Czy w kosmosie istnieje czarna dziura? Czarna dziura w kosmosie

Aby powstała czarna dziura, konieczne jest skompresowanie ciała do określonej gęstości krytycznej, tak aby promień ściśniętego ciała był równy jego promieniowi grawitacyjnemu. Wartość tej gęstości krytycznej jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu masy czarnej dziury.

Dla typowej czarnej dziury o masie gwiazdowej ( M=10M słońce) promień grawitacyjny wynosi 30 km, a gęstość krytyczna wynosi 2,10 14 g/cm 3, czyli dwieście milionów ton na centymetr sześcienny. Gęstość ta jest bardzo duża w porównaniu ze średnią gęstością Ziemi (5,5 g/cm3), jest równa gęstości substancji jądra atomowego.

Dla czarnej dziury w jądrze galaktyki ( M=10 10 M słońce) promień grawitacyjny wynosi 3,10 15 cm = 200 AU, co stanowi pięciokrotność odległości od Słońca do Plutona (1 jednostka astronomiczna – średnia odległość Ziemi od Słońca – wynosi 150 milionów km lub 1,5,10 13cm). Gęstość krytyczna w tym przypadku wynosi 0,2·10 –3 g/cm 3 , czyli kilkukrotnie mniej niż gęstość powietrza, równa 1,3·10 –3 g/cm 3 (!).

Dla Ziemi ( M=3·10 –6 M słońce), promień grawitacji jest bliski 9 mm, a odpowiadająca mu gęstość krytyczna jest monstrualnie wysoka: ρ cr = 2,10 27 g/cm 3, czyli o 13 rzędów wielkości więcej niż gęstość jądra atomowego.

Jeśli weźmiemy jakąś wyimaginowaną prasę sferyczną i ściśniemy Ziemię, utrzymując jej masę, to gdy zmniejszymy promień Ziemi (6370 km) czterokrotnie, jej druga prędkość ucieczki podwoi się i wyniesie 22,4 km/s. Jeśli ściśniemy Ziemię tak, że jej promień wyniesie około 9 mm, wówczas druga prędkość kosmiczna przyjmie wartość równą prędkości światła C= 300000 km/s.

Co więcej, prasa nie będzie potrzebna - Ziemia skompresowana do takich rozmiarów już się skompresuje. Ostatecznie w miejscu Ziemi powstanie czarna dziura, której promień horyzontu zdarzeń będzie bliski 9 mm (jeśli pominiemy rotację powstałej czarnej dziury). W rzeczywistych warunkach oczywiście nie ma superpotężnej prasy - grawitacja „działa”. Właśnie dlatego czarne dziury mogą powstawać tylko wtedy, gdy zapadną się wnętrza bardzo masywnych gwiazd, a grawitacja jest wystarczająco silna, aby skompresować materię do gęstości krytycznej.

Ewolucja gwiazd

Czarne dziury powstają na końcowych etapach ewolucji masywnych gwiazd. W głębi zwykłych gwiazd zachodzą reakcje termojądrowe, uwalniana jest ogromna energia i utrzymuje się wysoka temperatura (dziesiątki i setki milionów stopni). Siły grawitacyjne mają tendencję do ściskania gwiazdy, a siły ciśnienia gorącego gazu i promieniowania przeciwdziałają tej kompresji. Dlatego gwiazda znajduje się w równowadze hydrostatycznej.

Ponadto gwiazda może istnieć w równowadze termicznej, gdy energia uwolniona w wyniku reakcji termojądrowych w jej centrum jest dokładnie równa mocy emitowanej przez gwiazdę z powierzchni. Gdy gwiazda kurczy się i rozszerza, równowaga termiczna zostaje zakłócona. Jeżeli gwiazda jest nieruchoma, to jej równowaga ustalana jest w ten sposób, że ujemna energia potencjalna gwiazdy (energia kompresji grawitacyjnej) w wartości bezwzględnej jest zawsze dwukrotnie większa od energii cieplnej. Z tego powodu gwiazda ma niesamowita nieruchomość- ujemna pojemność cieplna. Zwykłe ciała mają dodatnią pojemność cieplną: nagrzany kawałek żelaza, ochładzając się, czyli tracąc energię, obniża swoją temperaturę. W przypadku gwiazdy sytuacja jest odwrotna: im więcej energii traci w postaci promieniowania, tym wyższa staje się temperatura w jej centrum.

Tę dziwną na pierwszy rzut oka cechę można łatwo wytłumaczyć: gwiazda promieniując powoli się kurczy. Podczas kompresji energia potencjalna zamienia się w energię kinetyczną opadających warstw gwiazdy, a jej wnętrze nagrzewa się. Ponadto energia cieplna, uzyskana przez gwiazdę w wyniku kompresji, jest dwukrotnie większa niż energia tracona w postaci promieniowania. W rezultacie wzrasta temperatura wnętrza gwiazdy i następuje ciągła fuzja termojądrowa. pierwiastki chemiczne. Na przykład reakcja przemiany wodoru w hel w obecnym Słońcu zachodzi w temperaturze 15 milionów stopni. Kiedy po 4 miliardach lat w centrum Słońca cały wodór zamieni się w hel, dalsza synteza atomów węgla z atomów helu będzie wymagała znacznie wyższej temperatury, około 100 milionów stopni (ładunek elektryczny jąder helu jest dwukrotnie większy jąder wodoru, a do zbliżenia jąder hel na odległość 10–13 cm wymaga znacznie wyższej temperatury). To właśnie ta temperatura zostanie zapewniona ze względu na ujemną pojemność cieplną Słońca, zanim w jego głębinach zapali się reakcja termojądrowa polegająca na przemianie helu w węgiel.

Białe karły

Jeżeli masa gwiazdy jest tak mała, że masa jej jądra objętego przemianami termojądrowymi jest mniejsza niż 1,4 M słońcu termojądrowa fuzja pierwiastków chemicznych może ustać w wyniku tzw. degeneracji gazu elektronowego w jądrze gwiazdy. W szczególności ciśnienie zdegenerowanego gazu zależy od gęstości, ale nie zależy od temperatury, ponieważ energia ruchu kwantowego elektronów jest znacznie większa niż energia ich ruchu termicznego.

Wysokie ciśnienie zdegenerowanego gazu elektronowego skutecznie przeciwdziała siłom kompresji grawitacyjnej. Ponieważ ciśnienie nie zależy od temperatury, utrata energii przez gwiazdę w postaci promieniowania nie prowadzi do kompresji jej jądra. W rezultacie energia grawitacyjna nie jest uwalniana w formie dodatkowe ciepło. Dlatego temperatura w rozwijającym się zdegenerowanym rdzeniu nie wzrasta, co prowadzi do przerwania łańcucha termo reakcje jądrowe.

Zewnętrzna powłoka wodorowa, nie podlegająca reakcjom termojądrowym, oddziela się od jądra gwiazdy i tworzy mgławicę planetarną, świecącą w liniach emisyjnych wodoru, helu i innych pierwiastków. Centralnym, zwartym i stosunkowo gorącym jądrem wyewoluowanej gwiazdy o małej masie jest biały karzeł – obiekt o promieniu rzędu promienia Ziemi (~10,4 km) i masie mniejszej niż 1,4 M słońcu i średniej gęstości około tony na centymetr sześcienny. Białe karły obserwuje się m.in duże ilości. Ich łączna liczba w Galaktyce sięga 10 10, czyli około 10% całkowitej masy obserwowalnej materii Galaktyki.

Spalanie termojądrowe u zdegenerowanego białego karła może być niestabilne i doprowadzić do eksplozji jądrowej wystarczająco masywnego białego karła o masie bliskiej tzw. granicy Chandrasekhara (1,4 M słoneczny). Takie eksplozje wyglądają jak supernowe typu I, które nie mają w swoim widmie linii wodoru, a jedynie linie helu, węgla, tlenu i innych ciężkich pierwiastków.

Gwiazdy neutronowe

Jeśli rdzeń gwiazdy jest zdegenerowany, to w miarę zbliżania się masy do granicy 1,4 M słońcu, zwykłą degenerację gazu elektronowego w jądrze zastępuje się tak zwaną degeneracją relatywistyczną.

Ruchy kwantowe zdegenerowanych elektronów stają się tak szybkie, że ich prędkości zbliżają się do prędkości światła. W tym przypadku maleje elastyczność gazu, zmniejsza się jego zdolność do przeciwdziałania siłom grawitacji, a gwiazda ulega zapadnięciu grawitacyjnemu. Podczas zapadnięcia elektrony są wychwytywane przez protony i następuje neutronizacja substancji. Prowadzi to do powstania gwiazdy neutronowej z masywnego zdegenerowanego jądra.

Jeśli początkowa masa jądra gwiazdy przekracza 1,4 M słońcu, wówczas w jądrze osiągana jest wysoka temperatura, a przez całą jego ewolucję nie następuje degeneracja elektronów. W tym przypadku działa ujemna pojemność cieplna: gdy gwiazda traci energię w postaci promieniowania, temperatura w jej głębinach wzrasta i następuje ciągły łańcuch reakcji termojądrowych przekształcających wodór w hel, hel w węgiel, węgiel w tlen i i tak dalej, aż do elementów grupy żelaza. Reakcja termojądrowej syntezy jąder pierwiastków cięższych od żelaza nie zachodzi już z uwolnieniem, ale z absorpcją energii. Dlatego jeśli masa jądra gwiazdy, składającego się głównie z pierwiastków z grupy żelaza, przekracza granicę Chandrasekhara wynoszącą 1,4 M słońce , ale mniej niż tzw. granica Oppenheimera–Wołkowa ~3 M Słońcu, to pod koniec ewolucji jądrowej gwiazdy następuje zapadnięcie grawitacyjne jądra, w wyniku którego zostaje zrzucona zewnętrzna powłoka wodorowa gwiazdy, co obserwuje się jako wybuch supernowej typu II, w widmie w których obserwuje się potężne linie wodoru.

Zapadnięcie się żelaznego rdzenia prowadzi do powstania gwiazdy neutronowej.

Kiedy masywny rdzeń gwiazdy, który osiągnął późny etap ewolucji, ulega kompresji, temperatura wzrasta do gigantycznych wartości rzędu miliarda stopni, kiedy jądra atomów zaczynają rozpadać się na neutrony i protony. Protony pochłaniają elektrony i zamieniają się w neutrony, emitując neutrina. Neutrony, zgodnie z kwantowo-mechaniczną zasadą Pauliego, przy silnej kompresji zaczynają się skutecznie odpychać.

Gdy masa zapadającego się rdzenia jest mniejsza niż 3 M Słońcu prędkości neutronów są znacznie mniejsze od prędkości światła, a elastyczność materii dzięki skutecznemu odpychaniu neutronów może zrównoważyć siły grawitacyjne i doprowadzić do powstania stabilnej gwiazdy neutronowej.

Możliwość istnienia gwiazd neutronowych po raz pierwszy przepowiedział w 1932 roku wybitny radziecki fizyk Landau, zaraz po odkryciu neutronu w eksperymentach laboratoryjnych. Promień gwiazdy neutronowej wynosi blisko 10 km, a jej średnia gęstość wynosi setki milionów ton na centymetr sześcienny.

Kiedy masa zapadającego się jądra gwiazdowego jest większa niż 3 M słońce, następnie, zgodnie z istniejącymi pomysłami, powstała gwiazda neutronowa, stygnąc, zapada się w czarną dziurę. Zapadaniu się gwiazdy neutronowej w czarną dziurę sprzyja także odwrotny opadanie części powłoki gwiazdy, wyrzuconej podczas wybuchu supernowej.

Gwiazda neutronowa zazwyczaj obraca się szybko, ponieważ normalna gwiazda, która ją urodziła, może mieć znaczny moment pędu. Kiedy jądro gwiazdy zapada się w gwiazdę neutronową, charakterystyczne wymiary gwiazdy zmniejszają się R= 10 5 –10 6 km do R≈ 10 km. Wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru gwiazdy maleje jej moment bezwładności. Aby utrzymać moment pędu, prędkość obrotu osiowego musi gwałtownie wzrosnąć. Na przykład, jeśli Słońce obracające się w okresie około miesiąca zostanie skompresowane do rozmiarów gwiazdy neutronowej, wówczas okres rotacji skróci się do 10 –3 sekund.

Pojedyncze gwiazdy neutronowe o silnym polu magnetycznym objawiają się jako pulsary radiowe - źródła ściśle okresowych impulsów emisji radiowej, które powstają, gdy energia szybkiego obrotu gwiazdy neutronowej jest przekształcana w ukierunkowaną emisję radiową. W układach podwójnych akreujące gwiazdy neutronowe wykazują zjawisko pulsara rentgenowskiego i wybuchu rentgenowskiego typu 1.

Nie można oczekiwać ściśle okresowych pulsacji promieniowania od czarnej dziury, ponieważ czarna dziura nie ma obserwowalnej powierzchni ani pola magnetycznego. Jak często mówią fizycy, czarne dziury nie mają „włosów” - wszystkie pola i wszelkie niejednorodności w pobliżu horyzontu zdarzeń są emitowane, gdy czarna dziura powstaje z zapadającej się materii w postaci strumienia fal grawitacyjnych. W rezultacie powstała czarna dziura ma tylko trzy cechy: masę, moment pędu i ładunek elektryczny. Podczas formowania się czarnej dziury zapomina się o wszystkich indywidualnych właściwościach zapadającej się substancji: na przykład czarne dziury utworzone z żelaza i wody mają, przy niezmienionych warunkach, te same cechy.

Zgodnie z przewidywaniami Ogólnej Teorii Względności (GR), gwiazdy, których masa żelaznego jądra na końcu ewolucji przekracza 3 M. słońce, doświadczyć nieograniczonej kompresji (relatywistycznego zapadnięcia się) wraz z utworzeniem czarnej dziury. Wyjaśnia to fakt, że w ogólnej teorii względności siły grawitacyjne zmierzające do ściskania gwiazdy są określone przez gęstość energii, a przy ogromnych gęstościach materii osiąganych podczas ściskania tak masywnego jądra gwiazdy, główny udział w gęstości energii nie jest już tworzona przez energię spoczynkową cząstek, ale przez energię ich ruchu i interakcji. Okazuje się, że zgodnie z ogólną teorią względności ciśnienie substancji przy bardzo dużych gęstościach zdaje się samo „ważyć”: im większe ciśnienie, tym większa gęstość energii, a co za tym idzie, tym większe siły grawitacyjne dążące do ściskania substancji. Ponadto w przypadku silnych pól grawitacyjnych fundamentalne znaczenie nabierają efekty zakrzywienia czasoprzestrzeni, co również przyczynia się do nieograniczonej kompresji jądra gwiazdy i jego przekształcenia w czarną dziurę (ryc. 3).

Podsumowując, zauważamy, że czarne dziury powstałe w naszej epoce (przykładowo czarna dziura w układzie Cygnus X-1), ściśle rzecz biorąc, nie są stuprocentowymi czarnymi dziurami, ponieważ ze względu na relatywistyczne spowolnienie W miarę upływu czasu dla odległego obserwatora horyzonty zdarzeń jeszcze się nie uformowały. Powierzchnie takich zapadających się gwiazd wydają się obserwatorowi na Ziemi zamrożone, nieustannie zbliżając się do horyzontu zdarzeń.

Aby czarne dziury z takich zapadających się obiektów w końcu powstały, musimy poczekać cały nieskończenie długi czas istnienia naszego Wszechświata. Należy jednak podkreślić, że już w pierwszych sekundach relatywistycznego zapadnięcia się powierzchnia zapadającej się gwiazdy dla obserwatora z Ziemi zbliża się bardzo blisko horyzontu zdarzeń, a wszystkie procesy na tej powierzchni spowalniają w nieskończoność.

Czarna dziura powstaje w wyniku zapadnięcia się supermasywnej gwiazdy, której w jądrze skończyło się paliwo potrzebne do reakcji jądrowej. W miarę ściskania rdzenia wzrasta jego temperatura, a fotony o energii ponad 511 keV zderzają się i tworzą pary elektron-pozyton, co prowadzi do katastrofalnego spadku ciśnienia i dalszego zapadania się gwiazdy pod wpływem jej własną grawitację.

Astrofizyk Ethan Siegel opublikował artykuł „The Largest Black Hole in the Known Universe”, w którym zebrał informacje na temat mas czarnych dziur w różnych galaktykach. Zastanawiam się tylko: gdzie jest ich najbardziej masywnych?

Ponieważ najgęstsze gromady gwiazd znajdują się w centrach galaktyk, obecnie prawie każda galaktyka ma w swoim centrum masywną czarną dziurę, powstałą po połączeniu wielu innych. Na przykład w centrum Drogi Mlecznej znajduje się czarna dziura o masie około 0,1% naszej galaktyki, czyli 4 miliony mas Słońca.

Bardzo łatwo jest określić obecność czarnej dziury, badając trajektorię gwiazd, na które wpływa grawitacja niewidzialnego ciała.

Jednak Droga Mleczna jest stosunkowo małą galaktyką, w której nie może znajdować się największa czarna dziura. Na przykład niedaleko nas, w gromadzie w Pannie, znajduje się gigantyczna galaktyka zwana Messier 87 - jest około 200 razy większa od naszej.

Zatem z centrum tej galaktyki wypływa strumień materii o długości około 5000 lat świetlnych (na zdjęciu). To szalona anomalia, pisze Ethan Siegel, ale wygląda bardzo ładnie.

Naukowcy uważają, że tylko czarna dziura może wyjaśnić taką „erupcję” z centrum galaktyki. Obliczenia pokazują, że masa tej czarnej dziury jest około 1500 razy większa niż masa czarnej dziury w Drodze Mlecznej, czyli około 6,6 miliarda mas Słońca.

Ale gdzie jest największa czarna dziura we Wszechświecie? Jeśli założymy, że w centrum niemal każdej galaktyki znajduje się taki obiekt o masie 0,1% masy galaktyki, to musimy znaleźć najbardziej masywną galaktykę. Naukowcy również mogą odpowiedzieć na to pytanie.

Najbardziej masywną znaną nam galaktyką jest IC 1101 w centrum gromady Abell 2029, która znajduje się 20 razy dalej od Drogi Mlecznej niż gromada w Pannie.

W IC 1101 odległość od centrum do najdalszej krawędzi wynosi około 2 miliony lat świetlnych. Jego rozmiar jest dwukrotnie większy od odległości Drogi Mlecznej od najbliższej galaktyki Andromedy. Masa jest prawie równa masie całej gromady w Pannie!

Jeśli w centrum IC 1101 znajduje się czarna dziura (a powinna być), to może być ona najmasywniejszą w znanym Wszechświecie.

Ethan Siegel twierdzi, że może się mylić. Powodem jest wyjątkowa galaktyka NGC 1277. Nie jest to bardzo duża galaktyka, nieco mniejsza od naszej. Jednak analiza jej rotacji wykazała niesamowity wynik: czarna dziura w centrum ma masę 17 miliardów mas Słońca, co stanowi aż 17% całkowitej masy galaktyki. Jest to rekord stosunku masy czarnej dziury do masy galaktyki.

Jest jeszcze jeden kandydat do roli największej czarnej dziury w znanym wszechświecie. Pokazano go na następnym zdjęciu.

Dziwny obiekt OJ 287 nazywany jest blazarem. Blazary to specjalna klasa obiektów pozagalaktycznych, rodzaj kwazara. Wyróżniają się bardzo silną emisją, która w Dz.U. 287 zmienia się w cyklu 11-12 lat (z podwójnym pikiem).

Według astrofizyków OJ 287 zawiera supermasywną centralną czarną dziurę, którą orbituje inna, mniejsza czarna dziura. Centralna czarna dziura, posiadająca masę 18 miliardów mas Słońca, jest największą znaną dotychczas.

Ta para czarnych dziur będzie jednym z najlepszych eksperymentów sprawdzających ogólną teorię względności, a mianowicie deformację czasoprzestrzeni opisaną w Ogólnej teorii względności.

Ze względu na efekty relatywistyczne peryhelium czarnej dziury, czyli najbliżej centrum czarna dziura punkt orbity musi poruszać się o 39° na obrót! Dla porównania peryhelium Merkurego przesunęło się zaledwie o 43 sekundy łukowe na stulecie.

Bezgraniczny Wszechświat jest pełen tajemnic, zagadek i paradoksów. Mimo że współczesna nauka dokonał ogromnego postępu w eksploracji kosmosu, wiele w tym rozległym świecie pozostaje niezrozumiałych dla ludzkiego światopoglądu. Wiemy dużo o gwiazdach, mgławicach, gromadach i planetach. Jednak w bezmiarze Wszechświata istnieją obiekty, o których istnieniu możemy się jedynie domyślać. Na przykład niewiele wiemy o czarnych dziurach. Podstawowe informacje i wiedza o naturze czarnych dziur opierają się na założeniach i domysłach. Astrofizycy i naukowcy zajmujący się energią jądrową zmagają się z tym problemem od dziesięcioleci. Co to jest czarna dziura w kosmosie? Jaka jest natura takich obiektów?

Mówiąc o czarnych dziurach w prostych słowach

Aby wyobrazić sobie, jak wygląda czarna dziura, wystarczy zobaczyć ogon pociągu wjeżdżającego do tunelu. Światła sygnalizacyjne ostatniego wagonu będą się zmniejszać w miarę wjeżdżania pociągu w tunel, aż całkowicie znikną z pola widzenia. Innymi słowy, są to obiekty, w których pod wpływem monstrualnej grawitacji znika nawet światło. Cząstki elementarne, elektrony, protony i fotony nie są w stanie pokonać niewidzialnej bariery i wpaść w czarną otchłań nicości, dlatego taką dziurę w przestrzeni nazywa się czarną. Nie ma w nim najmniejszego pola światła, kompletna czerń i nieskończoność. Nie wiadomo, co znajduje się po drugiej stronie czarnej dziury.

Ten kosmiczny odkurzacz ma kolosalną siłę grawitacji i jest w stanie wchłonąć całą galaktykę ze wszystkimi gromadami i supergromadami gwiazd, w tym mgławicami i ciemną materią. Jak to możliwe? Możemy się tylko domyślać. Znane nam prawa fizyki w tym przypadku pękają w szwach i nie dają wyjaśnienia zachodzących procesów. Istota paradoksu polega na tym, że w danej części Wszechświata o oddziaływaniu grawitacyjnym ciał decyduje ich masa. Na proces wchłaniania jednego przedmiotu przez drugi nie ma wpływu ich skład jakościowy i ilościowy. Cząstki, osiągając liczbę krytyczną w określonym obszarze, wchodzą w kolejny poziom interakcji, gdzie siły grawitacyjne stają się siłami przyciągania. Ciało, przedmiot, substancja lub materia zaczyna się ściskać pod wpływem grawitacji, osiągając kolosalną gęstość.

W przybliżeniu podobne procesy zachodzą podczas powstawania gwiazdy neutronowej, gdzie materia gwiazdowa ulega kompresji pod wpływem wewnętrznej grawitacji. Wolne elektrony łączą się z protonami, tworząc elektrycznie obojętne cząstki zwane neutronami. Gęstość tej substancji jest ogromna. Cząsteczka materii wielkości kawałka rafinowanego cukru waży miliardy ton. W tym miejscu wypadałoby przypomnieć ogólną teorię względności, gdzie przestrzeń i czas są wielkościami ciągłymi. W związku z tym procesu kompresji nie można zatrzymać w połowie i dlatego nie ma on ograniczeń.

Potencjalnie czarna dziura wygląda jak dziura, w której może nastąpić przejście z jednej części przestrzeni do drugiej. Jednocześnie zmieniają się same właściwości przestrzeni i czasu, skręcając się w lejek czasoprzestrzenny. Docierając do dna tego lejka, każda materia rozpada się na kwanty. Co znajduje się po drugiej stronie czarnej dziury, tej gigantycznej dziury? Być może istnieje inna przestrzeń, w której obowiązują inne prawa, a czas płynie w przeciwnym kierunku.

W kontekście teorii względności teoria czarnej dziury wygląda tak. Punkt w przestrzeni, w którym siły grawitacyjne skompresowały jakąkolwiek materię do mikroskopijnych rozmiarów, ma kolosalną siłę przyciągania, której wielkość wzrasta do nieskończoności. Pojawia się fałda czasu, a przestrzeń zagina się, zamykając w jednym punkcie. Obiekty pochłonięte przez czarną dziurę nie są w stanie samodzielnie wytrzymać siły ciągnącej tego monstrualnego odkurzacza. Nawet prędkość światła, jaką posiadają kwanty, nie pozwala cząstkom elementarnym pokonać siły grawitacji. Każde ciało, które dotrze do takiego punktu, przestaje być obiektem materialnym, łącząc się z bańką czasoprzestrzenną.

Czarne dziury z naukowego punktu widzenia

Jeśli zadajesz sobie pytanie, jak powstają czarne dziury? Nie będzie jasnej odpowiedzi. We Wszechświecie istnieje sporo paradoksów i sprzeczności, których nie da się wytłumaczyć z naukowego punktu widzenia. Teoria względności Einsteina pozwala jedynie na teoretyczne wyjaśnienie natury takich obiektów, ale mechanika i fizyka kwantowa milczą w tym przypadku.

Próbując wyjaśnić procesy zachodzące za pomocą praw fizyki, obraz będzie wyglądał następująco. Obiekt powstały w wyniku kolosalnej kompresji grawitacyjnej masywnego lub supermasywnego ciała kosmicznego. Ten proces jest nazwa naukowa- zapadnięcie grawitacyjne. Termin „czarna dziura” po raz pierwszy usłyszano w środowisku naukowym w 1968 r., kiedy amerykański astronom i fizyk John Wheeler próbował wyjaśnić stan zapadania się gwiazd. Według jego teorii w miejscu masywnej gwiazdy, która uległa zapadnięciu grawitacyjnemu, pojawia się szczelina przestrzenno-czasowa, w której działa stale rosnąca kompresja. Wszystko, z czego zbudowana jest gwiazda, przechodzi w nią samą.

To wyjaśnienie pozwala stwierdzić, że natura czarnych dziur nie jest w żaden sposób powiązana z procesami zachodzącymi we Wszechświecie. Wszystko, co dzieje się wewnątrz tego obiektu, nie przekłada się w żaden sposób na otaczającą przestrzeń jednym „ALE”. Siła grawitacji czarnej dziury jest tak duża, że zagina przestrzeń, powodując rotację galaktyk wokół czarnych dziur. W związku z tym staje się jasny powód, dla którego galaktyki przyjmują kształt spirali. Nie wiadomo, ile czasu zajmie ogromnej galaktyce Drogi Mlecznej zniknięcie w otchłani supermasywnej czarnej dziury. Ciekawostką jest to, że czarne dziury mogą pojawić się w dowolnym miejscu przestrzeni kosmicznej, gdzie zostały stworzone w tym celu. idealne warunki. Takie zagięcie czasu i przestrzeni neutralizuje ogromne prędkości, z jakimi gwiazdy rotują i poruszają się w przestrzeni galaktyki. Czas w czarnej dziurze płynie w innym wymiarze. W tym regionie żadne prawa grawitacji nie mogą być interpretowane w kategoriach fizyki. Stan ten nazywany jest osobliwością czarnej dziury.

Czarne dziury nie wykazują żadnych oznak zewnętrznych cechy identyfikacyjne, ich istnienie można ocenić na podstawie zachowania innych obiektów kosmicznych, na które wpływają pola grawitacyjne. Cały obraz walki na śmierć i życie rozgrywa się na granicy czarnej dziury, która jest pokryta membraną. Ta wyimaginowana powierzchnia lejka nazywana jest „horyzontem zdarzeń”. Wszystko, co widzimy aż do tej granicy, jest namacalne i materialne.

Scenariusze powstawania czarnych dziur

Rozwijając teorię Johna Wheelera, możemy stwierdzić, że tajemnica czarnych dziur najprawdopodobniej nie jest w procesie jej powstawania. Powstawanie czarnej dziury następuje w wyniku zapadnięcia się gwiazdy neutronowej. Co więcej, masa takiego obiektu powinna trzykrotnie lub więcej przewyższać masę Słońca. Gwiazda neutronowa kurczy się, aż jej własne światło nie jest już w stanie uciec spod ciasnego uścisku grawitacji. Istnieje granica rozmiaru, do jakiego gwiazda może się skurczyć, tworząc czarną dziurę. Promień ten nazywany jest promieniem grawitacyjnym. Masywne gwiazdy w końcowej fazie rozwoju powinny mieć promień grawitacyjny wynoszący kilka kilometrów.

Dziś naukowcy uzyskali pośrednie dowody na obecność czarnych dziur w kilkunastu rentgenowskich gwiazdach podwójnych. Gwiazdy rentgenowskie, pulsary i wybuchy nie mają stałej powierzchni. Ponadto ich masa jest większa niż masa trzech Słońc. Obecny stan przestrzeni kosmicznej w konstelacji Łabędzia – gwiazdy rentgenowskiej Łabędź X-1, pozwala nam prześledzić proces powstawania tych ciekawych obiektów.

Bazując na badaniach i założeniach teoretycznych, dziś w nauce istnieją cztery scenariusze powstawania czarnych gwiazd:

zapadnięcie się grawitacyjne masywnej gwiazdy na końcowym etapie jej ewolucji;
zawalić się region centralny galaktyki;
powstawanie czarnych dziur podczas Wielkiego Wybuchu;
powstawanie kwantowych czarnych dziur.

Pierwszy scenariusz jest najbardziej realistyczny, ale liczba znanych nam dzisiaj czarnych gwiazd przewyższa liczbę znanych gwiazd neutronowych. A wiek Wszechświata nie jest na tyle duży, aby taka liczba masywnych gwiazd mogła przejść pełny proces ewolucji.

Drugi scenariusz ma prawo do życia i ono istnieje świecący przykład- supermasywna czarna dziura Sagittarius A*, położona w centrum naszej galaktyki. Masa tego obiektu wynosi 3,7 masy Słońca. Mechanizm tego scenariusza jest podobny do scenariusza zapadnięcia się grawitacyjnego, z tą tylko różnicą, że to nie gwiazda się zapada, ale gaz międzygwiazdowy. Pod wpływem sił grawitacyjnych gaz zostaje sprężony do masy krytycznej i gęstości. W moment krytyczny materia rozpada się na kwanty, tworząc czarną dziurę. Jednak teoria ta jest wątpliwa, ponieważ niedawno astronomowie z Uniwersytetu Columbia zidentyfikowali satelity czarnej dziury Sagittarius A*. Okazało się, że jest to wiele małych czarnych dziur, które prawdopodobnie powstały w inny sposób.

Trzeci scenariusz jest bardziej teoretyczny i wiąże się z istnieniem teorii Wielkiego Wybuchu. W momencie powstania Wszechświata część materii i pól grawitacyjnych ulegała wahaniom. Innymi słowy, procesy potoczyły się inną drogą, niezwiązaną ze znanymi procesami mechaniki kwantowej i fizyki jądrowej.

Ostatni scenariusz jest zorientowany na fizykę eksplozja nuklearna. W grudkach materii podczas reakcji jądrowych pod wpływem sił grawitacyjnych następuje eksplozja, w miejscu której powstaje czarna dziura. Materia eksploduje do wewnątrz, pochłaniając wszystkie cząstki.

Istnienie i ewolucja czarnych dziur

Mając ogólne pojęcie o naturze takich dziwnych obiektów kosmicznych, interesujące jest coś innego. Jakie są prawdziwe rozmiary czarnych dziur i jak szybko rosną? Rozmiary czarnych dziur zależą od ich promienia grawitacyjnego. W przypadku czarnych dziur promień czarnej dziury jest określany na podstawie jej masy i nazywany jest promieniem Schwarzschilda. Na przykład, jeśli obiekt ma masę równą masie naszej planety, wówczas promień Schwarzschilda w tym przypadku wynosi 9 mm. Nasza główna oprawa ma promień 3 km. Średnia gęstość czarnej dziury powstałej w miejscu gwiazdy o masie 10⁸ mas Słońca będzie bliska gęstości wody. Promień takiej formacji wyniesie 300 milionów kilometrów.

Jest prawdopodobne, że takie gigantyczne czarne dziury znajdują się w centrach galaktyk. Do chwili obecnej znanych jest 50 galaktyk, w centrum których znajdują się ogromne studnie czasowe i przestrzenne. Masa takich gigantów to miliardy mas Słońca. Można sobie tylko wyobrazić, jaką kolosalną i potworną siłę przyciągania ma taka dziura.

Jeśli chodzi o małe dziury, są to miniobiekty, których promień osiąga znikome wartości, zaledwie 10¯¹² cm. Masa takich okruchów wynosi 10¹⁴g. Takie formacje powstały w czasie Wielkiego Wybuchu, ale z biegiem czasu powiększyły się i dziś obnoszą się w przestrzeni kosmicznej jako potwory. Naukowcy próbują obecnie odtworzyć warunki, w jakich tworzyły się małe czarne dziury w warunkach ziemskich. W tym celu przeprowadza się eksperymenty w zderzaczach elektronów, za pomocą których cząstki elementarne przyspiesza do prędkości światła. Pierwsze eksperymenty umożliwiły otrzymanie w warunkach laboratoryjnych plazmy kwarkowo-gluonowej – materii, która istniała u zarania powstawania Wszechświata. Takie eksperymenty pozwalają mieć nadzieję, że czarna dziura na Ziemi to tylko kwestia czasu. Inną sprawą jest to, czy takie osiągnięcie nauki ludzkiej nie przerodzi się w katastrofę dla nas i naszej planety. Tworząc sztuczną czarną dziurę, możemy otworzyć puszkę Pandory.

Niedawne obserwacje innych galaktyk pozwoliły naukowcom odkryć czarne dziury, których wymiary przekraczają wszelkie wyobrażalne oczekiwania i założenia. Ewolucja zachodząca w przypadku takich obiektów pozwala nam lepiej zrozumieć, dlaczego masa czarnych dziur rośnie i jaka jest jej rzeczywista granica. Naukowcy doszli do wniosku, że wszystkie znane czarne dziury osiągnęły swoje rzeczywiste rozmiary w ciągu 13–14 miliardów lat. Różnicę w wielkości tłumaczy się gęstością otaczającej przestrzeni. Jeśli czarna dziura ma wystarczającą ilość pożywienia w zasięgu swoich sił grawitacyjnych, rośnie skokowo, osiągając masę setek lub tysięcy mas Słońca. Stąd gigantyczne rozmiary takich obiektów znajdujących się w centrach galaktyk. Masywna gromada gwiazd i ogromne masy gazu międzygwiazdowego zapewniają obfite pożywienie dla wzrostu. Kiedy galaktyki się łączą, czarne dziury mogą się połączyć, tworząc nowy supermasywny obiekt.

Sądząc po analizie procesów ewolucyjnych, zwyczajowo rozróżnia się dwie klasy czarnych dziur:

obiekty o masie 10 razy większej od masy Słońca;
masywne obiekty, których masa wynosi setki tysięcy, miliardy mas Słońca.

Istnieją czarne dziury o średniej masie pośredniej równej 100-10 tysięcy mas Słońca, ale ich natura wciąż pozostaje nieznana. Na każdą galaktykę przypada około jeden taki obiekt. Badanie gwiazd rentgenowskich umożliwiło znalezienie dwóch czarnych dziur o średniej masie w odległości 12 milionów lat świetlnych w galaktyce M82. Masa jednego obiektu waha się w przedziale 200-800 mas Słońca. Drugi obiekt jest znacznie większy i ma masę 10-40 tysięcy mas Słońca. Ciekawe są losy takich obiektów. Znajdują się one w pobliżu gromad gwiazd, stopniowo przyciągane przez supermasywną czarną dziurę zlokalizowaną w centralnej części galaktyki.

Nasza planeta i czarne dziury

Pomimo poszukiwań wskazówek na temat natury czarnych dziur, świat naukowy jest zaniepokojony miejscem i rolą czarnej dziury w losach Drogi Mlecznej, a w szczególności w losach planety Ziemia. Fałda czasu i przestrzeni istniejąca w centrum Drogi Mlecznej stopniowo pochłania wszystkie istniejące wokół niej obiekty. Czarna dziura pochłonęła już miliony gwiazd i biliony ton gazu międzygwiazdowego. Z czasem kolej na ramiona Łabędzia i Strzelca, w których znajduje się Układ Słoneczny, pokonujących odległość 27 tysięcy lat świetlnych.

Druga najbliższa supermasywna czarna dziura znajduje się w centralnej części galaktyki Andromedy. Znajduje się od nas około 2,5 miliona lat świetlnych. Prawdopodobnie zanim nasz obiekt Sagittarius A* pochłonie własną galaktykę, powinniśmy spodziewać się połączenia dwóch sąsiednich galaktyk. W związku z tym dwie supermasywne czarne dziury połączą się w jedną, okropną i potworną wielkości.

Małe czarne dziury to zupełnie inna sprawa. Aby połknąć planetę Ziemię, wystarczy czarna dziura o promieniu kilku centymetrów. Problem polega na tym, że ze swej natury czarna dziura jest obiektem całkowicie pozbawionym twarzy. Z jego brzucha nie wydobywa się żadne promieniowanie ani promieniowanie, dlatego dość trudno jest zauważyć tak tajemniczy obiekt. Dopiero z bliskiej odległości można wykryć zakrzywienie światła tła, co wskazuje, że w tym obszarze Wszechświata znajduje się dziura w przestrzeni.

Do tej pory naukowcy ustalili, że najbliższą Ziemi czarną dziurą jest obiekt V616 Monocerotis. Potwór znajduje się 3000 lat świetlnych od naszego układu. Jest to duża formacja, jej masa wynosi 9-13 mas Słońca. Kolejnym pobliskim obiektem stanowiącym zagrożenie dla naszego świata jest czarna dziura Gygnus X-1. Od tego potwora dzieli nas odległość 6000 lat świetlnych. Czarne dziury odkryte w naszym sąsiedztwie wchodzą w skład układu podwójnego, tj. istnieją w pobliżu gwiazdy, która zasila nienasycony obiekt.

Wniosek

Istnienie tak tajemniczych i tajemniczych obiektów w kosmosie jak czarne dziury z pewnością zmusza nas do zachowania czujności. Jednak wszystko, co dzieje się z czarnymi dziurami, zdarza się dość rzadko, biorąc pod uwagę wiek Wszechświata i ogromne odległości. Od 4,5 miliarda lat Układ Słoneczny znajduje się w spoczynku, egzystując według znanych nam praw. W tym czasie nic takiego, żadnych zniekształceń przestrzeni, żadnego załamania czasu w pobliżu układ słoneczny nie pojawił się. Prawdopodobnie nie po to odpowiednie warunki. Część Drogi Mlecznej, w której znajduje się układ gwiazd Słońca, to spokojny i stabilny obszar przestrzeni.

Naukowcy przyznają, że pojawienie się czarnych dziur nie jest przypadkowe. Obiekty takie pełnią rolę porządkowych we Wszechświecie, niszcząc nadmiar ciał kosmicznych. Jeśli chodzi o los samych potworów, ich ewolucja nie została jeszcze w pełni zbadana. Istnieje wersja, że czarne dziury nie są wieczne i na pewnym etapie mogą przestać istnieć. Nie jest już tajemnicą, że tego typu obiekty stanowią potężne źródła energii. Jaki to rodzaj energii i jak jest mierzona, to inna sprawa.

Dzięki wysiłkom Stephena Hawkinga nauce przedstawiono teorię, że czarna dziura nadal emituje energię, tracąc jednocześnie masę. W swoich założeniach naukowiec kierował się teorią względności, gdzie wszystkie procesy są ze sobą powiązane. Nic tak po prostu nie znika, nie pojawiając się gdzie indziej. Każdą materię można przekształcić w inną substancję, przy czym jeden rodzaj energii przechodzi na inny poziom energii. Może tak być w przypadku czarnych dziur, które stanowią portal przejściowy z jednego stanu do drugiego.

Jeśli masz jakieś pytania, zostaw je w komentarzach pod artykułem. My lub nasi goście chętnie na nie odpowiemy

CZARNA DZIURA
obszar w przestrzeni powstały w wyniku całkowitego grawitacyjnego zapadnięcia się materii, w którym przyciąganie grawitacyjne jest tak silne, że ani materia, ani światło, ani inne nośniki informacji nie mogą go opuścić. Dlatego część wewnętrzna czarna dziura nie jest powiązana przyczynowo z resztą wszechświata; dzieje się wewnątrz czarnej dziury procesy fizyczne nie może wpływać na procesy poza nim. Czarną dziurę otacza powierzchnia posiadająca właściwości jednokierunkowej membrany: materia i promieniowanie swobodnie wpadają przez nią do czarnej dziury, ale nic nie może się stamtąd wydostać. Powierzchnia ta nazywana jest „horyzontem zdarzeń”. Ponieważ nadal istnieją jedynie pośrednie przesłanki na istnienie czarnych dziur w odległościach tysięcy lat świetlnych od Ziemi, nasza dalsza prezentacja opiera się głównie na wynikach teoretycznych. Czarne dziury, przewidywane przez ogólną teorię względności (teorię grawitacji zaproponowaną przez Einsteina w 1915 r.) i inne, bardziej nowoczesne teorie grawitacji, zostały matematycznie uzasadnione przez R. Oppenheimera i H. Snydera w 1939 r. Jednak właściwości przestrzeni i czas w pobliżu tych obiektów okazał się na tyle niezwykły, że astronomowie i fizycy nie traktowali ich poważnie przez 25 lat. Jednak odkrycia astronomiczne z połowy lat sześćdziesiątych XX wieku wydobyły czarne dziury na powierzchnię jako możliwą rzeczywistość fizyczną. Ich odkrycie i badanie może zasadniczo zmienić nasze wyobrażenia o przestrzeni i czasie.
Powstawanie czarnych dziur. Chociaż we wnętrzu gwiazdy zachodzą reakcje termojądrowe, utrzymują się one wysoka temperatura i ciśnienie, zapobiegając zapadnięciu się gwiazdy pod wpływem własnej grawitacji. Jednak z biegiem czasu paliwo jądrowe się wyczerpuje, a gwiazda zaczyna się kurczyć. Obliczenia pokazują, że jeśli masa gwiazdy nie przekroczy trzech mas Słońca, to wygra ona „walkę z grawitacją”: jej zapadanie się grawitacyjne zostanie zatrzymane przez ciśnienie „zdegenerowanej” materii, a gwiazda na zawsze zamieni się w gwiazdę. biały karzeł lub gwiazda neutronowa. Ale jeśli masa gwiazdy jest większa niż trzy masy słoneczne, nic nie jest w stanie powstrzymać jej katastrofalnego zapadnięcia się i szybko znajdzie się pod horyzontem zdarzeń, stając się czarną dziurą.

Jeśli astronom zaobserwuje gwiazdę w momencie jej przemiany w czarną dziurę, to początkowo zobaczy, jak gwiazda kurczy się coraz szybciej, ale w miarę zbliżania się jej powierzchni do promienia grawitacyjnego, kompresja zacznie zwalniać, aż do osiągnięcia zatrzymuje się całkowicie. Jednocześnie światło wychodzące z gwiazdy będzie słabnąć i czerwienieć, aż do całkowitego zgaśnięcia. Dzieje się tak dlatego, że w walce z gigantyczną siłą grawitacji światło traci energię i dotarcie do obserwatora zajmuje mu coraz więcej czasu. Kiedy powierzchnia gwiazdy osiągnie promień grawitacji, wychodzące z niej światło potrzebuje nieskończonej ilości czasu, aby dotrzeć do obserwatora (a fotony stracą całą swoją energię). W rezultacie astronom nigdy nie będzie czekał na ten moment, a tym bardziej nie zobaczy, co dzieje się z gwiazdą poniżej horyzontu zdarzeń. Ale teoretycznie proces ten można zbadać. Pokazuje to obliczenie wyidealizowanego zapadnięcia się sferycznego krótki czas gwiazda kurczy się do punktu, w którym osiągane są nieskończenie duże wartości gęstości i grawitacji. Taki punkt nazywany jest „osobliwością”. Co więcej, ogólna analiza matematyczna pokazuje, że jeśli pojawił się horyzont zdarzeń, to nawet niesferyczne zapadnięcie prowadzi do osobliwości. Jednak wszystko to jest prawdą tylko wtedy, gdy ogólna teoria względności ma zastosowanie do bardzo małych skal przestrzennych, czego nie jesteśmy jeszcze pewni. W mikroświecie działają prawa kwantowe, ale kwantowa teoria grawitacji nie została jeszcze stworzona. Jest oczywiste, że efekty kwantowe nie mogą powstrzymać zapadania się gwiazdy w czarną dziurę, ale mogą zapobiec pojawieniu się osobliwości. Współczesna teoria ewolucji gwiazd i nasza wiedza na temat populacji gwiazd Galaktyki wskazują, że wśród 100 miliardów gwiazd powinno znajdować się około 100 milionów czarnych dziur powstałych podczas zapadania się najbardziej masywnych gwiazd. Ponadto czarne dziury o bardzo dużych masach można lokalizować w jądrach dużych galaktyk, w tym naszej. Jak już wspomniano, w naszej erze czarną dziurą może stać się tylko masa większa niż trzykrotna masa Słońca. Jednak bezpośrednio po Wielkim Wybuchu, z którego ok. 15 miliardów lat temu rozpoczęła się ekspansja Wszechświata, mogły narodzić się czarne dziury o dowolnej masie. Najmniejszy z nich, na skutek efektów kwantowych, powinien był wyparować, tracąc swoją masę w postaci promieniowania i przepływów cząstek. Jednak „pierwotne czarne dziury” o masie ponad 1015 g mogły przetrwać do dziś. Wszystkie obliczenia zapadnięcia się gwiazd przeprowadzane są przy założeniu niewielkiego odchylenia od symetrii sferycznej i pokazują, że zawsze tworzy się horyzont zdarzeń. Jednak przy silnym odchyleniu od symetrii sferycznej zapadnięcie się gwiazdy może doprowadzić do powstania obszaru o nieskończenie silnej grawitacji, ale nie otoczonego horyzontem zdarzeń; nazywa się to „nagą osobliwością”. To już nie jest czarna dziura w sensie, który omówiliśmy powyżej. Prawa fizyczne w pobliżu nagiej osobliwości mogą przybrać bardzo nieoczekiwaną formę. Obecnie naga osobliwość uważana jest za obiekt mało prawdopodobny, podczas gdy większość astrofizyków wierzy w istnienie czarnych dziur.
Właściwości czarnych dziur. Dla zewnętrznego obserwatora struktura czarnej dziury wydaje się niezwykle prosta. Podczas zapadania się gwiazdy w czarną dziurę w ciągu ułamka sekundy (według zegarka zdalnego obserwatora) wszystkie jej cechy zewnętrzne, związane z niejednorodnością pierwotnej gwiazdy, są emitowane w postaci fal grawitacyjnych i elektromagnetycznych. Powstała nieruchoma czarna dziura „zapomina” wszystkie informacje o pierwotnej gwieździe, z wyjątkiem trzech wielkości: masy całkowitej, momentu pędu (związanego z rotacją) i ładunek elektryczny. Badając czarną dziurę, nie można już stwierdzić, czy pierwotna gwiazda składała się z materii czy antymaterii, czy miała kształt cygara czy naleśnika itp. W rzeczywistych warunkach astrofizycznych naładowana czarna dziura będzie przyciągać cząstki o przeciwnym znaku z ośrodka międzygwiazdowego, a jej ładunek szybko osiągnie zero. Pozostały nieruchomy obiekt będzie albo nierotującą „czarną dziurą Schwarzschilda”, charakteryzującą się jedynie masą, albo obracającą się „czarną dziurą Kerra”, którą charakteryzuje masa i moment pędu. Wyjątkowość powyższych typów stacjonarnych czarnych dziur została udowodniona w ramach ogólnej teorii względności przez W. Israela, B. Cartera, S. Hawkinga i D. Robinsona. Zgodnie z ogólną teorią względności przestrzeń i czas są zakrzywione przez pole grawitacyjne masywnych ciał, przy czym największa krzywizna występuje w pobliżu czarnych dziur. Kiedy fizycy mówią o odstępach czasu i przestrzeni, mają na myśli liczby odczytywane z jakiegoś fizycznego zegara lub linijki. Na przykład rolę zegara może pełnić cząsteczka o określonej częstotliwości wibracji, której liczbę między dwoma zdarzeniami można nazwać „przedziałem czasu”. Godne uwagi jest to, że grawitacja działa na wszystkie układy fizyczne w ten sam sposób: wszystkie zegary pokazują, że czas zwalnia, a wszystkie władcy pokazują, że przestrzeń w pobliżu czarnej dziury jest rozciągnięta. Oznacza to, że czarna dziura zagina wokół siebie geometrię przestrzeni i czasu. Z dala od czarnej dziury ta krzywizna jest niewielka, ale blisko niej jest tak duża, że promienie świetlne mogą poruszać się wokół niej po okręgu. Daleko od czarnej dziury jej pole grawitacyjne jest dokładnie opisane przez teorię Newtona dla ciała o tej samej masie, ale w pobliżu niej grawitacja staje się znacznie silniejsza, niż przewiduje teoria Newtona. Każde ciało wpadające do czarnej dziury zostanie rozerwane na długo przed przekroczeniem horyzontu zdarzeń przez potężne pływowe siły grawitacyjne wynikające z różnic w grawitacji w różnych odległościach od centrum. Czarna dziura jest zawsze gotowa do absorpcji materii lub promieniowania, zwiększając w ten sposób swoją masę. Zdeterminowana jest jego interakcja ze światem zewnętrznym prosta zasada Hawking: Powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury nigdy się nie zmniejsza, chyba że weźmie się pod uwagę kwantową produkcję cząstek. J. Bekenstein w 1973 zasugerował, że czarne dziury podlegają tym samym prawom fizycznym, co ciała fizyczne, emitując i pochłaniając promieniowanie (model „ciała absolutnie czarnego”). Pod wpływem tego pomysłu Hawking wykazał w 1974 roku, że czarne dziury mogą emitować materię i promieniowanie, ale będzie to zauważalne tylko wtedy, gdy masa samej czarnej dziury będzie stosunkowo mała. Takie czarne dziury mogły narodzić się natychmiast po Wielkim Wybuchu, który zapoczątkował ekspansję Wszechświata. Masy tych pierwotnych czarnych dziur nie powinny przekraczać 1015 g (jak mała asteroida), a ich rozmiary powinny wynosić 10-15 m (jak proton lub neutron). Silne pole grawitacyjne w pobliżu czarnej dziury wytwarza pary cząstka-antycząstka; jedna z cząstek każdej pary jest pochłaniana przez dziurę, a druga jest emitowana na zewnątrz. Czarna dziura o masie 1015 g powinna zachowywać się jak ciało o temperaturze 1011 K. Idea „parowania” czarnych dziur całkowicie zaprzecza klasycznej koncepcji o nich jako o ciałach, które nie są w stanie promieniujący.
Szukaj czarnych dziur. Obliczenia w ramach ogólnej teorii względności Einsteina jedynie wskazują na możliwość istnienia czarnych dziur, ale wcale nie dowodzą ich obecności w świecie rzeczywistym; byłoby odkrycie prawdziwej czarnej dziury ważny krok w rozwoju fizyki. Znalezienie izolowanych czarnych dziur w kosmosie jest beznadziejnie trudne: nie będziemy w stanie dostrzec małego ciemnego obiektu na tle kosmicznej czerni. Istnieje jednak nadzieja na wykrycie czarnej dziury poprzez jej interakcję z otaczającymi ją ciałami astronomicznymi, poprzez jej charakterystyczny wpływ na nie. W centrach galaktyk można znaleźć supermasywne czarne dziury, które nieustannie pożerają gwiazdy. Gwiazdy skupione wokół czarnej dziury powinny tworzyć centralne szczyty jasności w jądrach galaktycznych; Obecnie trwają intensywne poszukiwania. Inną metodą poszukiwań jest pomiar prędkości gwiazd i gazu wokół centralnego obiektu w galaktyce. Jeśli znana jest ich odległość od obiektu centralnego, można obliczyć jego masę i średnia gęstość. Jeśli znacznie przekracza gęstość możliwą dla gromad gwiazd, wówczas uważa się, że jest to czarna dziura. Korzystając z tej metody, w 1996 roku J. Moran wraz ze współpracownikami ustalił, że w centrum galaktyki NGC 4258 prawdopodobnie znajduje się czarna dziura o masie 40 milionów Słońc. Najbardziej obiecujące jest poszukiwanie czarnej dziury w układach podwójnych, gdzie w połączeniu z normalną gwiazdą może krążyć wokół wspólnego środka masy. Poprzez okresowe przesunięcie Dopplera linii w widmie gwiazdy można zrozumieć, że krąży ona w tandemie z określonym ciałem, a nawet oszacować masę tego ostatniego. Jeśli masa ta przekracza 3 masy Słońca, a promieniowania samego ciała nie da się wykryć, to jest bardzo prawdopodobne, że jest to czarna dziura. W zwartym układzie podwójnym czarna dziura może wychwytywać gaz z powierzchni normalnej gwiazdy. Poruszając się po orbicie wokół czarnej dziury, gaz ten tworzy dysk i zbliżając się do czarnej dziury po spirali, znacznie się nagrzewa i staje się źródłem potężnego promieniowania promieniowanie rentgenowskie. Gwałtowne wahania tego promieniowania powinny wskazywać, że gaz szybko porusza się po orbicie o małym promieniu wokół małego, masywnego obiektu. Od lat 70. XX wieku w układach podwójnych odkryto kilka źródeł promieniowania rentgenowskiego wyraźne znaki obecność czarnych dziur. Najbardziej obiecujący jest rentgenowski układ podwójny V 404 Cygni, którego masę niewidzialnego składnika szacuje się na nie mniej niż 6 mas Słońca. Innymi godnymi uwagi kandydatami na czarne dziury są rentgenowskie układy podwójne Cygnus X-1, LMCX-3, V 616 Monoceros, QZ Chanterelles i rentgenowskie nowe Ophiuchus 1977, Mucha 1981 i Scorpio 1994. Wyjątkiem jest LMCX- 3, znajdującej się w Obłoku Magellana Bolszoj, wszystkie znajdują się w naszej Galaktyce w odległości około 8000 lat świetlnych. lat od Ziemi.
Zobacz także
KOSMOLOGIA;
POWAGA;
ZADANIE GRAWITACYJNE;
WZGLĘDNOŚĆ;
Astronomia poza atmosferą.
LITERATURA
Czerepaszczuk A.M. Masy czarnych dziur w układach podwójnych. Sukces nauki fizyczne, tom 166, s. 809, 1996

Encyklopedia Colliera. - Społeczeństwo otwarte. 2000 .

Synonimy:

Zobacz, czym jest „CZARNA DZIURA” w innych słownikach:

CZARNA DZIURA, zlokalizowany obszar przestrzeni kosmicznej, z którego nie może uciec ani materia, ani promieniowanie, innymi słowy, pierwsza prędkość kosmiczna przekracza prędkość światła. Granicę tego obszaru nazywa się horyzontem zdarzeń.... ... Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny

Kosmiczny przedmiot powstający w wyniku ściskania ciała przez grawitację. sił do rozmiarów mniejszych od jego promienia grawitacyjnego rg=2g/c2 (gdzie M to masa ciała, G to stała grawitacyjna, c to liczbowa wartość prędkości światła). Przewidywanie istnienia... ... Encyklopedia fizyczna

Rzeczownik, liczba synonimów: 2 gwiazdki (503) nieznane (11) Słownik synonimów ASIS. V.N. Trishin. 2013… Słownik synonimów

Pomimo ogromnych osiągnięć w dziedzinie fizyki i astronomii istnieje wiele zjawisk, których istota nie jest w pełni ujawniona. Do takich zjawisk zaliczają się tajemnicze czarne dziury, o których wszelkie informacje mają jedynie charakter teoretyczny i nie można ich zweryfikować w praktyczny sposób.

Czy czarne dziury istnieją?

Jeszcze przed pojawieniem się teorii względności astronomowie zaproponowali teorię o istnieniu czarnych lejków. Po opublikowaniu teorii Einsteina zrewidowano kwestię grawitacji i pojawiły się nowe założenia w problematyce czarnych dziur. Oglądanie tego kosmicznego obiektu jest nierealne, ponieważ pochłania on całe światło wpadające do jego przestrzeni. Naukowcy udowadniają obecność czarnych dziur na podstawie analizy ruchu gazu międzygwiazdowego i trajektorii gwiazd.

Powstawanie czarnych dziur prowadzi do zmian w charakterystykach czasoprzestrzennych wokół nich. Czas zdaje się być kompresowany pod wpływem ogromnej grawitacji i zwalnia. Gwiazdy, które znajdą się na drodze czarnego lejka, mogą zboczyć z trasy, a nawet zmienić kierunek ruchu. Czarne dziury pochłaniają energię swojej bliźniaczej gwiazdy, co również się objawia.

Jak wygląda czarna dziura?

Informacje dotyczące czarnych dziur są w większości hipotetyczne. Naukowcy badają je pod kątem ich wpływu na przestrzeń kosmiczną i promieniowanie. Czarnych dziur nie można zobaczyć we wszechświecie, ponieważ pochłaniają one całe światło wpadające do pobliskiej przestrzeni. Ze specjalnych satelitów wykonano zdjęcie rentgenowskie czarnych obiektów, na którym widać jasny środek będący źródłem promieni.

Jak powstają czarne dziury?

Czarna dziura w kosmosie to odrębny świat, który ma swoje unikalne cechy i właściwości. O właściwościach kosmicznych dziur decydują przyczyny ich pojawienia się. Jeśli chodzi o wygląd czarnych obiektów, istnieją następujące teorie:

Są efektem zapadnięć zachodzących w przestrzeni kosmicznej. Może to być zderzenie dużych ciał kosmicznych lub eksplozja supernowej.
Powstają w wyniku ważenia obiektów kosmicznych przy zachowaniu ich rozmiarów. Przyczyna tego zjawiska nie została ustalona.

Czarny lejek to obiekt w przestrzeni, który ma stosunkowo mały rozmiar z ogromną masą. Teoria czarnej dziury mówi, że każdy obiekt kosmiczny może potencjalnie stać się czarnym lejkiem, jeśli w wyniku pewnych zjawisk straci swój rozmiar, ale zachowa masę. Naukowcy mówią nawet o istnieniu wielu czarnych mikrodziur – miniaturowych obiektów kosmicznych o stosunkowo dużej masie. Ta rozbieżność między masą a rozmiarem prowadzi do wzrostu pole grawitacyjne i pojawienie się silnego przyciągania.

Co kryje się w czarnej dziurze?

Czarny tajemniczy obiekt można nazwać jedynie dziurą z dużym rozciągnięciem. Centrum tego zjawiska stanowi ciało kosmiczne o zwiększonej grawitacji. Skutkiem takiej grawitacji jest silne przyciąganie do powierzchni tego kosmicznego ciała. W tym przypadku powstaje przepływ wirowy, w którym obracają się gazy i ziarna pyłu kosmicznego. Dlatego bardziej poprawne jest nazwanie czarnej dziury czarnym lejkiem.

W praktyce nie da się dowiedzieć, co znajduje się we wnętrzu czarnej dziury, ponieważ poziom grawitacji kosmicznego wiru nie pozwala żadnemu obiektowi wydostać się ze strefy jego oddziaływania. Według naukowców wewnątrz czarnej dziury panuje całkowita ciemność, ponieważ kwanty światła w niej nieodwracalnie znikają. Zakłada się, że wewnątrz czarnego lejka przestrzeń i czas są zniekształcone; w tym miejscu nie obowiązują prawa fizyki i geometrii. Takie cechy czarnych dziur mogą prawdopodobnie prowadzić do powstania antymaterii, co jest obecnie nieznane naukowcom.

Dlaczego czarne dziury są niebezpieczne?

Czarne dziury są czasami opisywane jako obiekty pochłaniające otaczające obiekty, promieniowanie i cząstki. Ten pomysł jest błędny: właściwości czarnej dziury pozwalają jej absorbować tylko to, co mieści się w jej strefie wpływu. Może pochłaniać kosmiczne mikrocząstki i promieniowanie pochodzące od gwiazd bliźniaczych. Nawet jeśli planeta znajdzie się blisko czarnej dziury, nie zostanie wchłonięta, ale będzie nadal poruszać się po swojej orbicie.

Co się stanie, jeśli wpadniesz do czarnej dziury?

Właściwości czarnych dziur zależą od siły pola grawitacyjnego. Czarne lejki przyciągają wszystko, co znajdzie się w ich strefie wpływu. W tym przypadku zmieniają się cechy czasoprzestrzenne. Naukowcy badający wszystkie czarne dziury nie są zgodni co do tego, co dzieje się z obiektami w tym wirze:

niektórzy naukowcy sugerują, że wszystkie przedmioty wpadające do tych dziur są rozciągnięte lub rozerwane na kawałki i nie mają czasu na dotarcie do powierzchni przyciągającego obiektu;
Inni naukowcy twierdzą, że w dziurach wszystkie typowe cechy są zniekształcone, więc obiekty tam wydają się znikać w czasie i przestrzeni. Z tego powodu czarne dziury nazywane są czasami bramami do innych światów.

Rodzaje czarnych dziur

Lejki czarne dzielą się na typy ze względu na sposób ich powstawania:

Czarne obiekty o masie gwiazdowej rodzą się pod koniec życia niektórych gwiazd. Całkowite spalanie gwiazdy i koniec reakcji termojądrowych prowadzi do kompresji gwiazdy. Jeśli gwiazda ulegnie zapadnięciu grawitacyjnemu, może przekształcić się w czarny lejek.
Supermasywne czarne lejki. Naukowcy twierdzą, że jądrem każdej galaktyki jest supermasywny lejek, którego powstanie jest początkiem pojawienia się nowej galaktyki.
Pierwotne czarne dziury. Mogą to być dziury o różnej masie, w tym mikrodziury powstałe w wyniku rozbieżności w gęstości materii i sile grawitacji. Takie dziury to lejki powstałe na początku Wszechświata. Dotyczy to również obiektów takich jak włochata czarna dziura. Otwory te wyróżniają się obecnością promieni podobnych do włosów. Zakłada się, że te fotony i grawitony zachowują część informacji, która wpada do czarnej dziury.
Kwantowe czarne dziury. Pojawiają się w wyniku reakcji nuklearnych i żyją przez krótki czas. Największym zainteresowaniem cieszą się lejki kwantowe, ponieważ ich badanie może pomóc w odpowiedzi na pytania dotyczące problemu czarnych obiektów kosmicznych.
Niektórzy naukowcy identyfikują tego typu obiekty kosmiczne jako włochatą czarną dziurę. Otwory te wyróżniają się obecnością promieni podobnych do włosów. Zakłada się, że te fotony i grawitony zachowują część informacji, która wpada do czarnej dziury.

Najbliższa Ziemi czarna dziura

Najbliższa czarna dziura znajduje się 3000 lat świetlnych od Ziemi. Nazywa się V616 Monocerotis lub V616 Mon. Jego waga sięga 9-13 mas Słońca. Partnerem podwójnym tej dziury jest gwiazda o masie połowy masy Słońca. Innym lejkiem stosunkowo blisko Ziemi jest Cygnus X-1. Znajduje się 6 tysięcy lat świetlnych od Ziemi i waży 15 razy więcej niż Słońce. Ta kosmiczna czarna dziura ma również swojego własnego partnera podwójnego, którego ruch pomaga prześledzić wpływ Cygnusa X-1.

Czarne dziury - ciekawostki

Naukowcy opowiadają następujące interesujące fakty na temat czarnych obiektów:

Jeśli weźmiemy pod uwagę, że obiekty te stanowią centra galaktyk, to aby znaleźć największy lejek, musimy wykryć największą galaktykę. Dlatego największą czarną dziurą we wszechświecie jest lejek znajdujący się w galaktyce IC 1101 w centrum gromady Abell 2029.
Czarne obiekty w rzeczywistości wyglądają jak obiekty wielokolorowe. Powodem tego jest ich promieniowanie radiomagnetyczne.
W środku czarnej dziury nie obowiązują żadne trwałe prawa fizyczne ani matematyczne. Wszystko zależy od masy dziury i jej pola grawitacyjnego.
Czarne lejki stopniowo odparowują.
Waga czarnych lejków może osiągnąć niesamowite rozmiary. Największa czarna dziura ma masę równą 30 milionom mas Słońca.

Być może zainteresują Cię poniższe materiały