Svart hål i rymden, vad som finns inuti. Vad är ett svart hål. Vad finns i ett svart hål

Svarta hål är ett av de märkligaste fenomenen i universum. I alla fall i detta skede av mänsklig utveckling. Detta är ett föremål med oändlig massa och densitet, och därför attraktion, bortom vilken inte ens ljus kan fly - därför är hålet svart. Ett supermassivt svart hål kan suga in en hel galax utan att kvävas, och bortom händelsehorisonten börjar normal fysik skrika och vrida sig till en knut. Å andra sidan kan svarta hål bli potentiella "hål" för övergång från en nod i rymden till en annan. Frågan är hur nära vi kan komma ett svart hål, och kommer det att få konsekvenser?

De tar över allt de möter. Från subatomära partiklar till stjärnor, fasta ämnen, gaser, vätskor och till och med ljus, allt som faller in i dem går förlorat. Och precis så fångar svarta hål den populära fantasin. Att tänka på rymden sedan människor först såg ljuspunkterna som prydde natthimlen har fått sinnet att föreställa sig saker som inte kan ses här på jorden. Och svarta hål utökar fantasin mer än något annat astronomiunder.

För att ett svart hål ska bildas är det nödvändigt att komprimera en kropp till en viss kritisk densitet så att den komprimerade kroppens radie är lika med dess gravitationsradie. Värdet på denna kritiska densitet är omvänt proportionell mot kvadraten på det svarta hålets massa.

För ett typiskt svart hål med stjärnmassa ( M=10M sun) gravitationsradien är 30 km, och den kritiska densiteten är 2·10 14 g/cm 3, det vill säga tvåhundra miljoner ton per kubikcentimeter. Denna densitet är mycket hög jämfört med jordens genomsnittliga densitet (5,5 g/cm3), den är lika med densiteten för atomkärnan.

För ett svart hål i den galaktiska kärnan ( M=10 10 M solen) gravitationsradien är 3·10 15 cm = 200 AU, vilket är fem gånger avståndet från solen till Pluto (1 astronomisk enhet - medelavståndet från jorden till solen - är lika med 150 miljoner km eller 1,5·10 13 cm). Den kritiska densiteten i detta fall är lika med 0,2·10 –3 g/cm 3 , vilket är flera gånger mindre än luftens densitet, lika med 1,3·10 –3 g/cm 3 (!).

För jorden ( M=3·10 –6 M solen), är gravitationsradien nära 9 mm, och motsvarande kritiska densitet är monstruöst hög: ρ cr = 2·10 27 g/cm 3, vilket är 13 storleksordningar högre än atomkärnans densitet.

Om vi ​​tar någon imaginär sfärisk press och komprimerar jorden och bibehåller dess massa, då när vi minskar jordens radie (6370 km) med fyra gånger, kommer dess andra flykthastighet att fördubblas och bli lika med 22,4 km/s. Om vi ​​komprimerar jorden så att dess radie blir ungefär 9 mm, kommer den andra kosmiska hastigheten att få ett värde lika med ljusets hastighet c= 300 000 km/s.

Vidare kommer en press inte att behövas - jorden, komprimerad till en sådan storlek, kommer redan att komprimera sig själv. Till slut kommer ett svart hål att bildas i stället för jorden, vars radie för händelsehorisonten kommer att vara nära 9 mm (om vi försummar rotationen av det resulterande svarta hålet). Under verkliga förhållanden finns det naturligtvis ingen superkraftig press - gravitationen "fungerar". Det är därför svarta hål bara kan bildas när det inre av mycket massiva stjärnor kollapsar, där gravitationen är tillräckligt stark för att komprimera materia till en kritisk densitet.

Evolution av stjärnor

Svarta hål bildas i slutskedet av evolutionen av massiva stjärnor. I vanliga stjärnors djup sker termonukleära reaktioner, enorm energi frigörs och en hög temperatur upprätthålls (tiotals och hundratals miljoner grader). Gravitationskrafter tenderar att komprimera stjärnan, och tryckkrafterna från het gas och strålning motstår denna kompression. Därför är stjärnan i hydrostatisk jämvikt.

Dessutom kan en stjärna existera i termisk jämvikt, när energiutsläppet på grund av termonukleära reaktioner i dess centrum är exakt lika med den kraft som stjärnan emitterar från ytan. När stjärnan drar ihop sig och expanderar störs den termiska jämvikten. Om stjärnan är stationär, är dess jämvikt etablerad på ett sådant sätt att stjärnans negativa potentiella energi (energin för gravitationskompression) i absolut värde alltid är två gånger den termiska energin. På grund av detta har stjärnan en fantastisk egenskap - negativ värmekapacitet. Vanliga kroppar har en positiv värmekapacitet: en uppvärmd bit järn, kyls ner, det vill säga förlorar energi, sänker dess temperatur. För en stjärna är det tvärtom: ju mer energi den förlorar i form av strålning, desto högre blir temperaturen i dess centrum.

Denna märkliga, vid första anblicken, särdrag har en enkel förklaring: stjärnan, när den strålar ut, drar sig långsamt ihop. Under kompression omvandlas potentiell energi till kinetisk energi från fallande lager av stjärnan, och dess inre värms upp. Dessutom är den termiska energin som stjärnan förvärvar som ett resultat av kompression dubbelt så mycket som den energi som förloras i form av strålning. Som ett resultat ökar temperaturen i stjärnans inre, och kontinuerlig termonukleär syntes av kemiska element sker. Till exempel sker reaktionen att omvandla väte till helium i den nuvarande solen vid en temperatur på 15 miljoner grader. När, efter 4 miljarder år, i solens centrum, allt väte förvandlas till helium, för vidare syntes av kolatomer från heliumatomer, kommer det att krävas en betydligt högre temperatur, cirka 100 miljoner grader (heliumkärnornas elektriska laddning är dubbelt så stor som vätekärnor, och för att föra kärnorna närmare varandra krävs helium på ett avstånd av 10–13 cm en mycket högre temperatur). Det är just denna temperatur som kommer att säkerställas på grund av solens negativa värmekapacitet när den termonukleära reaktionen att omvandla helium till kol antänds i dess djup.

Vita dvärgar

Om stjärnans massa är liten, så att massan av dess kärna som påverkas av termonukleära transformationer är mindre än 1,4 M solen kan termonukleär sammansmältning av kemiska grundämnen upphöra på grund av den så kallade degenereringen av elektrongasen i stjärnans kärna. I synnerhet beror trycket hos en degenererad gas på densiteten, men beror inte på temperaturen, eftersom energin för elektronernas kvantrörelser är mycket större än energin för deras termiska rörelse.

Det höga trycket hos den degenererade elektrongasen motverkar effektivt krafterna från gravitationskompression. Eftersom trycket inte beror på temperaturen leder förlusten av energi från en stjärna i form av strålning inte till komprimering av dess kärna. Följaktligen frigörs inte gravitationsenergin som tillskottsvärme. Därför ökar inte temperaturen i den utvecklande degenererade kärnan, vilket leder till att kedjan av termonukleära reaktioner avbryts.

Det yttre väteskalet, opåverkat av termonukleära reaktioner, separeras från stjärnans kärna och bildar en planetarisk nebulosa som lyser i utsläppslinjerna för väte, helium och andra grundämnen. Den centrala kompakta och relativt heta kärnan i en utvecklad stjärna med låg massa är en vit dvärg - ett föremål med en radie i storleksordningen jordens radie (~10 4 km), en massa på mindre än 1,4 M sol och en medeldensitet på cirka ett ton per kubikcentimeter. Vita dvärgar observeras i stort antal. Deras totala antal i galaxen når 10 10, det vill säga ungefär 10 % av den totala massan av galaxens observerbara materia.

Termonukleär förbränning i en degenererad vit dvärg kan vara instabil och leda till en kärnexplosion av en tillräckligt massiv vit dvärg med en massa nära den så kallade Chandrasekhar-gränsen (1,4) M Sol). Sådana explosioner ser ut som supernovor av typ I, som inte har några vätelinjer i sitt spektrum, utan bara linjer av helium, kol, syre och andra tunga grundämnen.

Neutronstjärnor

Om stjärnans kärna är degenererad, när dess massa närmar sig gränsen på 1,4 M sun, den vanliga degenerationen av elektrongasen i kärnan ersätts av den så kallade relativistiska degenerationen.

Degenererade elektroners kvantrörelser blir så snabba att deras hastigheter närmar sig ljusets hastighet. I det här fallet minskar gasens elasticitet, dess förmåga att motverka gravitationskrafterna minskar och stjärnan upplever gravitationskollaps. Vid kollaps fångas elektroner av protoner och neutronisering av ämnet sker. Detta leder till bildandet av en neutronstjärna från en massiv degenererad kärna.

Om den initiala massan av stjärnans kärna överstiger 1,4 M solen, då uppnås en hög temperatur i kärnan, och elektrondegeneration sker inte under hela dess utveckling. I det här fallet fungerar negativ värmekapacitet: när stjärnan förlorar energi i form av strålning, ökar temperaturen i dess djup, och det finns en kontinuerlig kedja av termonukleära reaktioner som omvandlar väte till helium, helium till kol, kol till syre och så vidare, upp till elementen i järngruppen. Reaktionen av termonukleär fusion av kärnor av element tyngre än järn sker inte längre med frisättningen, utan med absorptionen av energi. Därför, om massan av stjärnans kärna, som huvudsakligen består av järngruppselement, överskrider Chandrasekhar-gränsen på 1,4 M sol , men mindre än den så kallade Oppenheimer–Volkov-gränsen ~3 M solen, sedan i slutet av stjärnans kärnkraftsutveckling inträffar gravitationskollaps av kärnan, som ett resultat av vilket stjärnans yttre väteskal fälls, vilket observeras som en typ II supernovaexplosion, i spektrumet av vilka kraftfulla vätelinjer som observeras.

Kollapsen av järnkärnan leder till bildandet av en neutronstjärna.

När den massiva kärnan av en stjärna som har nått ett sent skede av evolutionen komprimeras, stiger temperaturen till gigantiska värden i storleksordningen en miljard grader, när atomkärnorna börjar bryta isär till neutroner och protoner. Protoner absorberar elektroner och förvandlas till neutroner och avger neutriner. Neutroner, enligt den kvantmekaniska Pauli-principen, med stark kompression börjar effektivt stöta bort varandra.

När massan av den kollapsande kärnan är mindre än 3 M solen är neutronhastigheterna betydligt lägre än ljusets hastighet och materiens elasticitet på grund av neutronernas effektiva repulsion kan balansera gravitationskrafterna och leda till bildandet av en stabil neutronstjärna.

Möjligheten av existensen av neutronstjärnor förutspåddes först 1932 av den enastående sovjetiske fysikern Landau omedelbart efter upptäckten av neutronen i laboratorieexperiment. Radien för en neutronstjärna är nära 10 km, dess genomsnittliga densitet är hundratals miljoner ton per kubikcentimeter.

När massan av den kollapsande stjärnkärnan är större än 3 M solen, sedan, enligt befintliga idéer, den resulterande neutronstjärnan, kylande, kollapsar till ett svart hål. Kollapsen av en neutronstjärna i ett svart hål underlättas också av det omvända fallet av en del av stjärnans skal, som kastas ut under en supernovaexplosion.

En neutronstjärna roterar vanligtvis snabbt eftersom den normala stjärnan som födde den kan ha betydande rörelsemängd. När kärnan i en stjärna kollapsar till en neutronstjärna minskar stjärnans karakteristiska dimensioner från R= 10 5 –10 6 km till R≈ 10 km. När storleken på en stjärna minskar, minskar dess tröghetsmoment. För att bibehålla vinkelmomentet måste den axiella rotationshastigheten öka kraftigt. Till exempel, om solen, som roterar med en period på cirka en månad, komprimeras till storleken av en neutronstjärna, kommer rotationsperioden att minska till 10–3 sekunder.

Enstaka neutronstjärnor med ett starkt magnetfält manifesterar sig som radiopulsarer - källor till strikt periodiska pulser av radioemission som uppstår när energin från den snabba rotationen av en neutronstjärna omvandlas till riktad radioemission. I binära system uppvisar ackreterande neutronstjärnor fenomenet röntgenpulsar och typ 1 röntgenburster.

Man kan inte förvänta sig strikt periodiska pulseringar av strålning från ett svart hål, eftersom det svarta hålet inte har någon observerbar yta och inget magnetfält. Som fysiker ofta säger har svarta hål inte "hår" - alla fält och alla inhomogeniteter nära händelsehorisonten sänds ut när det svarta hålet bildas från kollapsande materia i form av en ström av gravitationsvågor. Som ett resultat har det resulterande svarta hålet bara tre egenskaper: massa, rörelsemängd och elektrisk laddning. Alla individuella egenskaper hos det kollapsande ämnet glöms bort under bildandet av ett svart hål: till exempel svarta hål som bildas av järn och av vatten har, allt annat lika, samma egenskaper.

Som förutspåtts av den allmänna relativitetsteorin (GR), stjärnor vars järnkärnmassor i slutet av sin evolution överstiger 3 M sol, upplev obegränsad kompression (relativistisk kollaps) med bildandet av ett svart hål. Detta förklaras av det faktum att i allmän relativitet bestäms gravitationskrafterna som tenderar att komprimera en stjärna av energitätheten och av de enorma densiteter av materia som uppnås under komprimeringen av en så massiv stjärnkärna, det huvudsakliga bidraget till energitätheten skapas inte längre av partiklarnas vilaenergi, utan av energin från deras rörelse och interaktion. Det visar sig att i generell relativitet tycks trycket från ett ämne vid mycket höga densiteter "väga" sig självt: ju högre tryck, desto större energitäthet och, följaktligen, desto större gravitationskrafter tenderar att komprimera ämnet. Dessutom, under starka gravitationsfält, blir effekterna av rum-tidskrökning fundamentalt viktiga, vilket också bidrar till den obegränsade komprimeringen av stjärnans kärna och dess omvandling till ett svart hål (Fig. 3).

Sammanfattningsvis noterar vi att svarta hål som bildades i vår tid (till exempel det svarta hålet i Cygnus X-1-systemet), strängt taget inte är hundra procent svarta hål, eftersom på grund av relativistisk tidsutvidgning för en avlägsen observatör, deras händelsehorisonter har fortfarande inte bildats. Ytorna på sådana kollapsande stjärnor verkar för en observatör på jorden som frusna och närmar sig oändligt deras händelsehorisonter.

För att svarta hål från sådana kollapsande föremål äntligen ska bildas måste vi vänta hela den oändligt långa tiden av vårt universums existens. Det bör dock betonas att redan under de första sekunderna av den relativistiska kollapsen närmar sig den kollapsande stjärnans yta för en observatör från jorden mycket nära händelsehorisonten, och alla processer på denna yta saktar ner oändligt.

Svarta hål är de enda kosmiska kropparna som kan attrahera ljus genom gravitationen. De är också de största föremålen i universum. Vi kommer sannolikt inte att veta vad som händer nära deras händelsehorisont (känd som "point of no return") när som helst snart. Dessa är de mest mystiska platserna i vår värld, om vilka, trots årtionden av forskning, mycket lite fortfarande är känt. Den här artikeln innehåller 10 fakta som kan kallas de mest spännande.

Svarta hål suger inte in materia i sig själva

Många föreställer sig ett svart hål som en slags "rymddammsugare", som ritar in det omgivande utrymmet. Faktum är att svarta hål är vanliga rymdobjekt som har ett exceptionellt starkt gravitationsfält.

Om ett svart hål av samma storlek uppstod i solens plats skulle jorden inte dras in, den skulle rotera i samma omloppsbana som den gör idag. Stjärnor som ligger bredvid svarta hål förlorar en del av sin massa i form av stjärnvind (detta händer under existensen av någon stjärna) och svarta hål absorberar endast denna materia.

Förekomsten av svarta hål förutspåddes av Karl Schwarzschild

Karl Schwarzschild var den första som använde Einsteins allmänna relativitetsteori för att bevisa existensen av en "point of no return". Einstein själv tänkte inte på svarta hål, även om hans teori förutspår deras existens.

Schwarzschild lade fram sitt förslag 1915, omedelbart efter att Einstein publicerat sin allmänna relativitetsteori. Det var då termen "Schwarzschild-radie" uppstod – det här är ett värde som visar hur mycket du skulle behöva komprimera ett föremål för att det skulle bli ett svart hål.

Teoretiskt sett kan allt bli ett svart hål om det komprimeras tillräckligt. Ju tätare föremål, desto starkare gravitationsfält skapar det. Till exempel skulle jorden bli ett svart hål om den hade massan av ett föremål som är lika stort som en jordnöt.

Svarta hål kan föda nya universum

Tanken att svarta hål kan föda nya universum verkar absurd (särskilt eftersom vi fortfarande inte är säkra på att det finns andra universum). Ändå utvecklas sådana teorier aktivt av forskare.

En mycket förenklad version av en av dessa teorier är följande. Vår värld har extremt gynnsamma förutsättningar för uppkomsten av liv i den. Om någon av de fysiska konstanterna förändrades ens lite, skulle vi inte vara i den här världen. Svarta håls singularitet åsidosätter fysikens normala lagar och kan (åtminstone i teorin) ge upphov till ett nytt universum som kommer att skilja sig från vårt.

Svarta hål kan förvandla dig (och allt annat) till spagetti

Svarta hål sträcker ut föremål som är nära dem. Dessa föremål börjar likna spagetti (det finns till och med en speciell term - "spaghettifiering").

Detta händer på grund av hur gravitationen fungerar. För tillfället är dina ben närmare jordens centrum än ditt huvud, så de attraheras starkare. På ytan av ett svart hål börjar skillnaden i gravitation att arbeta mot dig. Benen dras till mitten av det svarta hålet snabbare och snabbare, så att den övre halvan av kroppen inte kan hänga med dem. Resultat: spaghettifiering!

Svarta hål avdunstar med tiden

Svarta hål absorberar inte bara stjärnvind, utan förångas också. Detta fenomen upptäcktes 1974 och kallades Hawking-strålning (efter Stephen Hawking, som gjorde upptäckten).

Med tiden kan det svarta hålet släppa ut all sin massa i det omgivande utrymmet tillsammans med denna strålning och försvinna.

Svarta hål saktar ner tiden nära dem

När du närmar dig händelsehorisonten saktar tiden ner. För att förstå varför detta händer måste vi titta på "tvillingparadoxen", ett tankeexperiment som ofta används för att illustrera de grundläggande principerna för Einsteins allmänna relativitetsteori.

En av tvillingbröderna är kvar på jorden, och den andra flyger iväg på en rymdresa och rör sig med ljusets hastighet. När han återvänder till jorden upptäcker tvillingen att hans bror har åldrats mer än han har eftersom tiden går långsammare när han reser nära ljusets hastighet.

När du närmar dig händelsehorisonten för ett svart hål kommer du att röra dig i så hög hastighet att tiden saktar ner för dig.

Svarta hål är de mest avancerade energisystemen

Svarta hål genererar energi bättre än solen och andra stjärnor. Detta beror på att materia kretsar runt dem. Materia i det svarta hålets omloppsbana värms upp till extremt höga temperaturer när den korsar händelsehorisonten med enorm hastighet. Detta kallas svart kroppsstrålning.

Som jämförelse omvandlar kärnfusion 0,7 % av materien till energi. Nära ett svart hål blir 10% av materien energi!

Svarta hål böjer utrymmet runt dem

Utrymmet kan ses som en sträckt gummiplatta med linjer ritade på den. Om du lägger ett objekt på posten kommer det att ändra form. Svarta hål fungerar på samma sätt. Deras extrema massa attraherar allt, inklusive ljus (vars strålar, för att fortsätta analogin, skulle kunna kallas linjer på en platta).

Svarta hål begränsar antalet stjärnor i universum

Stjärnor uppstår från gasmoln. För att stjärnbildningen ska börja måste molnet svalna.

Strålningen från svarta kroppar hindrar gasmoln från att svalna och hindrar stjärnor från att dyka upp.

Teoretiskt sett kan vilket föremål som helst bli ett svart hål

Den enda skillnaden mellan vår sol och ett svart hål är tyngdkraften. I mitten av ett svart hål är det mycket starkare än i mitten av en stjärna. Om vår sol skulle komprimeras till cirka fem kilometer i diameter kan det vara ett svart hål.

Teoretiskt kan allt bli ett svart hål. I praktiken vet vi att svarta hål uppstår endast som ett resultat av kollapsen av enorma stjärnor som är 20-30 gånger större än solen i massa.

De flesta människor har en vag eller felaktig uppfattning om vad svarta hål är. Samtidigt är dessa sådana globala och kraftfulla objekt i universum, i jämförelse med vilka vår planet och hela vårt liv är ingenting.

Väsen

Detta är ett kosmiskt föremål med så enorm gravitation att det absorberar allt som faller inom dess gränser. I huvudsak är ett svart hål ett föremål som inte ens släpper ut ljus och böjer rum-tiden. Även tiden går långsammare nära svarta hål.

I själva verket är förekomsten av svarta hål bara en teori (och lite praktik). Forskare har antaganden och praktisk erfarenhet, men har ännu inte kunnat närmare studera svarta hål. Därför kallas alla föremål som passar denna beskrivning konventionellt för svarta hål. Svarta hål har studerats lite, och därför förblir många frågor olösta.

Varje svart hål har en händelsehorisont - den gränsen efter vilken ingenting kan undkomma. Dessutom, ju närmare ett objekt är ett svart hål, desto långsammare rör sig det.

Utbildning

Det finns flera typer och metoder för att bilda svarta hål:
- bildandet av svarta hål som ett resultat av bildandet av universum. Sådana svarta hål dök upp omedelbart efter Big Bang.
- döende stjärnor. När en stjärna förlorar sin energi och termonukleära reaktioner slutar, börjar stjärnan att krympa. Beroende på graden av kompression urskiljs neutronstjärnor, vita dvärgar och faktiskt svarta hål.
- erhålls genom experiment. Till exempel kan ett kvantsvart hål skapas i en kolliderare.

Versioner

Många forskare är benägna att tro att svarta hål skjuter ut all absorberad materia någon annanstans. De där. Det måste finnas "vita hål" som fungerar enligt en annan princip. Om du kan ta dig in i ett svart hål, men inte kan ta dig ut, så kan du inte tvärtom komma in i ett vitt hål. Forskarnas huvudargument är de skarpa och kraftfulla energiutbrotten som registrerats i rymden.

Förespråkare av strängteorin skapade i allmänhet sin egen modell av ett svart hål, som inte förstör information. Deras teori kallas "Fuzzball" - den låter oss svara på frågor relaterade till singulariteten och informationens försvinnande.

Vad är singularitet och försvinnande av information? En singularitet är en punkt i rymden som kännetecknas av oändligt tryck och densitet. Många människor är förvirrade av faktumet av singularitet, eftersom fysiker inte kan arbeta med oändliga siffror. Många är säkra på att det finns en singularitet i ett svart hål, men dess egenskaper beskrivs väldigt ytligt.

Enkelt uttryckt uppstår alla problem och missförstånd från förhållandet mellan kvantmekanik och gravitation. Än så länge kan forskare inte skapa en teori som förenar dem. Och det är därför det uppstår problem med ett svart hål. Ett svart hål verkar trots allt förstöra information, men samtidigt kränks kvantmekanikens grunder. Även om S. Hawking ganska nyligen verkade ha löst det här problemet, menade att information i svarta hål inte förstörs trots allt.

Stereotyper

För det första kan svarta hål inte existera på obestämd tid. Och allt tack vare Hawking-avdunstning. Därför finns det ingen anledning att tro att svarta hål förr eller senare kommer att svälja universum.

För det andra kommer vår sol inte att bli ett svart hål. Eftersom massan på vår stjärna inte kommer att räcka till. Vår sol är mer sannolikt att förvandlas till en vit dvärg (och det är inte ett faktum).

För det tredje kommer Large Hadron Collider inte att förstöra vår jord genom att skapa ett svart hål. Även om de medvetet skapar ett svart hål och "släpper" det, kommer det på grund av dess ringa storlek att förbruka vår planet under mycket, mycket lång tid.

För det fjärde behöver du inte tro att ett svart hål är ett "hål" i rymden. Ett svart hål är ett sfäriskt föremål. Därav majoriteten av åsikterna att svarta hål leder till ett parallellt universum. Detta faktum har dock ännu inte bevisats.

För det femte har ett svart hål ingen färg. Det detekteras antingen av röntgenstrålning eller mot bakgrund av andra galaxer och stjärnor (linseffekt).

På grund av det faktum att människor ofta blandar ihop svarta hål med maskhål (som faktiskt finns), skiljer man inte dessa begrepp åt bland vanliga människor. Ett maskhål låter dig verkligen röra dig i rum och tid, men än så länge bara i teorin.

Komplexa saker i enkla ordalag

Det är svårt att på ett enkelt språk beskriva ett sådant fenomen som ett svart hål. Om du anser dig vara en tekniker som är bevandrad i de exakta vetenskaperna, så råder jag dig att läsa forskarnas verk direkt. Om du vill lära dig mer om detta fenomen, läs då Stephen Hawkings verk. Han gjorde mycket för vetenskapen, och särskilt inom området svarta hål. Avdunstningen av svarta hål är uppkallad efter honom. Han är en anhängare av det pedagogiska tillvägagångssättet, och därför kommer alla hans verk att vara begripliga även för den genomsnittliga personen.

Böcker:
- "Svarta hål och unga universum" 1993.
- "Världen i ett nötskal 2001."
- "Universums korta historia 2005".

Jag vill särskilt rekommendera hans populärvetenskapliga filmer, som kommer att berätta på ett begripligt språk inte bara om svarta hål utan också om universum i allmänhet:
- "Stephen Hawking's Universe" - en serie på 6 avsnitt.
- "Deep into the Universe with Stephen Hawking" - en serie på 3 avsnitt.
Alla dessa filmer har översatts till ryska och visas ofta på Discovery-kanaler.

Tack för din uppmärksamhet!

Senaste tipsen från sektionen Science & Technology:

Hjälpte det här rådet dig? Du kan hjälpa projektet genom att donera valfritt belopp för utvecklingen. Till exempel 20 rubel. Eller mer:)

Det gränslösa universum är fullt av hemligheter, gåtor och paradoxer. Trots det faktum att den moderna vetenskapen har tagit ett stort steg framåt i rymdutforskningen, är mycket i denna enorma värld fortfarande obegripligt för den mänskliga världsbilden. Vi vet mycket om stjärnor, nebulosor, kluster och planeter. Men i universums storhet finns det föremål vars existens vi bara kan gissa om. Vi vet till exempel väldigt lite om svarta hål. Grundläggande information och kunskap om svarta håls natur bygger på antaganden och gissningar. Astrofysiker och kärnkraftsforskare har kämpat med denna fråga i årtionden. Vad är ett svart hål i rymden? Vilken natur har sådana föremål?

På tal om svarta hål i enkla ordalag

För att föreställa dig hur ett svart hål ser ut, se bara svansen på ett tåg som går in i en tunnel. Signalljusen på den sista vagnen kommer att minska i storlek när tåget djupnar in i tunneln tills de helt försvinner ur sikte. Detta är med andra ord föremål där till och med ljus försvinner på grund av monstruös gravitation. Elementarpartiklar, elektroner, protoner och fotoner kan inte övervinna den osynliga barriären och faller ner i ingentings svarta avgrund, varför ett sådant hål i rymden kallas svart. Det finns inte det minsta ljusa område inuti den, fullständig svärta och oändlighet. Vad som finns på andra sidan av det svarta hålet är okänt.

Denna rymddammsugare har en kolossal gravitationskraft och kan absorbera en hel galax med alla hopar och superkluster av stjärnor, med nebulosor och mörk materia att starta upp. Hur är detta möjligt? Vi kan bara gissa. Fysikens lagar som vi känner till i det här fallet spricker i sömmarna och ger ingen förklaring till de processer som äger rum. Kärnan i paradoxen är att i en given del av universum bestäms gravitationssamverkan mellan kroppar av deras massa. Processen för absorption av ett objekt av ett annat påverkas inte av deras kvalitativa och kvantitativa sammansättning. Partiklar, som har nått ett kritiskt antal i ett visst område, går in i en annan nivå av interaktion, där gravitationskrafter blir attraktionskrafter. En kropp, föremål, substans eller materia börjar komprimeras under påverkan av gravitationen och når kolossal täthet.

Ungefär liknande processer inträffar under bildandet av en neutronstjärna, där stjärnmateria komprimeras i volym under påverkan av inre gravitation. Fria elektroner kombineras med protoner för att bilda elektriskt neutrala partiklar - neutroner. Densiteten av detta ämne är enorm. En materia partikel storleken på en bit raffinerat socker väger miljarder ton. Här skulle det vara lämpligt att påminna om den allmänna relativitetsteorin, där rum och tid är kontinuerliga storheter. Följaktligen kan komprimeringsprocessen inte stoppas halvvägs och har därför ingen gräns.

Potentiellt ser ett svart hål ut som ett hål där det kan finnas en övergång från en del av rymden till en annan. Samtidigt förändras själva rummets och tidens egenskaper och förvandlas till en rum-tid-tratt. När du når botten av denna tratt sönderfaller allt material till kvantum. Vad finns på andra sidan av det svarta hålet, detta gigantiska hål? Kanske finns det ett annat utrymme där ute där andra lagar gäller och tiden flyter i motsatt riktning.

I samband med relativitetsteorin ser teorin om ett svart hål ut så här. Den punkt i rymden där gravitationskrafter har komprimerat någon materia till mikroskopiska storlekar har en kolossal attraktionskraft, vars storlek ökar till oändlighet. En veck av tid dyker upp och rymden böjer sig och stängs vid en punkt. Föremål som sväljs upp av ett svart hål kan inte självständigt motstå dragkraften från denna monstruösa dammsugare. Inte ens ljusets hastighet, som kvanta besitter, tillåter inte elementarpartiklar att övervinna tyngdkraften. Varje kropp som kommer till en sådan punkt upphör att vara ett materiellt objekt, som smälter samman med en rum-tidsbubbla.

Svarta hål ur vetenskaplig synvinkel

Om du frågar dig själv, hur bildas svarta hål? Det blir inget tydligt svar. Det finns ganska många paradoxer och motsägelser i universum som inte kan förklaras ur vetenskaplig synvinkel. Einsteins relativitetsteori tillåter endast en teoretisk förklaring av sådana objekts natur, men kvantmekaniken och fysiken är tysta i detta fall.

Försöker förklara de processer som sker med fysikens lagar, bilden kommer att se ut så här. Ett föremål som bildas som ett resultat av kolossal gravitationskompression av en massiv eller supermassiv kosmisk kropp. Denna process har ett vetenskapligt namn - gravitationskollaps. Termen "svart hål" hördes först i forskarvärlden 1968, när den amerikanske astronomen och fysikern John Wheeler försökte förklara tillståndet för stjärnkollaps. Enligt hans teori, i stället för en massiv stjärna som har genomgått gravitationskollaps, uppstår ett rumsligt och tidsmässigt gap, där en ständigt ökande kompression verkar. Allt som stjärnan var gjord av går in i sig själv.

Denna förklaring låter oss dra slutsatsen att de svarta hålens natur inte på något sätt är kopplad till de processer som sker i universum. Allt som händer inuti detta objekt reflekteras inte på något sätt på det omgivande utrymmet med ett "MEN". Gravitationskraften hos ett svart hål är så stark att den böjer rymden, vilket får galaxer att rotera runt svarta hål. Därför blir anledningen till att galaxer tar formen av spiraler tydlig. Hur lång tid det kommer att ta för den enorma Vintergatans galax att försvinna ner i avgrunden av ett supermassivt svart hål är okänt. Ett intressant faktum är att svarta hål kan uppstå var som helst i yttre rymden, där idealiska förhållanden skapas för detta. Ett sådant veck av tid och rum neutraliserar de enorma hastigheter med vilka stjärnor roterar och rör sig genom galaxens rymd. Tiden i ett svart hål flyter i en annan dimension. Inom denna region kan inga tyngdlagar tolkas i termer av fysik. Detta tillstånd kallas ett svart håls singularitet.

Svarta hål uppvisar inga yttre identifieringstecken. Deras existens kan bedömas av beteendet hos andra rymdobjekt som påverkas av gravitationsfält. Hela bilden av en kamp på liv och död utspelar sig på gränsen till ett svart hål, som är täckt med en hinna. Denna imaginära trattyta kallas "händelsehorisonten". Allt vi ser fram till denna gräns är påtagligt och materiellt.

Scenarier för bildande av svarta hål

Genom att utveckla teorin om John Wheeler kan vi dra slutsatsen att mysteriet med svarta hål troligen inte är i färd med att bildas. Bildandet av ett svart hål sker som ett resultat av kollapsen av en neutronstjärna. Dessutom bör massan av ett sådant föremål överstiga solens massa med tre eller fler gånger. Neutronstjärnan krymper tills dess eget ljus inte längre kan undkomma gravitationens snäva omfamning. Det finns en gräns för storleken till vilken en stjärna kan krympa och ge upphov till ett svart hål. Denna radie kallas gravitationsradien. Massiva stjärnor i slutskedet av sin utveckling bör ha en gravitationsradie på flera kilometer.

Idag har forskare fått indirekta bevis för förekomsten av svarta hål i ett dussin röntgenbinära stjärnor. Röntgenstjärnor, pulsarer eller bursters har inte en fast yta. Dessutom är deras massa större än massan av tre solar. Det nuvarande tillståndet i yttre rymden i konstellationen Cygnus - röntgenstjärnan Cygnus X-1, låter oss spåra processen för bildandet av dessa nyfikna föremål.

Baserat på forskning och teoretiska antaganden finns det idag inom vetenskapen fyra scenarier för bildandet av svarta stjärnor:

• gravitationskollaps av en massiv stjärna i slutskedet av dess evolution;
• kollaps av den centrala delen av galaxen;
• bildandet av svarta hål under Big Bang;
• bildandet av kvantsvarta hål.

Det första scenariot är det mest realistiska, men antalet svarta stjärnor vi är bekanta med idag överstiger antalet kända neutronstjärnor. Och universums ålder är inte så stor att ett sådant antal massiva stjärnor skulle kunna gå igenom hela evolutionsprocessen.

Det andra scenariot har rätt till liv, och det finns ett slående exempel på detta - det supermassiva svarta hålet Sagittarius A*, inbäddat i mitten av vår galax. Massan av detta objekt är 3,7 solmassor. Mekanismen för detta scenario liknar gravitationskollapsscenariot, med den enda skillnaden att det inte är stjärnan som kollapsar, utan den interstellära gasen. Under påverkan av gravitationskrafter komprimeras gasen till en kritisk massa och densitet. I ett kritiskt ögonblick sönderfaller materia till kvanter och bildar ett svart hål. Denna teori är dock tveksam, eftersom nyligen astronomer vid Columbia University identifierade satelliter för det svarta hålet Sagittarius A*. Det visade sig vara många små svarta hål, som troligen har bildats på ett annat sätt.

Det tredje scenariot är mer teoretiskt och förknippas med förekomsten av Big Bang-teorin. I ögonblicket för bildandet av universum genomgick en del av materien och gravitationsfälten fluktuationer. Med andra ord tog processerna en annan väg, utan samband med de kända processerna inom kvantmekanik och kärnfysik.

Det sista scenariot fokuserar på fysiken i en kärnvapenexplosion. I klumpar av materia, under kärnreaktioner under påverkan av gravitationskrafter, inträffar en explosion, på vars plats ett svart hål bildas. Materia exploderar inåt och absorberar alla partiklar.

Existensen och utvecklingen av svarta hål

Att ha en grov uppfattning om naturen hos sådana konstiga rymdobjekt, något annat är intressant. Vilka är de verkliga storlekarna på svarta hål, hur snabbt växer de? Storleken på svarta hål bestäms av deras gravitationsradie. För svarta hål bestäms det svarta hålets radie av dess massa och kallas Schwarzschild-radien. Till exempel, om ett föremål har en massa som är lika med massan på vår planet, är Schwarzschild-radien i detta fall 9 mm. Vår huvudstjärna har en radie på 3 km. Medeldensiteten för ett svart hål som bildats i stället för en stjärna med en massa på 10⁸ solmassor kommer att vara nära vattnets densitet. Radien för en sådan formation kommer att vara 300 miljoner kilometer.

Det är troligt att sådana gigantiska svarta hål är belägna i mitten av galaxer. Hittills är 50 galaxer kända, i mitten av vilka det finns enorma tidsmässiga och rumsliga brunnar. Massan av sådana jättar är miljarder av solens massa. Man kan bara föreställa sig vilken kolossal och monstruös attraktionskraft ett sådant hål har.

När det gäller små hål är dessa miniobjekt, vars radie når försumbara värden, endast 10¹² cm Massan av sådana smulor är 10¹⁴g. Sådana formationer uppstod vid tiden för Big Bang, men med tiden ökade de i storlek och stoltserar idag i yttre rymden som monster. Forskare försöker nu återskapa de förhållanden under vilka små svarta hål bildades under markförhållanden. För dessa ändamål utförs experiment i elektronkolliderar, genom vilka elementarpartiklar accelereras till ljusets hastighet. De första experimenten gjorde det möjligt att få kvarg-gluonplasma under laboratorieförhållanden - materia som fanns i början av universums bildande. Sådana experiment låter oss hoppas att ett svart hål på jorden bara är en tidsfråga. En annan sak är om inte en sådan prestation inom humanvetenskap kommer att förvandlas till en katastrof för oss och vår planet. Genom att skapa ett konstgjort svart hål kan vi öppna Pandoras ask.

Nya observationer av andra galaxer har gjort det möjligt för forskare att upptäcka svarta hål vars dimensioner överstiger alla tänkbara förväntningar och antaganden. Evolutionen som sker med sådana föremål gör att vi bättre kan förstå varför massan av svarta hål växer och vad dess verkliga gräns är. Forskare har kommit fram till att alla kända svarta hål växte till sin verkliga storlek inom 13-14 miljarder år. Skillnaden i storlek förklaras av densiteten i det omgivande utrymmet. Om ett svart hål har tillräckligt med mat inom räckhåll för dess gravitationskrafter, växer det med stormsteg och når en massa på hundratals eller tusentals solmassor. Därav den gigantiska storleken på sådana objekt som ligger i mitten av galaxer. Ett massivt kluster av stjärnor, enorma massor av interstellär gas ger riklig mat för tillväxt. När galaxer smälter samman kan svarta hål smälta samman och bilda ett nytt supermassivt objekt.

Att döma av analysen av evolutionära processer är det vanligt att särskilja två klasser av svarta hål:

• föremål med en massa 10 gånger solmassan;
• massiva föremål vars massa är hundratusentals, miljarder solmassor.

Det finns svarta hål med en medelmassa som motsvarar 100-10 tusen solmassor, men deras natur är fortfarande okänd. Det finns ungefär ett sådant objekt per galax. Studiet av röntgenstjärnor gjorde det möjligt att hitta två medelstora svarta hål på ett avstånd av 12 miljoner ljusår i M82-galaxen. Massan av ett objekt varierar i intervallet 200-800 solmassor. Det andra föremålet är mycket större och har en massa på 10-40 tusen solmassor. Ödet för sådana föremål är intressant. De ligger nära stjärnhopar och attraheras gradvis till det supermassiva svarta hålet i den centrala delen av galaxen.

Vår planet och svarta hål

Trots sökandet efter ledtrådar om svarta håls natur är den vetenskapliga världen oroad över det svarta hålets plats och roll i Vintergatans galaxs öde och i synnerhet i planeten Jordens öde. Det veck av tid och rum som finns i mitten av Vintergatan absorberar gradvis alla befintliga föremål runt den. Miljontals stjärnor och biljoner ton interstellär gas har redan slukats i det svarta hålet. Med tiden kommer vändningen att komma till Cygnus- och Skyttens armar, där solsystemet är beläget, och täcker ett avstånd på 27 tusen ljusår.

Det andra närmast supermassiva svarta hålet ligger i den centrala delen av Andromedagalaxen. Det är cirka 2,5 miljoner ljusår från oss. Förmodligen, innan vårt objekt Sagittarius A* uppslukar sin egen galax, bör vi förvänta oss en sammanslagning av två angränsande galaxer. Följaktligen kommer två supermassiva svarta hål att smälta samman till ett, fruktansvärt och monstruöst i storlek.

Små svarta hål är en helt annan sak. För att svälja planeten Jorden räcker det med ett svart hål med en radie på ett par centimeter. Problemet är att ett svart hål till sin natur är ett helt ansiktslöst föremål. Ingen strålning eller strålning kommer från dess mage, så det är ganska svårt att lägga märke till ett så mystiskt föremål. Endast på nära håll kan du upptäcka böjningen av bakgrundsljuset, vilket indikerar att det finns ett hål i rymden i denna del av universum.

Hittills har forskare bestämt att det närmaste svarta hålet till jorden är objektet V616 Monocerotis. Monstret ligger 3000 ljusår från vårt system. Detta är en stor formation i storlek, dess massa är 9-13 solmassor. Ett annat närliggande föremål som utgör ett hot mot vår värld är det svarta hålet Gygnus X-1. Vi är åtskilda från detta monster med ett avstånd på 6 000 ljusår. De svarta hålen som upptäckts i vårt grannskap är en del av ett binärt system, d.v.s. finns i närheten av stjärnan som matar det omättliga föremålet.

Slutsats

Förekomsten av sådana mystiska och mystiska föremål i rymden som svarta hål tvingar oss verkligen att vara på vår vakt. Men allt som händer med svarta hål händer ganska sällan, med tanke på universums ålder och de stora avstånden. I 4,5 miljarder år har solsystemet varit i vila och existerat enligt de lagar som vi känner till. Under denna tid dök inget liknande upp, varken en förvrängning av rymden eller ett veck av tid, nära solsystemet. Det finns förmodligen inga lämpliga förutsättningar för detta. Den del av Vintergatan där solstjärnsystemet finns är ett lugnt och stabilt område i rymden.

Forskare medger att uppkomsten av svarta hål inte är oavsiktlig. Sådana föremål spelar rollen som ordnare i universum och förstör överflödiga kosmiska kroppar. När det gäller själva monstrens öde har deras utveckling ännu inte studerats fullt ut. Det finns en version att svarta hål inte är eviga och i ett visst skede kan upphöra att existera. Det är inte längre en hemlighet att sådana föremål representerar kraftfulla energikällor. Vad det är för energi och hur den mäts är en annan sak.

Genom ansträngningar av Stephen Hawking presenterades vetenskapen med teorin att ett svart hål fortfarande avger energi samtidigt som det förlorar sin massa. I sina antaganden vägleddes vetenskapsmannen av relativitetsteorin, där alla processer är relaterade till varandra. Inget försvinner bara utan att dyka upp någon annanstans. Vilken materia som helst kan omvandlas till ett annat ämne, med en typ av energi som flyttas till en annan energinivå. Detta kan vara fallet med svarta hål, som är en övergångsportal från ett tillstånd till ett annat.

Om du har några frågor, lämna dem i kommentarerna under artikeln. Vi eller våra besökare svarar gärna på dem