia i badania mogą fundamentalnie zmienić nasze rozumienie przestrzeni i czasu, rzucając światło na miliardy kosmicznych tajemnic.

Powstawanie czarnych dziur

Podczas gdy reakcje termojądrowe zachodzą we wnętrzu gwiazdy, utrzymują wysoką temperaturę i ciśnienie, zapobiegając zapadaniu się gwiazdy pod wpływem jej własnej grawitacji. Jednak z czasem paliwo jądrowe się wyczerpuje, a gwiazda zaczyna się kurczyć. Z obliczeń wynika, że ​​jeśli masa gwiazdy nie przekroczy trzech mas Słońca, to wygra „bitwę z grawitacją”: jej grawitacyjny kolaps zostanie zatrzymany przez ciśnienie „zdegenerowanej” materii, a gwiazda na zawsze zmieni się w biały karzeł lub gwiazda neutronowa. Ale jeśli masa gwiazdy jest większa niż trzy słoneczna, nic nie może powstrzymać jej katastrofalnego kolapsu i szybko zniknie ona pod horyzontem zdarzeń, stając się czarną dziurą.

Czy czarna dziura to dziura w pączku?

Wszystko, co nie emituje światła, jest trudne do zobaczenia. Jednym ze sposobów wyszukiwania czarnej dziury jest szukanie regionów w otwarta przestrzeń, które mają dużą masę i znajdują się w ciemnej przestrzeni. Szukając tego typu obiektów, astronomowie znaleźli je w dwóch głównych obszarach: w centrach galaktyk oraz w układach podwójnych gwiazd w naszej Galaktyce. W sumie, jak sugerują naukowcy, takich obiektów jest kilkadziesiąt milionów.

Obecnie jedynym wiarygodnym sposobem odróżnienia czarnej dziury od innego typu obiektu jest zmierzenie masy i rozmiaru obiektu oraz porównanie jego promienia z

Każda osoba, która zapozna się z astronomią, prędzej czy później doświadcza silnej ciekawości najbardziej tajemniczych obiektów we wszechświecie – czarnych dziur. To prawdziwi mistrzowie ciemności, zdolni do „połknięcia” każdego przechodzącego w pobliżu atomu i nie przepuszczania nawet światła – ich przyciąganie jest tak potężne. Obiekty te stanowią prawdziwe wyzwanie dla fizyków i astronomów. Ci pierwsi wciąż nie potrafią zrozumieć, co dzieje się z materią, która wpadła do wnętrza czarnej dziury, a ci drudzy, choć wyjaśniają najbardziej energochłonne zjawiska kosmosu istnieniem czarnych dziur, nigdy nie mieli okazji zaobserwować żadnej z nich. bezpośrednio. Porozmawiamy o tych najciekawszych obiektach niebieskich, dowiemy się, co już zostało odkryte, a co pozostaje do poznania, aby zdjąć zasłonę tajemnicy.

Czym jest czarna dziura?

Nazwę „czarna dziura” (w języku angielskim – czarna dziura) zaproponował w 1967 roku amerykański fizyk teoretyk John Archibald Wheeler (patrz zdjęcie po lewej). Służył do wyznaczenia ciała niebieskiego, którego przyciąganie jest tak silne, że nawet światło nie puszcza samego siebie. Dlatego jest „czarny”, ponieważ nie emituje światła.

obserwacje pośrednie

To jest powód takiej tajemnicy: ponieważ czarne dziury nie świecą, nie możemy ich zobaczyć bezpośrednio i jesteśmy zmuszeni ich szukać i badać, wykorzystując jedynie pośrednie dowody, że ich istnienie pozostawia w otaczającej przestrzeni. Innymi słowy, jeśli czarna dziura pochłonie gwiazdę, nie możemy jej zobaczyć, ale możemy zaobserwować niszczycielskie skutki jej potężnego pola grawitacyjnego.

Intuicja Laplace'a

Pomimo tego, że określenie „czarna dziura” odnoszące się do hipotetycznego końcowego etapu ewolucji gwiazdy, która zapadła się w siebie pod wpływem grawitacji, pojawiło się stosunkowo niedawno, pojawiła się idea możliwości istnienia takich ciał ponad dwa wieki temu. Anglik John Michell i Francuz Pierre-Simon de Laplace niezależnie wysunęli hipotezę o istnieniu „niewidzialnych gwiazd”; podczas gdy opierały się na zwykłych prawach dynamiki i prawie powaga Niuton. Dziś czarne dziury mają swoje poprawny opis na podstawie ogólna teoria Względność Einsteina.

W swoim dziele Opowieść o systemie świata (1796) Laplace napisał: Jasna gwiazda ta sama gęstość co Ziemia, o średnicy 250 razy większej od średnicy Słońca, ze względu na swoje przyciąganie grawitacyjne nie pozwoliłaby dotrzeć do nas promieniom świetlnym. Dlatego możliwe jest, że z tego powodu największe i najjaśniejsze ciała niebieskie są niewidoczne.

Niezwyciężona Grawitacja

Pomysł Laplace'a opierał się na koncepcji prędkości ucieczki (drugiej prędkości kosmicznej). Czarna dziura to tak gęsty obiekt, że jego przyciąganie jest w stanie zatrzymać nawet światło, które rozwija największą prędkość w przyrodzie (prawie 300 000 km/s). W praktyce, aby uciec z czarnej dziury, potrzebna jest prędkość większa niż prędkość światła, ale to niemożliwe!

Oznacza to, że tego rodzaju gwiazda byłaby niewidoczna, ponieważ nawet światło nie byłoby w stanie pokonać jej potężnej grawitacji. Einstein tłumaczył ten fakt zjawiskiem ugięcia światła pod wpływem pola grawitacyjnego. W rzeczywistości w pobliżu czarnej dziury czasoprzestrzeń jest tak zakrzywiona, że ​​ścieżki promieni świetlnych również zamykają się na sobie. Aby zamienić Słońce w czarną dziurę, będziemy musieli skoncentrować całą jego masę w kuli o promieniu 3 km, a Ziemia będzie musiała zamienić się w kulę o promieniu 9 mm!

Rodzaje czarnych dziur

Jakieś dziesięć lat temu obserwacje sugerowały istnienie dwóch typów czarnych dziur: gwiezdnej, której masa jest porównywalna z masą Słońca lub nieznacznie ją przekracza, oraz supermasywnej, której masa wynosi od kilkuset tysięcy do wielu milionów mas Słońca. Jednak stosunkowo niedawno obrazy rentgenowskie o wysokiej rozdzielczości i widma uzyskane za pomocą sztuczne satelity takie jak „Chandra” i „HMM-Newton”, wysunęły na pierwszy plan trzeci typ czarnej dziury – o masie średniej wielkości, tysiąckrotnie przekraczającej masę Słońca.

gwiezdne czarne dziury

Gwiezdne czarne dziury stały się znane wcześniej niż inne. Tworzą się, gdy gwiazda o dużej masie na końcu swojego ścieżka ewolucyjna wyczerpuje się paliwo jądrowe i zapada się pod wpływem własnej grawitacji. Eksplozja roztrzaskująca gwiazdy (zjawisko to jest znane jako „eksplozja supernowej”) ma katastrofalne konsekwencje: jeśli jądro gwiazdy przekracza masę Słońca ponad 10 razy, nie siła jądrowa niezdolny do wytrzymania kolapsu grawitacyjnego, który spowodowałby powstanie czarnej dziury.

Supermasywne czarne dziury

Supermasywne czarne dziury, po raz pierwszy zauważone w jądrach niektórych aktywnych galaktyk, mają inne pochodzenie. Istnieje kilka hipotez dotyczących ich narodzin: gwiezdna czarna dziura, która przez miliony lat pożera wszystkie otaczające ją gwiazdy; połączona gromada czarnych dziur; kolosalna chmura gazu zapadająca się bezpośrednio w czarną dziurę. Te czarne dziury należą do najbardziej energetycznych obiektów w kosmosie. Znajdują się one w centrach bardzo wielu galaktyk, jeśli nie wszystkich. Nasza Galaktyka również ma taką czarną dziurę. Czasami, ze względu na obecność takiej czarnej dziury, jądra tych galaktyk stają się bardzo jasne. Galaktyki z czarnymi dziurami w centrum, otoczone dużą ilością opadającej materii, a zatem zdolne do wytwarzania ogromnej ilości energii, nazywane są „aktywnymi”, a ich jądra nazywane są „aktywnymi jądrami galaktycznymi” (AGN). Na przykład kwazary (najbardziej odległe obiekty kosmiczne dostępne dla naszych obserwacji) to aktywne galaktyki, w których widzimy tylko bardzo jasne jądro.

Średni i „mini”

Kolejną tajemnicą pozostają czarne dziury o średniej masie, które według ostatnich badań mogą znajdować się w centrum niektórych gromad kulistych, takich jak M13 i NCC 6388. Wielu astronomów odnosi się sceptycznie do tych obiektów, ale niektórzy najnowsze badania sugerują obecność średniej wielkości czarnych dziur nawet w pobliżu centrum naszej galaktyki. Angielski fizyk Stephen Hawking przedstawił również teoretyczne założenie o istnieniu czwartego typu czarnej dziury – „mini-dziury” o masie zaledwie miliarda ton (co jest w przybliżeniu równej masie dużej góry). To jest o o obiektach pierwotnych, czyli tych, które pojawiły się w pierwszych chwilach życia Wszechświata, kiedy ciśnienie było jeszcze bardzo wysokie. Jednak nie odkryto jeszcze śladu ich istnienia.

Jak znaleźć czarną dziurę?

Zaledwie kilka lat temu nad czarnymi dziurami zapaliło się światło. Dzięki stale ulepszanym instrumentom i technologiom (zarówno naziemnym, jak i kosmicznym) obiekty te stają się coraz mniej tajemnicze; dokładniej, otaczająca je przestrzeń staje się mniej tajemnicza. Rzeczywiście, ponieważ sama czarna dziura jest niewidoczna, możemy ją rozpoznać tylko wtedy, gdy jest otoczona wystarczającą ilością materii (gwiazdy i gorący gaz) krążących wokół niej w niewielkiej odległości.

Oglądanie podwójnych systemów

Niektóre gwiezdne czarne dziury odkryto obserwując ruch orbitalny gwiazdy wokół niewidzialnego towarzysza podwójny system. Bliskie układy podwójne (czyli składające się z dwóch gwiazd bardzo blisko siebie), w których jeden z towarzyszy jest niewidoczny, są ulubionym obiektem obserwacji astrofizyków poszukujących czarnych dziur.

Oznaką obecności czarnej dziury (lub gwiazdy neutronowej) jest silna emisja promieniowania rentgenowskiego, spowodowana złożonym mechanizmem, który można schematycznie opisać w następujący sposób. Ze względu na swoją potężną grawitację czarna dziura może wyrwać materię z gwiazdy towarzyszącej; gaz ten jest rozprowadzany w postaci płaskiego dysku i opada spiralnie do czarnej dziury. Tarcie powstałe w wyniku zderzeń cząstek spadającego gazu nagrzewa wewnętrzne warstwy dysku do kilku milionów stopni, co powoduje potężną emisję promieniowania rentgenowskiego.

Obserwacje w promienie rentgenowskie

Prowadzone od kilkudziesięciu lat obserwacje w promieniach X obiektów w naszej Galaktyce i sąsiednich galaktykach umożliwiły wykrycie zwartych źródeł podwójnych, z których kilkanaście to układy zawierające kandydujące czarne dziury. Głównym problemem jest określenie masy niewidzialnego ciała niebieskiego. Wartość masy (choć niezbyt dokładną) można ustalić, badając ruch towarzysza lub, co jest znacznie trudniejsze, mierząc intensywność promieniowanie rentgenowskie spadająca substancja. Intensywność ta jest połączona równaniem z masą ciała, na które spada ta substancja.

Laureat Nagrody Nobla

Coś podobnego można powiedzieć o supermasywnych czarnych dziurach obserwowanych w jądrach wielu galaktyk, których masy szacuje się na podstawie pomiaru prędkości orbitalnych gazu wpadającego do czarnej dziury. W tym przypadku, wywołanym silnym polem grawitacyjnym bardzo dużego obiektu, gwałtowny wzrost prędkości obłoków gazu krążących w centrum galaktyk ujawniają obserwacje zarówno w zakresie radiowym, jak i wiązkach optycznych. Obserwacje w zakresie promieniowania rentgenowskiego mogą potwierdzić zwiększone uwalnianie energii spowodowane opadaniem materii do czarnej dziury. Badania nad promieniami X na początku lat 60. rozpoczął włoski Riccardo Giacconi, który pracował w USA. W 2002 roku otrzymał Nagrodę Nobla w uznaniu jego „przełomowego wkładu w astrofizykę, który doprowadził do odkrycia źródeł promieniowania rentgenowskiego w kosmosie”.

Cygnus X-1: pierwszy kandydat

Nasza Galaktyka nie jest odporna na obecność obiektów kandydujących do czarnych dziur. Na szczęście żaden z tych obiektów nie jest tak blisko nas, aby zagrażał istnieniu Ziemi lub Układ Słoneczny. Mimo duża liczba odnotowaliśmy kompaktowe źródła promieniowania rentgenowskiego (a są to najbardziej prawdopodobni kandydaci do znalezienia tam czarnych dziur), nie jesteśmy pewni, czy faktycznie zawierają one czarne dziury. Jedyne z tych źródeł, które nie posiada wersja alternatywna, to ciasny układ podwójny Cygnus X-1, czyli najjaśniejsze źródło promieniowania rentgenowskiego w konstelacji Łabędzia.

masywne gwiazdy

Ten system, którego okres obiegu wynosi 5,6 dni, składa się z bardzo jasnej niebieskiej gwiazdy duży rozmiar(jego średnica jest 20 razy większa od Słońca, a masa około 30 razy), łatwo dostrzegalna nawet w teleskopie, oraz niewidzialna druga gwiazda, której masa szacowana jest na kilka mas Słońca (do 10). Położona w odległości 6500 lat świetlnych od nas druga gwiazda byłaby doskonale widoczna, gdyby była zwykłą gwiazdą. Jego niewidzialność, silne promieniowanie rentgenowskie układu i wreszcie oszacowanie masy sprawiają, że większość astronomów wierzy, że jest to pierwsze potwierdzone odkrycie gwiezdnej czarnej dziury.

Wątpienie

Jednak są też sceptycy. Wśród nich jest jeden z największych badaczy czarnych dziur, fizyk Stephen Hawking. Postawił nawet zakład ze swoim amerykańskim kolegą Keelem Thorne, zagorzałym zwolennikiem klasyfikacji Cygnus X-1 jako czarnej dziury.

Spór o naturę obiektu Cygnus X-1 nie jest jedynym zakładem Hawkinga. Po poświęceniu kilku dziewięciu lat badania teoretyczne czarnych dziur przekonał się o błędności swoich wcześniejszych wyobrażeń o tych tajemniczych obiektach.W szczególności Hawking założył, że materia po wpadnięciu do czarnej dziury znika na zawsze, a wraz z nią cały jej bagaż informacyjny. Był tego tak pewien, że postawił na ten temat w 1997 roku ze swoim amerykańskim kolegą Johnem Preskillem.

Przyznanie się do błędu

21 lipca 2004 r. w swoim przemówieniu na Kongresie Relatywności w Dublinie Hawking przyznał, że Preskill miał rację. Czarne dziury nie prowadzą do całkowite zniknięcie Substancje. Co więcej, mają pewien rodzaj „pamięci”. Wewnątrz mogą być przechowywane ślady tego, co wchłonęły. W ten sposób „odparowując” (czyli powoli emitując promieniowanie w wyniku efektu kwantowego), mogą zwrócić tę informację do naszego Wszechświata.

Czarne dziury w galaktyce

Astronomowie wciąż mają wiele wątpliwości co do obecności gwiezdnych czarnych dziur w naszej Galaktyce (takich jak ta, która należy do układu podwójnego Cygnus X-1); ale jest znacznie mniej wątpliwości co do supermasywnych czarnych dziur.

W centrum

W naszej Galaktyce istnieje co najmniej jedna supermasywna czarna dziura. Jego źródło, znane jako Strzelec A*, znajduje się dokładnie w centrum płaszczyzny Drogi Mlecznej. Jego nazwę tłumaczy fakt, że jest to najpotężniejsze źródło radiowe w konstelacji Strzelca. To w tym kierunku zlokalizowane są zarówno geometryczne, jak i fizyczne centra naszego układu galaktycznego. Położona w odległości około 26 000 lat świetlnych od nas supermasywna czarna dziura związana ze źródłem fal radiowych, Sagittarius A *, ma masę szacowaną na około 4 miliony mas Słońca, zamknięta w przestrzeni o objętości porównywalnej do objętość układu słonecznego. Jego względna bliskość do nas (ta supermasywna czarna dziura jest bez wątpienia najbliżej Ziemi) spowodowała, że ​​obiekt został w ostatnich latach szczególnie dokładnie zbadany przez obserwatorium kosmiczne Chandra. Okazało się w szczególności, że jest to także potężne źródło promieniowania rentgenowskiego (ale nie tak silne jak źródła w aktywnych jądrach galaktyk). Strzelec A* może być uśpioną pozostałością tego, co było aktywnym jądrem naszej Galaktyki miliony lub miliardy lat temu.

Druga czarna dziura?

Jednak niektórzy astronomowie uważają, że w naszej Galaktyce jest jeszcze jedna niespodzianka. Mówimy o drugiej czarnej dziurze o średniej masie, która łączy gromadę młodych gwiazd i nie pozwala im wpaść do supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum samej Galaktyki. Jak to możliwe, że w odległości mniejszej niż jeden rok świetlny od niej może znajdować się gromada gwiazd w wieku zaledwie 10 milionów lat, czyli według standardów astronomicznych bardzo młoda? Zdaniem naukowców odpowiedź tkwi w tym, że gromada nie narodziła się tam (środowisko wokół centralnej czarnej dziury jest zbyt nieprzyjazne dla formowania się gwiazd), ale została tam „przyciągnięta” ze względu na istnienie wewnątrz drugiej czarnej dziury. to, który ma masę wartości średnich.

Na orbicie

Poszczególne gwiazdy gromady, przyciągane przez supermasywną czarną dziurę, zaczęły przesuwać się w kierunku centrum galaktyki. Jednak zamiast rozpraszać się w kosmosie, pozostają one zebrane razem z powodu przyciągania drugiej czarnej dziury znajdującej się w centrum gromady. Masę tej czarnej dziury można oszacować na podstawie jej zdolności do utrzymywania całej gromady gwiazd „na smyczy”. Średniej wielkości czarna dziura wydaje się krążyć wokół centralnej czarnej dziury za około 100 lat. Oznacza to, że wieloletnie obserwacje na przestrzeni wielu lat pozwolą nam to „zobaczyć”.

Czarne dziury to jedyne ciała kosmiczne zdolne do przyciągania światła za pomocą grawitacji. Są także największymi obiektami we wszechświecie. Prawdopodobnie nie dowiemy się w najbliższym czasie, co dzieje się w pobliżu ich horyzontu zdarzeń (znanego jako „punkt bez powrotu”). To najbardziej tajemnicze miejsca naszego świata, o których mimo dziesięcioleci badań, do tej pory niewiele wiadomo. Ten artykuł zawiera 10 faktów, które można nazwać najbardziej intrygujące.

Czarne dziury nie wciągają materii.

Wiele osób uważa czarną dziurę za rodzaj „kosmicznego odkurzacza”, który wciąga otaczającą przestrzeń. W rzeczywistości czarne dziury to zwykłe obiekty kosmiczne, które mają wyjątkowo silne pole grawitacyjne.

Gdyby w miejscu Słońca powstała czarna dziura tej samej wielkości, Ziemia nie byłaby przyciągana do wewnątrz, obracałaby się po tej samej orbicie, co dzisiaj. Gwiazdy znajdujące się w pobliżu czarnych dziur tracą część swojej masy w postaci wiatru gwiazdowego (dzieje się tak podczas istnienia każdej gwiazdy), a czarne dziury absorbują tylko tę materię.

Istnienie czarnych dziur przewidział Karl Schwarzschild

Karl Schwarzschild był pierwszym, który zastosował ogólną teorię względności Einsteina do uzasadnienia istnienia „punktu bez powrotu”. Sam Einstein nie myślał o czarnych dziurach, chociaż jego teoria pozwala przewidzieć ich istnienie.

Schwarzschild przedstawił swoją sugestię w 1915 roku, tuż po tym, jak Einstein opublikował swoją ogólną teorię względności. Wtedy pojawił się termin „promień Schwarzschilda” – jest to wartość, która wskazuje, jak bardzo trzeba skompresować obiekt, aby stał się czarną dziurą.

Teoretycznie wszystko może stać się czarną dziurą. dość kompresja. Im gęstszy obiekt, tym silniejsze jest wytwarzane przez niego pole grawitacyjne. Na przykład Ziemia stałaby się czarną dziurą, gdyby obiekt wielkości orzeszka ziemnego miał swoją masę.

Czarne dziury mogą tworzyć nowe wszechświaty

Pomysł, że czarne dziury mogą tworzyć nowe wszechświaty, wydaje się absurdalny (zwłaszcza, że ​​wciąż nie jesteśmy pewni istnienia innych wszechświatów). Niemniej jednak takie teorie są aktywnie rozwijane przez naukowców.

Bardzo uproszczona wersja jednej z tych teorii jest następująca. Nasz świat ma wyjątkowo sprzyjające warunki do powstania w nim życia. Gdyby którakolwiek ze stałych fizycznych zmieniła się choćby nieznacznie, nie byłoby nas na tym świecie. Osobliwość czarnych dziur przesłania zwykłe prawa fizyki i może (przynajmniej teoretycznie) dać początek nowemu wszechświatowi, który byłby inny niż nasz.

Czarne dziury mogą zamienić ciebie (i wszystko) w spaghetti

Czarne dziury rozciągają obiekty znajdujące się blisko nich. Przedmioty te zaczynają przypominać spaghetti (istnieje nawet specjalne określenie – „spaghettiification”).

Wynika to ze sposobu działania grawitacji. W tej chwili Twoje stopy znajdują się bliżej środka Ziemi niż głowa, więc są silniej ciągnięte. Na powierzchni czarnej dziury różnica grawitacji zaczyna działać przeciwko tobie. Nogi są przyciągane do środka czarnej dziury coraz szybciej, tak że górna połowa tułowia nie może za nimi nadążyć. Wynik: spaghetyfikacja!

Czarne dziury z czasem wyparowują

Czarne dziury nie tylko pochłaniają wiatr gwiazdowy, ale także odparowują. Zjawisko to zostało odkryte w 1974 roku i zostało nazwane promieniowaniem Hawkinga (od nazwiska Stephena Hawkinga, który dokonał odkrycia).

Z biegiem czasu czarna dziura może oddać całą swoją masę w otaczającą przestrzeń wraz z tym promieniowaniem i zniknąć.

Czarne dziury spowalniają czas wokół nich

W miarę zbliżania się do horyzontu zdarzeń czas zwalnia. Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, musimy zwrócić się do „paradoksu bliźniaków”, eksperyment myślowy, często używany do zilustrowania podstaw ogólnej teorii względności Einsteina.

Jeden z braci bliźniaków pozostaje na Ziemi, podczas gdy drugi odlatuje w kosmos, poruszając się z prędkością światła. Wracając na Ziemię, bliźniak odkrywa, że ​​jego brat postarzał się bardziej niż on, ponieważ poruszając się z prędkością bliską prędkości światła, czas płynie wolniej.

Gdy zbliżasz się do horyzontu zdarzeń czarnej dziury, będziesz poruszał się z tak dużą prędkością, że czas dla ciebie zwolni.

Czarne dziury to najbardziej zaawansowane elektrownie

Czarne dziury generują energię lepiej niż Słońce i inne gwiazdy. Wynika to z toczącej się wokół nich sprawy. Pokonując z dużą prędkością horyzont zdarzeń, materia na orbicie czarnej dziury jest podgrzewana do ekstremalnie wysokich temperatur. Nazywa się to promieniowaniem ciała doskonale czarnego.

Dla porównania, podczas syntezy jądrowej 0,7% materii jest przekształcane w energię. W pobliżu czarnej dziury 10% materii staje się energią!

Czarne dziury wypaczają przestrzeń wokół nich

Przestrzeń można traktować jako rozciągniętą gumkę z narysowanymi na niej liniami. Jeśli położysz przedmiot na talerzu, zmieni on swój kształt. Czarne dziury działają w ten sam sposób. Ich ekstremalna masa przyciąga do siebie wszystko, łącznie ze światłem (którego promienie, kontynuując analogię, można by nazwać liniami na talerzu).

Czarne dziury ograniczają liczbę gwiazd we wszechświecie

Gwiazdy powstają z chmur gazu. Aby rozpoczęło się formowanie gwiazd, chmura musi się ochłodzić.

Promieniowanie ciał czarnych zapobiega ochładzaniu się chmur gazu i tworzeniu się gwiazd.

Teoretycznie każdy obiekt może stać się czarną dziurą.

Jedyną różnicą między naszym Słońcem a czarną dziurą jest siła grawitacji. Jest znacznie silniejszy w centrum czarnej dziury niż w centrum gwiazdy. Gdyby nasze Słońce zostało skompresowane do średnicy około pięciu kilometrów, mogłaby to być czarna dziura.

Teoretycznie wszystko może stać się czarną dziurą. W praktyce wiemy, że czarne dziury powstają dopiero w wyniku kolapsu wielkich gwiazd, przekraczających masę Słońca 20-30 razy.

S. TRANKOWSKIEGO

Wśród najważniejszych i interesujących problemów współczesnej fizyki i astrofizyki akademik VL Ginzburg wymienił pytania związane z czarnymi dziurami (patrz Science and Life, nr 11, 12, 1999). Istnienie tych dziwnych obiektów przewidziano ponad dwieście lat temu, warunki prowadzące do ich powstania zostały precyzyjnie wyliczone pod koniec lat 30. XX wieku, a astrofizyka zmierzyła się z nimi niespełna czterdzieści lat temu. Dziś czasopisma naukowe na całym świecie co roku publikuje tysiące artykułów na temat czarnych dziur.

Powstawanie czarnej dziury może nastąpić na trzy sposoby.

W ten sposób zwyczajowo przedstawia się procesy zachodzące w sąsiedztwie zapadającej się czarnej dziury. W miarę upływu czasu (Y), przestrzeń (X) wokół niego (obszar zacieniony) kurczy się w kierunku osobliwości.

Pole grawitacyjne czarnej dziury wprowadza silne zniekształcenia do geometrii przestrzeni.

Czarna dziura, niewidoczna przez teleskop, ujawnia się tylko dzięki wpływowi grawitacji.

W potężnym polu grawitacyjnym czarnej dziury rodzą się pary cząstka-antycząstka.

Narodziny pary cząsteczka-antycząsteczka w laboratorium.

JAK WYGLĄDAJĄ

Świetliste ciało niebieskie o gęstości równej gęstości Ziemi i średnicy dwieście pięćdziesiąt razy większej od średnicy Słońca, ze względu na siłę przyciągania, nie dopuści do nas swojego światła. Możliwe więc, że największe świecące ciała we wszechświecie, właśnie ze względu na swoje rozmiary, pozostają niewidoczne.
Pierre'a Simona Laplace'a.
Prezentacja systemu świata. 1796

W 1783 roku angielski matematyk John Mitchell, a trzynaście lat później, niezależnie od niego, francuski astronom i matematyk Pierre Simon Laplace przeprowadzili bardzo dziwne badania. Rozważali warunki, w których światło nie mogłoby opuścić gwiazdy.

Logika naukowców była prosta. Dla dowolnego obiektu astronomicznego (planety lub gwiazdy) można obliczyć tak zwaną prędkość ucieczki, czyli drugą prędkość kosmiczną, która pozwala dowolnemu ciału lub cząsteczce opuścić ją na zawsze. A w ówczesnej fizyce panowała teoria Newtona, zgodnie z którą światło jest strumieniem cząstek (do teorii fal elektromagnetycznych i kwantów pozostało prawie sto pięćdziesiąt lat). Prędkość ucieczki cząstek można obliczyć na podstawie równości energia potencjalna na powierzchni planety i energia kinetyczna ciało, które „uciekło” na nieskończenie długą odległość. Ta prędkość jest określona wzorem #1#

gdzie M masa obiektu kosmicznego, R jest jego promień, G jest stałą grawitacyjną.

Stąd łatwo można uzyskać promień ciała o określonej masie (zwany później „promieniem grawitacyjnym”). r g ”), przy której prędkość ucieczki jest równa prędkości światła:

Oznacza to, że gwiazda ściśnięta w kulę o promieniu r g< 2GM/c 2 przestanie emitować - światło nie będzie mogło go opuścić. We wszechświecie pojawi się czarna dziura.

Łatwo obliczyć, że Słońce (jego masa wynosi 2,1033 g) zamieni się w czarną dziurę, jeśli skurczy się do promienia około 3 kilometrów. Gęstość jego substancji w tym przypadku osiągnie 10 16 g/cm 3 . Promień Ziemi skompresowany do stanu czarnej dziury zmniejszyłby się do około jednego centymetra.

Wydawało się niewiarygodne, że w naturze można znaleźć siły, które mogłyby skompresować gwiazdę do tak nieznacznych rozmiarów. Dlatego wnioski z prac Mitchella i Laplace'a przez ponad sto lat uważano za coś w rodzaju matematycznego paradoksu, który nie ma żadnego fizycznego znaczenia.

Ścisły dowód matematycznyże taki egzotyczny obiekt w kosmosie jest możliwy, uzyskano dopiero w 1916 roku. Niemiecki astronom Karl Schwarzschild, po przeanalizowaniu równań ogólnej teorii względności Alberta Einsteina, otrzymał interesujący wynik. Po zbadaniu ruchu cząstki w polu grawitacyjnym masywnego ciała doszedł do wniosku, że równanie traci fizyczne znaczenie(jego rozwiązanie idzie w nieskończoność) o r= 0 i r = r g.

Punkty, w których cechy pola tracą swoje znaczenie, nazywane są pojedynczymi, czyli specjalnymi. Osobliwość w punkcie zerowym jest odzwierciedleniem punktu, czyli centralnie symetrycznej struktury pola (w końcu jako punkt materialny można przedstawić dowolne ciało kuliste - gwiazdę lub planetę). A punkty znajdujące się na kulistej powierzchni o promieniu r g , tworzą samą powierzchnię, z której prędkość ucieczki jest równa prędkości światła. W ogólnej teorii względności nazywa się to sferą osobliwą Schwarzschilda lub horyzontem zdarzeń (dlaczego - wyjaśni się później).

Już na przykładzie znanych nam obiektów - Ziemi i Słońca - widać, że czarne dziury są bardzo dziwne przedmioty. Nawet astronomowie zajmujący się materią w ekstremalnych temperaturach, gęstości i ciśnieniu uważają je za bardzo egzotyczne i do niedawna nie wszyscy wierzyli w ich istnienie. Jednak pierwsze oznaki możliwości powstania czarnych dziur były już zawarte w ogólnej teorii względności A. Einsteina, stworzonej w 1915 roku. Angielski astronom Arthur Eddington, jeden z pierwszych interpretatorów i popularyzatorów teorii względności, w latach 30. XX wieku wyprowadził układ równań opisujących wewnętrzną budowę gwiazd. Wynika z nich, że gwiazda jest w równowadze pod działaniem przeciwnie skierowanych sił grawitacyjnych i ciśnienia wewnętrznego wytworzonego przez ruch cząstek gorącej plazmy wewnątrz oprawy oraz ciśnienie promieniowania wytwarzanego w jej głębi. A to oznacza, że ​​gwiazda jest kulą gazową, w środku której ciepło stopniowo maleje w kierunku obrzeży. Z równań w szczególności wynikało, że temperatura powierzchni Słońca wynosi około 5500 stopni (co jest całkiem zgodne z danymi z pomiarów astronomicznych), a w jego centrum powinno być około 10 milionów stopni. To pozwoliło Eddingtonowi wyciągnąć proroczy wniosek: w takiej temperaturze „zapala się” reakcja termojądrowa, wystarczająca do zapewnienia blasku Słońca. Z tym nie zgadzali się ówcześni fizycy atomowi. Wydawało im się, że w trzewiach gwiazdy jest zbyt „zimno”: temperatura tam była niewystarczająca, aby reakcja „odeszła”. Na to rozwścieczony teoretyk odpowiedział: „Poszukaj cieplejszego miejsca!”

I w końcu okazało się, że miał rację: naprawdę w centrum gwiazdy zachodzi reakcja termojądrowa (inną rzeczą jest to, że tak zwany „standardowy model słoneczny”, oparty na pomysłach na temat syntezy termojądrowej, najwyraźniej okazał się mylić się – patrz np. „Nauka i życie” nr 2, 3, 2000). Niemniej jednak w centrum gwiazdy zachodzi reakcja, gwiazda świeci, a promieniowanie, które w tym przypadku powstaje, utrzymuje ją w stanie stabilnym. Ale teraz wypala się jądrowe „paliwo” w gwieździe. Uwalnianie energii ustaje, promieniowanie gaśnie, a siła powstrzymująca przyciąganie grawitacyjne znika. Istnieje limit masy gwiazdy, po którym gwiazda zaczyna nieodwracalnie się kurczyć. Obliczenia pokazują, że dzieje się tak, gdy masa gwiazdy przekracza dwie lub trzy masy Słońca.

UPAD GRAWITACYJNY

Na początku szybkość kurczenia się gwiazdy jest niewielka, ale jej szybkość stale rośnie, ponieważ siła przyciągania jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości. Kompresja staje się nieodwracalna, nie ma sił zdolnych do przeciwdziałania samograwitacji. Ten proces nazywa się zawaleniem grawitacyjnym. Prędkość powłoki gwiazdy w kierunku jej środka wzrasta, zbliżając się do prędkości światła. I tu zaczynają odgrywać rolę efekty teorii względności.

Prędkość ucieczki została obliczona na podstawie koncepcji Newtona o naturze światła. Z punktu widzenia ogólnej teorii względności zjawiska w sąsiedztwie zapadającej się gwiazdy zachodzą nieco inaczej. W jego potężnym polu grawitacyjnym występuje tak zwane przesunięcie grawitacyjne ku czerwieni. Oznacza to, że częstotliwość promieniowania pochodzącego z masywnego obiektu jest przesunięta w kierunku niskich częstotliwości. W granicy, na granicy sfery Schwarzschilda, częstotliwość promieniowania wynosi zero. Oznacza to, że obserwator znajdujący się poza nim nie będzie w stanie dowiedzieć się niczego o tym, co dzieje się w środku. Dlatego sfera Schwarzschilda nazywana jest horyzontem zdarzeń.

Ale zmniejszenie częstotliwości jest równoznaczne ze spowolnieniem czasu, a gdy częstotliwość spadnie do zera, czas się zatrzyma. Oznacza to, że zewnętrzny obserwator zobaczy bardzo dziwny obraz: powłoka gwiazdy spadająca z rosnącym przyspieszeniem, zamiast osiągać prędkość światła, zatrzymuje się. Z jego punktu widzenia skurcz ustanie, gdy tylko rozmiar gwiazdy zbliży się do promienia grawitacyjnego
wąsy. Nigdy nie zobaczy nawet jednej cząstki „nurkującej” pod sferę Schwarzschilda. Ale dla hipotetycznego obserwatora wpadającego do czarnej dziury wszystko skończy się w ciągu kilku chwil według jego zegarka. Zatem czas zapadania grawitacyjnego gwiazdy wielkości Słońca wyniesie 29 minut, a znacznie gęstszej i bardziej zwartej gwiazdy neutronowej – tylko 1/20000 sekundy. I tu ma kłopoty związane z geometrią czasoprzestrzeni w pobliżu czarnej dziury.

Obserwator wchodzi w zakrzywioną przestrzeń. W pobliżu promienia grawitacyjnego siły grawitacyjne stają się nieskończenie duże; wraz z obserwatorem-astronautą rozciągają rakietę na nieskończenie cienką nić o nieskończonej długości. Ale on sam tego nie zauważy: wszystkie jego deformacje będą odpowiadały zniekształceniom współrzędnych czasoprzestrzennych. Te rozważania odnoszą się oczywiście do idealnego, hipotetycznego przypadku. Każde prawdziwe ciało zostanie rozerwane przez siły pływowe na długo przed zbliżeniem się do kuli Schwarzschilda.

CZARNE OTWORY WYMIARY

Rozmiar czarnej dziury, a raczej promień sfery Schwarzschilda jest proporcjonalny do masy gwiazdy. A ponieważ astrofizyka nie nakłada żadnych ograniczeń na wielkość gwiazdy, czarna dziura może być dowolnie duża. Gdyby na przykład powstał podczas kolapsu gwiazdy o masie 108 mas Słońca (lub w wyniku połączenia setek tysięcy, a nawet milionów stosunkowo małych gwiazd), jego promień wynosiłby około 300 milionów kilometrów, dwukrotnie orbita Ziemi. A średnia gęstość substancji takiego giganta jest zbliżona do gęstości wody.

Najwyraźniej to właśnie takie czarne dziury znajdują się w centrach galaktyk. W każdym razie, astronomowie dzisiaj liczą około pięćdziesięciu galaktyk, w centrum których, sądząc po znakach pośrednich (porozmawiamy o nich poniżej), znajdują się czarne dziury o masie około miliarda (10 9) słonecznych. Najwyraźniej nasza Galaktyka również ma swoją własną czarną dziurę; jego masę oszacowano dość dokładnie - 2,4. 10 6 ±10% masy Słońca.

Teoria zakłada, że ​​wraz z takimi nadolbrzymami czarne mini-dziury o masie ok. 10 14 g i promieniu ok. 10 -12 cm (rozmiar jądro atomowe). Mogłyby pojawić się w pierwszych chwilach istnienia Wszechświata jako przejaw bardzo silnej niejednorodności czasoprzestrzeni o kolosalnej gęstości energii. Warunki, jakie istniały wówczas we Wszechświecie, są teraz realizowane przez badaczy przy potężnych zderzaczach (akceleratorach na zderzających się wiązkach). Eksperymenty w CERN na początku tego roku dały plazmę kwarkowo-gluonową, istniejącą wcześniej materię. cząstki elementarne. Badania nad tym stanem materii trwają w Brookhaven, amerykańskim centrum akceleracyjnym. Jest zdolny do przyspieszania cząstek do energii o półtorej do dwóch rzędów wielkości wyższych niż akcelerator w
CERN. Zbliżający się eksperyment wywołał poważny niepokój: czy podczas jego realizacji powstanie czarna mini-dziura, która zakrzywi naszą przestrzeń i zniszczy Ziemię?

Strach ten wywołał tak silną reakcję, że rząd USA został zmuszony do zwołania autorytatywnej komisji w celu przetestowania tej możliwości. Komisja, w skład której weszli wybitni badacze, stwierdziła, że ​​energia akceleratora jest zbyt niska, aby powstała czarna dziura (eksperyment ten opisano w czasopiśmie Nauka i Zhizn, nr 3, 2000).

JAK ZOBACZYĆ NIEWIDZIALNE?

Czarne dziury nic nie emitują, nawet światło. Jednak astronomowie nauczyli się ich dostrzegać, a raczej znajdować „kandydatów” do tej roli. Istnieją trzy sposoby na wykrycie czarnej dziury.

1. Konieczne jest śledzenie obiegu gwiazd w gromadach wokół określonego środka ciężkości. Jeśli okaże się, że w tym centrum nic nie ma, a gwiazdy krążą niejako wokół pustego miejsca, można z wystarczającą pewnością powiedzieć: w tej „pustce” jest czarna dziura. Na tej podstawie założono obecność czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki i oszacowano jej masę.

2. Czarna dziura aktywnie zasysa do siebie materię z otaczającej przestrzeni. Pył międzygwiazdowy, gaz, materia pobliskich gwiazd opadają na nią spiralnie, tworząc tzw. dysk akrecyjny, podobny do pierścienia Saturna. (Właśnie to było przerażające w eksperymencie Brookhaven: czarna mini-dziura, która powstała w akceleratorze, zacznie wciągać Ziemię w siebie, a tego procesu nie mogą zatrzymać żadne siły.) Cząstki zbliżają się do sfery Schwarzschilda, doświadczają przyspieszenie i zaczynają promieniować w zakresie rentgenowskim. Promieniowanie to ma charakterystyczne widmo podobne do dobrze zbadanego promieniowania cząstek przyspieszanych w synchrotronie. A jeśli takie promieniowanie pochodzi z jakiegoś regionu Wszechświata, możemy z całą pewnością powiedzieć, że musi tam być czarna dziura.

3. Kiedy łączą się dwie czarne dziury, pojawia się promieniowanie grawitacyjne. Obliczono, że jeśli masa każdego z nich wynosi około dziesięciu mas Słońca, to gdy połączą się w ciągu kilku godzin, energia równoważna 1% ich całkowitej masy zostanie uwolniona w postaci fal grawitacyjnych. To tysiąc razy więcej niż światło, ciepło i inna energia, którą Słońce wyemitowało przez cały okres swojego istnienia - pięć miliardów lat. Mają nadzieję wykryć promieniowanie grawitacyjne za pomocą obserwatoriów fal grawitacyjnych LIGO i innych, które są obecnie budowane w Ameryce i Europie przy udziale rosyjskich badaczy (patrz „Science and Life” nr 5, 2000).

A jednak, choć astronomowie nie mają wątpliwości co do istnienia czarnych dziur, nikt nie może kategorycznie stwierdzić, że dokładnie jedna z nich znajduje się w danym punkcie przestrzeni. Etyka naukowa, sumienność badacza wymagają jednoznacznej odpowiedzi na postawione pytanie, która nie toleruje rozbieżności. Nie wystarczy oszacować masę niewidzialnego obiektu, trzeba zmierzyć jego promień i wykazać, że nie przekracza promienia Schwarzschilda. I nawet w naszej Galaktyce problem ten nie został jeszcze rozwiązany. Dlatego naukowcy wykazują pewną powściągliwość w zgłaszaniu swoich odkryć, a czasopisma naukowe są dosłownie pełne doniesień z prac teoretycznych i obserwacji efektów, które mogą rzucić światło na ich zagadkę.

To prawda, że ​​czarne dziury mają też jeszcze jedną przewidywaną teoretycznie właściwość, która być może umożliwiłaby ich zobaczenie. Ale pod jednym warunkiem: masa czarnej dziury musi być znacznie mniejsza niż masa Słońca.

CZARNA DZIURA MOŻE BYĆ „BIAŁA”

Przez długi czas czarne dziury uważano za ucieleśnienie ciemności, obiekty, które w próżni, przy braku absorpcji materii, niczego nie promieniują. Jednak w 1974 roku słynny angielski teoretyk Stephen Hawking wykazał, że czarnym dziurom można przypisać temperaturę i dlatego muszą promieniować.

Zgodnie z koncepcjami mechaniki kwantowej próżnia nie jest pustką, ale rodzajem „piany czasoprzestrzeni”, mieszaniną wirtualnych (niemożliwych do zaobserwowania w naszym świecie) cząstek. Jednak fluktuacje energii kwantowej są w stanie „wyrzucić” z próżni parę cząstka-antycząstka. Na przykład, kiedy zderzają się dwa lub trzy kwanty gamma, elektron i pozyton pojawią się jakby z niczego. To i podobne zjawiska były wielokrotnie obserwowane w laboratoriach.

To fluktuacje kwantowe determinują procesy promieniowania z czarnych dziur. Jeśli para cząstek o energiach mi oraz -MI(całkowita energia pary wynosi zero), powstaje w pobliżu kuli Schwarzschilda, dalszy los cząsteczki będą różne. Mogą niemal natychmiast unicestwić lub razem zejść pod horyzont zdarzeń. W takim przypadku stan czarnej dziury się nie zmieni. Ale jeśli tylko jedna cząstka znajdzie się pod horyzontem, obserwator zarejestruje inną i wyda mu się, że została wygenerowana przez czarną dziurę. W tym przypadku czarna dziura, która pochłonęła cząstkę z energią -MI, zmniejszy swoją energię, a z energią mi- zwiększyć.

Hawking obliczył tempo, w jakim przebiegają wszystkie te procesy i doszedł do wniosku, że prawdopodobieństwo wchłonięcia cząstek o energii ujemnej jest większe. Oznacza to, że czarna dziura traci energię i masę - wyparowuje. Ponadto promieniuje jako całkowicie czarne ciało o temperaturze T = 6 . 10 -8 M z / M kelwiny, gdzie M c masa Słońca (2,1033 g), M to masa czarnej dziury. Ta prosta zależność pokazuje, że temperatura czarnej dziury o masie sześć razy większej od masy Słońca wynosi sto milionowych części stopnia. Oczywiste jest, że takie zimne ciało praktycznie nic nie promieniuje, a wszystkie powyższe argumenty pozostają aktualne. Kolejna sprawa - mini-dziurki. Łatwo zauważyć, że przy masie 10 14 -10 30 gramów rozgrzewają się do kilkudziesięciu tysięcy stopni i są rozgrzane do białości! Należy jednak od razu zauważyć, że nie ma sprzeczności z właściwościami czarnych dziur: promieniowanie to jest emitowane przez warstwę nad sferą Schwarzschilda, a nie pod nią.

Tak więc czarna dziura, która wydawała się być wiecznie zamrożonym obiektem, prędzej czy później znika, wyparowując. Co więcej, ponieważ „traci na wadze”, zwiększa się tempo parowania, ale nadal trwa to wyjątkowo długo. Szacuje się, że mini-dziury o wadze 10 14 gramów, które pojawiły się zaraz po Wielkim Wybuchu 10-15 miliardów lat temu, do naszych czasów powinny całkowicie wyparować. Na ostatnim etapie ich życia ich temperatura osiąga kolosalną wartość, więc produktami parowania muszą być cząstki o niezwykle wysokiej energii. Możliwe, że to one generują szerokie deszcze atmosferyczne - EAS w ziemskiej atmosferze. W każdym razie pochodzenie anomalnie wysokoenergetycznych cząstek jest kolejnym ważnym i ciekawy problem, co może być blisko związane z nie mniej ekscytującymi pytaniami z fizyki czarnych dziur.