Kiedy będzie czarna dziura. Czarne dziury: historia odkrycia najbardziej tajemniczych obiektów we wszechświecie, których nigdy nie zobaczymy. Nierozwiązany problem fizyki czarnej dziury

Pod koniec swojego życia gwiazda może zamienić się w czarną dziurę. Podczas tej transformacji gwiazda jest bardzo mocno ściskana, a jej masa zostaje zachowana. Gwiazda zamienia się w małą, ale bardzo ciężką kulkę. Jeśli założymy, że nasza planeta Ziemia stanie się czarną dziurą, to jej średnica w tym stanie wyniesie tylko 9 milimetrów. Ale Ziemia nie będzie mogła zamienić się w czarną dziurę, bo w jądrze planet zachodzą zupełnie inne reakcje, nie takie jak w gwiazdach.

Tak silna kompresja i zagęszczenie gwiazdy wynika z tego, że pod wpływem reakcji termojądrowych w centrum gwiazdy jej siła przyciągania znacznie wzrasta i zaczyna przyciągać powierzchnię gwiazdy do jej centrum. Stopniowo tempo, w jakim gwiazda się kurczy, wzrasta i ostatecznie zaczyna przekraczać prędkość światła. Gdy gwiazda osiąga ten stan, przestaje świecić, ponieważ cząstki światła – kwanty – nie są w stanie pokonać siły przyciągania. Gwiazda w tym stanie przestaje emitować światło, pozostaje "wewnątrz" promienia grawitacyjnego - granicy, w obrębie której przyciągane są wszystkie obiekty do powierzchni gwiazdy. Astronomowie nazywają tę granicę horyzontem zdarzeń. A poza tą granicą siła przyciągania czarna dziura zmniejsza się. Ponieważ cząstki światła nie mogą pokonać granicy grawitacyjnej gwiazdy, czarną dziurę można wykryć tylko za pomocą instrumentów, na przykład, jeśli z nieznanych powodów statek kosmiczny lub inne ciało - kometa lub asteroida - zacznie zmieniać swoją trajektorię, wtedy najprawdopodobniej znalazła się pod wpływem sił grawitacyjnych czarnej dziury. Kontrolowany obiekt kosmiczny w takiej sytuacji musi pilnie włączyć wszystkie silniki i opuścić strefę niebezpiecznego przyciągania, a jeśli nie będzie wystarczającej mocy, to nieuchronnie zostanie pochłonięty przez czarną dziurę.

Gdyby Słońce mogło zamienić się w czarną dziurę, to planety Układ Słoneczny znajdowałby się w promieniu grawitacyjnym Słońca i przyciągałby je i pochłaniał. Na szczęście dla nas tak się nie stanie. tylko bardzo duże, masywne gwiazdy mogą zamienić się w czarną dziurę. Słońce jest na to za małe. W procesie ewolucji Słońce najprawdopodobniej stanie się wymarłym czarnym karłem. Inne czarne dziury, które są już w kosmosie dla naszej planety i Ziemi statki kosmiczne nie niebezpieczne - są zbyt daleko od nas.

W popularnym serialu „Teoria wielkiego podrywu”, który możesz obejrzeć, nie poznasz tajników powstania Wszechświata ani przyczyn powstawania czarnych dziur w kosmosie. Główni bohaterowie są pasjonatami nauki i pracy na wydziale fizyki na uniwersytecie. Ciągle wpadają w różne śmieszne sytuacje, które przyjemnie się ogląda.

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

Czym jest czarna dziura?

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

obserwacje pośrednie

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

Intuicja Laplace'a

Pomimo tego, że wyrażenie „czarna dziura” oznaczające hipotetyczny końcowy etap ewolucji gwiazdy, która zapadła się w siebie pod wpływem grawitacji, pojawiło się stosunkowo niedawno, idea możliwości istnienia takich ciał pojawiła się bardziej niż dwa wieki temu. Anglik John Michell i Francuz Pierre-Simon de Laplace niezależnie wysunęli hipotezę o istnieniu „niewidzialnych gwiazd”; podczas gdy opierały się na zwykłych prawach dynamiki i prawie powszechnego ciążenia Newtona. Obecnie czarne dziury otrzymały swój prawidłowy opis w oparciu o ogólną teorię względności Einsteina.

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

Niezwyciężona Grawitacja

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

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

Rodzaje czarnych dziur

Jakieś dziesięć lat temu obserwacje sugerowały istnienie dwóch rodzajów czarnych dziur: gwiezdnej, której masa jest porównywalna z masą Słońca lub nieznacznie ją przewyższa, oraz supermasywnej, której masa wynosi od kilkuset tysięcy do wielu milionów mas Słońca. Jednak stosunkowo niedawno zdjęcia rentgenowskie i widma wysoka rozdzielczość otrzymane od sztuczne satelity takie jak „Chandra” i „HMM-Newton”, wysunęły na pierwszy plan trzeci typ czarnej dziury – o masie średniej wielkości, przekraczającej tysiące razy masę Słońca.

gwiezdne czarne dziury

Gwiezdne czarne dziury stały się znane wcześniej niż inne. Powstają, gdy gwiazda o dużej masie na końcu swojej ścieżki ewolucyjnej wyczerpie się z paliwa jądrowego i zapadnie się w siebie pod wpływem własnej grawitacji. Eksplozja, która niszczy gwiazdy (znana jako „eksplozja supernowej”), ma katastrofalne konsekwencje: jeśli jądro gwiazdy ma masę większą niż 10 mas Słońca, żadna siła jądrowa nie jest w stanie wytrzymać grawitacyjnego kolapsu, który spowoduje pojawienie się czarna dziura.

Supermasywne czarne dziury

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

Średni i „mini”

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

Jak znaleźć czarną dziurę?

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

Oglądanie podwójnych systemów

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

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

Obserwacje rentgenowskie

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

Laureat Nagrody Nobla

Coś podobnego można powiedzieć o supermasywnych czarnych dziurach obserwowanych w jądrach wielu galaktyk, których masy szacuje się mierząc prędkości orbitalne gazu wpadającego do czarnej dziury. W tym przypadku, wywołanym silnym polem grawitacyjnym bardzo dużego obiektu, gwałtowny wzrost prędkości obłoków gazu krążących w centrum galaktyk ujawniają obserwacje w zakresie radiowym, a także w wiązkach optycznych. Obserwacje w zakresie rentgenowskim mogą potwierdzić zwiększone uwalnianie energii spowodowane opadaniem materii do czarnej dziury. Badania nad promieniami rentgenowskimi na początku lat 60. rozpoczął włoski Riccardo Giacconi, który pracował w USA. Przyznana mu w 2002 roku nagroda Nobla było uznaniem jego „pionierskiego wkładu w astrofizykę, który doprowadził do odkrycia źródeł promieniowania rentgenowskiego w kosmosie”.

Cygnus X-1: pierwszy kandydat

Nasza Galaktyka nie jest odporna na obecność obiektów kandydujących do czarnych dziur. Na szczęście żaden z tych obiektów nie znajduje się na tyle blisko nas, aby stanowić zagrożenie dla istnienia Ziemi lub Układu Słonecznego. Pomimo dużej liczby znanych kompaktowych źródeł promieniowania rentgenowskiego (a są to najbardziej prawdopodobni kandydaci do znalezienia tam czarnych dziur), nie jesteśmy pewni, czy rzeczywiście zawierają one czarne dziury. Jedynym spośród tych źródeł, które nie ma alternatywnej wersji, jest bliski podwójny Cygnus X-1, czyli najjaśniejsze źródło promieniowania rentgenowskiego w konstelacji Łabędzia.

masywne gwiazdy

Układ ten, z okresem orbitalnym wynoszącym 5,6 dni, składa się z bardzo jasnej niebieskiej gwiazdy o dużych rozmiarach (jej średnica jest 20 razy większa od Słońca, a masa około 30 razy), łatwo dostrzegalnej nawet w teleskopie, oraz niewidzialna druga gwiazda o masie szacowanej na kilka mas Słońca (do 10). Położona w odległości 6500 lat świetlnych od nas druga gwiazda byłaby doskonale widoczna, gdyby była zwykłą gwiazdą. Jego niewidzialność, silne promieniowanie rentgenowskie układu i wreszcie oszacowanie masy sprawiają, że większość astronomów wierzy, że jest to pierwsze potwierdzone odkrycie gwiezdnej czarnej dziury.

Wątpienie

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

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

Przyznanie się do błędu

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

Czarne dziury w galaktyce

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

W centrum

W naszej galaktyce istnieje co najmniej jedna supermasywna czarna dziura. Jego źródło, znane jako Strzelec A*, znajduje się dokładnie w centrum płaszczyzny Drogi Mlecznej. Jego nazwę tłumaczy fakt, że jest to najpotężniejsze źródło radiowe w konstelacji Strzelca. Właśnie w tym kierunku znajdują się zarówno geometryczne, jak i fizyczne centra naszego układu galaktycznego. Położona w odległości około 26 000 lat świetlnych od nas supermasywna czarna dziura powiązana ze źródłem fal radiowych, Sagittarius A *, ma masę szacowaną na około 4 miliony mas Słońca, mieszczącą się w przestrzeni o porównywalnej objętości do objętości Układu Słonecznego. Jej względna bliskość do nas (ta supermasywna czarna dziura jest bez wątpienia najbliżej Ziemi) spowodowała ostatnie lata obiekt przeszedł szczególnie głębokie badania z pomocą obserwatorium kosmicznego Chandra. Okazało się w szczególności, że jest to także potężne źródło promieniowania rentgenowskiego (ale nie tak silne jak źródła w aktywnych jądrach galaktyk). Strzelec A* może być uśpioną pozostałością tego, co było aktywnym jądrem naszej Galaktyki miliony lub miliardy lat temu.

Druga czarna dziura?

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

Na orbicie

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

Czarne dziury to jeden z najbardziej niesamowitych i jednocześnie przerażających obiektów w naszym Wszechświecie. Powstają w momencie, gdy gwiazdom o ogromnej masie zabraknie paliwa jądrowego. Reakcje jądrowe ustają, a gwiazdy zaczynają się ochładzać. Ciało gwiazdy kurczy się pod wpływem grawitacji i stopniowo zaczyna przyciągać do siebie mniejsze obiekty, przekształcając się w czarną dziurę.

Pierwsze studia

Nie tak dawno temu luminarze nauki zaczęli badać czarne dziury, mimo że podstawowe koncepcje ich istnienia zostały opracowane w ubiegłym stuleciu. Sama koncepcja „czarnej dziury” została wprowadzona w 1967 roku przez J. Wheelera, chociaż wniosek, że obiekty te nieuchronnie powstają podczas zapadania się masywnych gwiazd, został sformułowany już w latach 30. ubiegłego wieku. Wszystko wewnątrz czarnej dziury – asteroidy, światło, wchłonięte przez nią komety – kiedyś zbytnio zbliżyło się do granic tego tajemniczego obiektu i nie udało się ich opuścić.

Granice czarnej dziury

Pierwsza z granic czarnej dziury nazywana jest granicą statyczną. Jest to granica obszaru, w którym obcy obiekt nie może dłużej pozostawać w spoczynku i zaczyna obracać się względem czarnej dziury, aby nie wpaść do niej. Druga granica nazywana jest horyzontem zdarzeń. Wszystko wewnątrz czarnej dziury przekroczyło kiedyś jej zewnętrzną granicę i przesunęło się w kierunku punktu osobliwości. Według naukowców tutaj substancja wpływa do tego centralnego punktu, którego gęstość zmierza do wartości nieskończoności. Ludzie nie mogą wiedzieć, jakie prawa fizyki działają wewnątrz obiektów o takiej gęstości, dlatego nie sposób opisać cech tego miejsca. W dosłownym tego słowa znaczeniu jest to „czarna dziura” (lub być może „luka”) w wiedzy ludzkości o otaczającym nas świecie.

Struktura czarnych dziur

Horyzont zdarzeń to nie do zdobycia granica czarnej dziury. Wewnątrz tej granicy znajduje się strefa, z której nie mogą wyjść nawet obiekty, których prędkość ruchu jest równa prędkości światła. Nawet sam kwant światła nie może opuścić horyzontu zdarzeń. Będąc w tym momencie żaden obiekt nie może uciec z czarnej dziury. Z definicji nie możemy wiedzieć, co znajduje się w czarnej dziurze – wszak w jej głębi znajduje się tak zwany punkt osobliwości, który powstaje w wyniku ostatecznej kompresji materii. Gdy obiekt wejdzie w horyzont zdarzeń, od tego momentu już nigdy nie może się z niego wyrwać i stać się widocznym dla obserwatorów. Z drugiej strony ci, którzy są w czarnych dziurach, nie widzą niczego, co dzieje się na zewnątrz.

Wielkość horyzontu zdarzeń otaczającego ten tajemniczy obiekt kosmiczny jest zawsze wprost proporcjonalna do masy samej dziury. Jeśli jego masa zostanie podwojona, granica zewnętrzna również będzie dwa razy większa. Gdyby naukowcy mogli znaleźć sposób na przekształcenie Ziemi w czarną dziurę, horyzont zdarzeń miałby zaledwie 2 cm średnicy.

Główne kategorie

Z reguły masa przeciętnych czarnych dziur jest w przybliżeniu równa trzem masom Słońca lub więcej. Spośród dwóch typów czarnych dziur wyróżnia się gwiezdne i supermasywne. Ich masa przekracza masę Słońca kilkaset tysięcy razy. Gwiazdy powstają po śmierci dużych ciał niebieskich. Czarne dziury o zwykłej masie pojawiają się po zakończeniu cyklu życia dużych gwiazd. Oba typy czarnych dziur, pomimo różnego pochodzenia, mają podobne właściwości. Supermasywne czarne dziury znajdują się w centrach galaktyk. Naukowcy sugerują, że powstały one podczas formowania się galaktyk w wyniku łączenia się blisko sąsiadujących ze sobą gwiazd. Są to jednak tylko domysły, niepotwierdzone faktami.

Co jest w czarnej dziurze: przypuszczenia

Niektórzy matematycy uważają, że wewnątrz tych tajemniczych obiektów Wszechświata znajdują się tak zwane tunele czasoprzestrzenne - przejścia do innych Wszechświatów. Innymi słowy, w punkcie osobliwości znajduje się tunel czasoprzestrzenny. Ta koncepcja służyła wielu pisarzom i reżyserom. Jednak zdecydowana większość astronomów uważa, że ​​między wszechświatami nie ma tuneli. Jednak nawet jeśli naprawdę były, nie ma możliwości, aby dana osoba wiedziała, co znajduje się w czarnej dziurze.

Istnieje inna koncepcja, zgodnie z którą na przeciwległym końcu takiego tunelu znajduje się biała dziura, skąd gigantyczna ilość energii dociera z naszego Wszechświata do innego świata przez czarne dziury. Jednak na tym etapie rozwoju nauki i techniki podróże tego rodzaju nie wchodzą w rachubę.

Związek z teorią względności

Czarne dziury to jedna z najbardziej niesamowitych prognoz A. Einsteina. Wiadomo, że siła grawitacyjna, która powstaje na powierzchni każdej planety, jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu jej promienia i wprost proporcjonalna do jej masy. Dla tego ciała niebieskiego można zdefiniować pojęcie drugiej prędkości kosmicznej, która jest niezbędna do pokonania tej siły grawitacji. Dla Ziemi jest to 11 km/s. Jeśli masa ciała niebieskiego wzrasta, a średnica, przeciwnie, maleje, to druga prędkość kosmiczna może ostatecznie przekroczyć prędkość światła. A ponieważ zgodnie z teorią względności żaden obiekt nie może poruszać się szybciej niż prędkość światła, powstaje obiekt, który nie pozwala niczemu uciec poza swoje granice.

W 1963 roku naukowcy odkryli kwazary - obiekty kosmiczne będące gigantycznymi źródłami emisji radiowej. Znajdują się one bardzo daleko od naszej galaktyki – ich odległość wynosi miliardy lat świetlnych od Ziemi. Aby wyjaśnić niezwykle wysoką aktywność kwazarów, naukowcy postawili hipotezę, że w ich wnętrzu znajdują się czarne dziury. Ten pogląd jest obecnie powszechnie akceptowany w kręgach naukowych. Badania przeprowadzone w ciągu ostatnich 50 lat nie tylko potwierdziły tę hipotezę, ale także doprowadziły naukowców do wniosku, że w centrum każdej galaktyki znajdują się czarne dziury. Taki obiekt również znajduje się w centrum naszej galaktyki, jego masa to 4 miliony mas Słońca. Ta czarna dziura nazywa się Strzelec A, a ponieważ jest najbliżej nas, jest najczęściej badaną przez astronomów.

Promieniowanie Hawkinga

Ten rodzaj promieniowania, odkryty przez słynnego fizyka Stephena Hawkinga, bardzo komplikuje życie współczesnym naukowcom - z powodu tego odkrycia w teorii czarnych dziur pojawiło się wiele trudności. W fizyce klasycznej istnieje pojęcie próżni. To słowo oznacza całkowitą pustkę i brak materii. Jednak wraz z rozwojem fizyki kwantowej koncepcja próżni została zmodyfikowana. Naukowcy odkryli, że jest wypełniony tak zwanymi wirtualnymi cząsteczkami - pod wpływem silnego pola mogą zamienić się w prawdziwe. W 1974 Hawking odkrył, że takie przekształcenia mogą zachodzić w silnym polu grawitacyjnym czarnej dziury – w pobliżu jej zewnętrznej granicy, horyzontu zdarzeń. Takie narodziny są sparowane - pojawia się cząstka i antycząstka. Z reguły antycząstka jest skazana na wpadnięcie do czarnej dziury, a cząsteczka odlatuje. W rezultacie naukowcy obserwują pewne promieniowanie wokół tych obiektów kosmicznych. Nazywa się to promieniowaniem Hawkinga.

Podczas tego promieniowania materia wewnątrz czarnej dziury powoli odparowuje. Dziura traci masę, natomiast intensywność promieniowania jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu jej masy. Natężenie promieniowania Hawkinga jest znikome jak na kosmiczne standardy. Jeśli przyjmiemy, że istnieje dziura o masie 10 słońc i nie pada na nią ani światło, ani żadne przedmioty materialne, to nawet w tym przypadku czas jej rozpadu będzie potwornie długi. Życie takiej dziury przekroczy całe życie naszego Wszechświata o 65 rzędów wielkości.

Kwestia zapisywania informacji

Jednym z głównych problemów, który pojawił się po odkryciu promieniowania Hawkinga, jest problem utraty informacji. Wiąże się to z pytaniem, które na pierwszy rzut oka wydaje się bardzo proste: co się dzieje, gdy czarna dziura całkowicie wyparowuje? Obie teorie są fizyka kwantowa, a klasyczne - zajmują się opisem stanu układu. Mając informacje o stanie początkowym systemu, za pomocą teorii można opisać, jak będzie się on zmieniał.

Jednocześnie w procesie ewolucji informacja o stanie początkowym nie jest tracona - działa rodzaj prawa dotyczącego zachowania informacji. Ale jeśli czarna dziura całkowicie wyparuje, obserwator traci informacje o tej części świat fizyczny który kiedyś wpadł do dziury. Stephen Hawking uważał, że informacja o początkowym stanie układu zostaje w jakiś sposób przywrócona po całkowitym wyparowaniu czarnej dziury. Trudność polega jednak na tym, że z definicji transmisja informacji z czarnej dziury jest niemożliwa – nic nie może opuścić horyzontu zdarzeń.

Co się stanie, jeśli wpadniesz do czarnej dziury?

Uważa się, że gdyby ktoś w jakiś niesamowity sposób mógł dostać się na powierzchnię czarnej dziury, natychmiast zacząłby go ciągnąć w swoim kierunku. W końcu osoba rozciągała się tak bardzo, że zamieniała się w strumień cząstki elementarne poruszanie się w kierunku punktu osobliwości. Oczywiście nie da się udowodnić tej hipotezy, ponieważ naukowcy prawdopodobnie nigdy nie dowiedzą się, co dzieje się w czarnych dziurach. Teraz niektórzy fizycy twierdzą, że gdyby ktoś wpadł do czarnej dziury, miałby klona. Pierwsza z jego wersji zostałaby natychmiast zniszczona przez strumień gorących cząstek promieniowania Hawkinga, a druga przeszłaby przez horyzont zdarzeń bez możliwości powrotu.

Rozważ tajemnicze i niewidzialne czarne dziury we Wszechświecie: ciekawostki, badania Einsteina, typy supermasywne i pośrednie, teoria, struktura.

- jeden z najciekawszych i najbardziej tajemniczych obiektów w kosmosie. Mają dużą gęstość, a siła grawitacji jest tak potężna, że ​​nawet światło nie może poza nią uciec.

Po raz pierwszy Albert Einstein mówił o czarnych dziurach w 1916 roku, tworząc ogólną teorię względności. Sam termin powstał w 1967 roku dzięki Johnowi Wheelerowi. A pierwszą czarną dziurę „zauważono” w 1971 roku.

Klasyfikacja czarnych dziur obejmuje trzy typy: czarne dziury o masie gwiazdowej, supermasywne i pośrednie czarne dziury. Koniecznie obejrzyj film o czarnych dziurach, aby się dużo nauczyć interesujące fakty i poznaj bliżej te tajemnicze formacje kosmiczne.

Interesujące fakty na temat czarnych dziur

• Jeśli jesteś w czarnej dziurze, grawitacja cię rozciągnie. Ale nie musisz się bać, bo umrzesz, zanim jeszcze dotrzesz do osobliwości. Badanie z 2012 roku sugeruje, że efekty kwantowe zamieniają horyzont zdarzeń w ścianę ognia, która zamienia cię w kupę popiołu.
• Czarne dziury nie "wsysają". Proces ten jest spowodowany próżnią, której w tej formacji nie ma. Więc materiał po prostu spada.
• Pierwszą czarną dziurą był Cygnus X-1, znaleziony przez rakiety z licznikami Geigera. W 1971 roku naukowcy otrzymali sygnał radiowy z Cygnus X-1. Obiekt ten stał się przedmiotem sporu między Kip Thorne a Stephenem Hawkingiem. Ci ostatni uważali, że to nie jest czarna dziura. W 1990 roku przyznał się do porażki.
• Małe czarne dziury mogły pojawić się zaraz potem wielki wybuch. Szybko obracająca się przestrzeń ściskała niektóre obszary w gęste dziury, o mniejszej masy niż Słońce.
• Jeśli gwiazda podejdzie zbyt blisko, może pęknąć.
• Według ogólnych szacunków istnieje do około miliarda gwiezdnych czarnych dziur o masie trzy razy większej od masy Słońca.
• Jeśli porównamy teorię strun i mechanikę klasyczną, to ta pierwsza generuje więcej odmian masywnych gigantów.

Niebezpieczeństwo czarnych dziur

Gdy gwiazda zabraknie paliwa, może rozpocząć proces samozniszczenia. Gdyby jego masa była trzykrotnie większa od masy Słońca, pozostałe jądro stałoby się gwiazdą neutronową lub białym karłem. Ale większa gwiazda przekształca się w czarną dziurę.

Takie obiekty są małe, ale mają niesamowitą gęstość. Wyobraź sobie, że przed tobą znajduje się obiekt wielkości miasta, ale jego masa jest trzy razy większa od masy słońca. To tworzy niewiarygodnie ogromną siłę grawitacyjną, która przyciąga pył i gaz, zwiększając jego rozmiar. Będziesz zaskoczony, ale można w nim znaleźć kilkaset milionów gwiezdnych czarnych dziur.

Supermasywne czarne dziury

Oczywiście nic we wszechświecie nie może się równać z przerażającymi supermasywnymi czarnymi dziurami. Są miliardy razy cięższe od Słońca. Uważa się, że takie obiekty istnieją w prawie każdej galaktyce. Naukowcy nie znają jeszcze wszystkich zawiłości procesu formacji. Najprawdopodobniej rosną z powodu akumulacji masy z otaczającego pyłu i gazu.

Być może zawdzięczają swoją skalę połączeniu tysięcy małych czarnych dziur. Albo cała gromada gwiazd może się zapaść.

Czarne dziury w centrach galaktyk

Astrofizyk Olga Silchenko o odkryciu supermasywnej czarnej dziury w Mgławicy Andromeda, badaniach Johna Kormendy'ego i ciemnych ciałach grawitacyjnych:

Natura kosmicznych źródeł radiowych

Astrofizyk Anatolij Zasov o promieniowaniu synchrotronowym, czarnych dziurach w jądrach odległych galaktyk i gazie neutralnym:

pośrednie czarne dziury

Nie tak dawno temu naukowcy odkryli nowy typ - czarne dziury o średniej masie (pośrednie). Mogą powstawać, gdy gwiazdy w gromadzie zderzają się, ustępując miejsca reakcja łańcuchowa. W rezultacie opadają do środka i tworzą supermasywną czarną dziurę.

W 2014 roku astronomowie odkryli typ pośredni w ramieniu galaktyki spiralnej. Bardzo trudno je znaleźć, ponieważ mogą znajdować się w nieprzewidywalnych miejscach.

mikro czarne dziury

Fizyk Eduard Boos o bezpieczeństwie LHC, narodzinach mikroczarnej dziury i koncepcji membrany:

Teoria czarnych dziur

Czarne dziury są niezwykle masywnymi obiektami, ale zajmują stosunkowo niewielką przestrzeń. Ponadto mają ogromną grawitację, nie pozwalając obiektom (a nawet światłu) opuścić ich terytorium. Nie można ich jednak zobaczyć bezpośrednio. Naukowcy muszą zwrócić się do promieniowania, które pojawia się, gdy czarna dziura jest zasilana.

Co ciekawe, zdarza się, że materia zmierzająca do czarnej dziury odbija się od horyzontu zdarzeń i zostaje wyrzucona. W tym przypadku powstają jasne strumienie materii poruszające się z relatywistycznymi prędkościami. Emisje te można ustalić na długich dystansach.

- niesamowite obiekty, w których siła grawitacji jest tak duża, że ​​może zaginać światło, zakrzywiać przestrzeń i zniekształcać czas.

W czarnych dziurach występują trzy warstwy: zewnętrzny i wewnętrzny horyzont zdarzeń oraz osobliwość.

Horyzont zdarzeń czarnej dziury to granica, przez którą światło nie ma szans na ucieczkę. Jak tylko cząsteczka przekroczy tę granicę, nie będzie mogła opuścić. Wewnętrzny obszar, w którym znajduje się masa czarnej dziury, nazywany jest osobliwością.

Jeśli mówimy z punktu widzenia mechaniki klasycznej, to nic nie może pozostawić czarnej dziury. Ale kwant dokonuje własnej korekty. Faktem jest, że każda cząsteczka ma antycząsteczkę. Mają te same masy, ale różne ładunki. Jeśli się przecinają, mogą się nawzajem unicestwić.

Gdy taka para pojawi się poza horyzontem zdarzeń, wówczas jedną z nich można wciągnąć, a drugą odeprzeć. Z tego powodu horyzont może się skurczyć, a czarna dziura może się zapaść. Naukowcy wciąż próbują zbadać ten mechanizm.

przyrost

Astrofizyk Siergiej Popow o supermasywnych czarnych dziurach, powstawaniu planet i akrecji materii we wczesnym Wszechświecie:

Najsłynniejsze czarne dziury

Często zadawane pytania dotyczące czarnych dziur

Jeśli bardziej pojemna, to czarna dziura to pewien obszar w przestrzeni, w którym skoncentrowana jest tak duża ilość masy, że ani jeden obiekt nie może uciec przed wpływem grawitacji. Kiedy rozmawiamy o grawitacji opieramy się na ogólnej teorii względności zaproponowanej przez Alberta Einsteina. Aby zrozumieć szczegóły badanego obiektu, będziemy poruszać się krok po kroku.

Wyobraźmy sobie, że jesteś na powierzchni planety i rzucasz kamieniem. Jeśli nie masz mocy Hulka, nie będziesz w stanie zastosować wystarczającej siły. Wtedy kamień wzniesie się na pewną wysokość, ale pod naporem grawitacji zapadnie się z powrotem. Jeśli masz ukryty potencjał zielonego siłacza, to jesteś w stanie nadać obiektowi wystarczające przyspieszenie, dzięki czemu całkowicie opuszcza on strefę oddziaływania grawitacyjnego. Nazywa się to „prędkością ucieczki”.

Po rozbiciu na wzór, prędkość ta zależy od masy planety. Im jest większy, tym silniejszy jest chwyt grawitacyjny. Szybkość odjazdu będzie zależeć od tego, gdzie dokładnie się znajdujesz: im bliżej centrum, tym łatwiej się wydostać. Prędkość odlotu naszej planety wynosi 11,2 km/s, ale 2,4 km/s.

Zbliżamy się do najciekawszych. Powiedzmy, że masz obiekt o niesamowitej koncentracji masy zgromadzony w maleńkim miejscu. W tym przypadku prędkość ucieczki przekracza prędkość światła. A wiemy, że nic nie porusza się szybciej niż ten wskaźnik, co oznacza, że ​​nikt nie jest w stanie pokonać takiej siły i uciec. Nie jest w stanie tego zrobić nawet promień światła!

W XVIII wieku Laplace zastanawiał się nad ekstremalną koncentracją masy. Kierując się ogólną teorią względności, Karl Schwarzschild był w stanie znaleźć matematyczne rozwiązanie równania teorii, aby opisać podobny obiekt. Dalsze wkłady wnieśli Oppenheimer, Wolkoff i Snyder (1930). Od tego momentu ludzie zaczęli poważnie dyskutować na ten temat. Stało się jasne, że gdy masywnej gwieździe zabraknie paliwa, nie jest ona w stanie wytrzymać siły grawitacji i musi zapaść się w czarną dziurę.

W teorii Einsteina grawitacja jest przejawem krzywizny w przestrzeni i czasie. Faktem jest, że zwykłe reguły geometryczne nie działają tutaj, a masywne obiekty zniekształcają czasoprzestrzeń. Czarna dziura ma dziwaczne właściwości, więc jej zniekształcenie jest najwyraźniej widoczne. Na przykład obiekt ma „horyzont zdarzeń”. To jest powierzchnia kuli, oznaczająca cechę dziury. Oznacza to, że jeśli przekroczysz ten limit, nie ma odwrotu.

Dosłownie jest to miejsce, w którym prędkość ucieczki jest równa prędkości światła. Poza tym punktem prędkość ucieczki jest mniejsza niż prędkość światła. Ale jeśli twoja rakieta jest w stanie przyspieszać, będzie wystarczająco dużo energii, by uciec.

Sam horyzont jest dość dziwny pod względem geometrii. Jeśli jesteś daleko, poczujesz się, jakbyś patrzył na statyczną powierzchnię. Ale jeśli podejdziesz bliżej, zdasz sobie sprawę, że porusza się na zewnątrz z prędkością światła! Teraz rozumiem, dlaczego łatwo jest wejść, a tak trudno uciec. Tak, to bardzo zagmatwane, bo tak naprawdę horyzont stoi nieruchomo, ale jednocześnie pędzi z prędkością światła. To jak w przypadku Alicji, która musiała biec tak szybko, jak to tylko możliwe, żeby pozostać na miejscu.

Uderzając w horyzont, przestrzeń i czas doświadczają tak silnego zniekształcenia, że ​​współrzędne zaczynają opisywać rolę odległości promieniowej i czasu przełączania. Oznacza to, że „r”, oznaczające odległość od środka, staje się tymczasowe, a „t” odpowiada teraz za „przestrzenność”. W rezultacie nie będziesz w stanie przestać się poruszać z mniejszym r, tak jak nie będziesz w stanie dostać się w przyszłość w normalnym czasie. Dojdziesz do osobliwości, gdzie r = 0. Możesz rzucać rakietami, rozkręcać silnik na maksimum, ale nie możesz uciec.

Termin „czarna dziura” został ukuty przez Johna Archibalda Wheelera. Wcześniej nazywano je „chłodzonymi gwiazdami”.

Fizyk Emil Akhmedov o badaniu czarnych dziur, Karl Schwarzschild i gigantyczne czarne dziury:

Istnieją dwa sposoby na obliczenie, jak duże jest coś. Możesz nazwać masę lub rozmiar, jaki zajmuje obszar. Jeśli przyjmiemy pierwsze kryterium, to nie ma określonego limitu masy czarnej dziury. Możesz użyć dowolnej ilości, o ile możesz ją skompresować do odpowiedniej gęstości.

Większość z tych formacji pojawiła się po śmierci masywnych gwiazd, można się więc spodziewać, że ich waga powinna być równoważna. Typowa masa takiej dziury powinna być 10 razy większa niż Słońca - 10 31 kg. Ponadto każda galaktyka musi mieć centralną supermasywną czarną dziurę, której masa przekracza milion razy słoneczną - 10 36 kg.

Im bardziej masywny jest obiekt, tym większa jego masa. Promień horyzontu i masa są wprost proporcjonalne, to znaczy, jeśli czarna dziura waży 10 razy więcej niż inna, to jej promień jest 10 razy większy. Promień dziury o masywności słonecznej wynosi 3 km, a jeśli jest milion razy większy, to 3 mln km. Wygląda na to, że są to niesamowicie masywne rzeczy. Ale nie zapominajmy, że dla astronomii są to standardowe pojęcia. Promień słoneczny sięga 700 000 km, podczas gdy czarna dziura ma 4 razy więcej.

Powiedzmy, że nie masz szczęścia, a twój statek nieubłaganie zmierza w kierunku supermasywnej czarnej dziury. Nie ma sensu walczyć. Po prostu wyłączyłeś silniki i ruszyłeś w stronę nieuniknionego. Czego oczekiwać?

Zacznijmy od nieważkości. Jesteś w swobodnym spadku, więc załoga, statek i wszystkie szczegóły są w stanie nieważkości. Im bliżej środka dziury, tym silniejsze są siły grawitacyjne pływów. Na przykład twoje nogi są bliżej środka niż głowa. Wtedy zaczynasz czuć się rozciągnięty. W końcu zostaniesz po prostu rozszarpany na kawałki.

Siły te są niepozorne, dopóki nie zbliżysz się do 600 000 km od centrum. To już jest poza horyzontem. Ale mówimy o ogromnym obiekcie. Jeśli wpadniesz do dziury masy słonecznej, siły pływowe pochłoną cię 6000 km od centrum i rozerwą cię, zanim dotrzesz do horyzontu (dlatego wysyłamy cię do dużej dziury, abyś mógł umrzeć w tej dziurze, nie w drodze).

Co jest w środku? Nie chcę zawieść, ale nic nadzwyczajnego. Niektóre przedmioty mogą mieć zniekształcony wygląd i nic innego niezwykłego. Nawet po przekroczeniu horyzontu zobaczysz rzeczy wokół siebie, które poruszają się razem z tobą.

Jak długo to wszystko potrwa? Wszystko zależy od Twojego dystansu. Na przykład, zacząłeś od punktu spoczynku, gdzie osobliwość jest 10 razy większa od promienia otworu. Podejście do horyzontu zajmie tylko 8 minut, a następnie kolejne 7 sekund, aby wejść w osobliwość. Jeśli wpadniesz do małej czarnej dziury, wszystko stanie się szybciej.

Gdy tylko przekroczysz horyzont, możesz strzelać rakietami, krzyczeć i płakać. Na to wszystko masz 7 sekund, aż dotrzesz do osobliwości. Ale nic nie uratuje. Więc po prostu ciesz się jazdą.

Powiedzmy, że jesteś skazany na zagładę i wpadasz do dziury, a twój przyjaciel / dziewczyna patrzy z daleka. Cóż, będzie inaczej widział rzeczy. Zauważy, że bliżej horyzontu zwolnisz. Ale nawet jeśli ktoś siedzi przez sto lat, nie będzie czekał, aż osiągniesz horyzont.

Spróbujmy wyjaśnić. Czarna dziura mogła pochodzić z zapadającej się gwiazdy. Ponieważ materiał jest niszczony, Cyryl (niech będzie twoim przyjacielem) widzi jego spadek, ale nigdy nie zauważy zbliżania się do horyzontu. Dlatego nazywano je „zamrożonymi gwiazdami”, ponieważ wydają się zamarzać z pewnym promieniem.

O co chodzi? Nazwijmy to złudzeniem optycznym. Aby utworzyć dziurę, nie jest potrzebna nieskończoność, a także przekroczyć horyzont. W miarę zbliżania się światło potrzebuje więcej czasu, aby dotrzeć do Cyryla. Aby być bardziej precyzyjnym, promieniowanie w czasie rzeczywistym z twojego przejścia zostanie na zawsze ustalone na horyzoncie. Już dawno przekroczyłeś linię, a Kirill wciąż obserwuje sygnał świetlny.

Lub możesz podejść z drugiej strony. Czas ciągnie się dłużej nad horyzontem. Na przykład masz super potężny statek. Udało ci się zbliżyć do horyzontu, pozostać tam kilka minut i wydostać się żywy do Kirilla. Kogo zobaczysz? Starzec! Dla ciebie czas płynął znacznie wolniej.

Co zatem jest prawdą? Iluzja czy gra czasu? Wszystko zależy od układu współrzędnych użytego do opisania czarnej dziury. Jeśli polegamy na współrzędnych Schwarzschilda, to podczas przekraczania horyzontu współrzędna czasowa (t) jest równa nieskończoności. Ale wskaźniki tego systemu zapewniają niewyraźny obraz tego, co dzieje się w pobliżu samego obiektu. Na linii horyzontu wszystkie współrzędne są zniekształcone (osobliwość). Ale możesz użyć obu układów współrzędnych, więc dwie odpowiedzi są poprawne.

W rzeczywistości po prostu staniesz się niewidzialny, a Cyryl przestanie cię widzieć, zanim minie dużo czasu. Nie zapomnij o przesunięciu ku czerwieni. Emitujesz obserwowalne światło o określonej długości fali, ale Cyryl zobaczy je na większej długości fali. Fale wydłużają się, gdy zbliżają się do horyzontu. Ponadto nie zapominaj, że w niektórych fotonach występuje promieniowanie.

Na przykład w momencie przejścia wyślesz ostatni foton. Dotrze do Cyryla w określonym czasie (około godziny w przypadku supermasywnej czarnej dziury).

Oczywiście nie. Nie zapomnij o istnieniu horyzontu zdarzeń. Tylko z tego obszaru nie można się wydostać. Wystarczy nie podchodzić do niej i czuć spokój. Co więcej, z bezpiecznej odległości ten obiekt wyda ci się najzwyklejszy.

Paradoks informacyjny Hawkinga

Fizyk Emil Achmedow o wpływie grawitacji na fale elektromagnetyczne, paradoksie informacyjnym czarnych dziur i zasadzie przewidywalności w nauce:

Nie panikuj, ponieważ Słońce nigdy nie przekształci się w taki obiekt, ponieważ po prostu nie ma wystarczającej masy. Co więcej, zachowa swój prąd wygląd zewnętrzny kolejne 5 miliardów lat. Następnie przeniesie się na scenę czerwonego olbrzyma, pochłaniając Merkurego, Wenus i dobrze smażąc naszą planetę, po czym stanie się zwykłym białym karłem.

Ale oddajmy się fantazji. Więc słońce stało się czarną dziurą. Po pierwsze, natychmiast ogarnie nas ciemność i zimno. Ziemia i inne planety nie zostaną wciągnięte do dziury. Będą nadal krążyć wokół nowego obiektu na normalnych orbitach. Czemu? Bo horyzont sięgnie tylko 3 km, a grawitacja nic z nami nie zrobi.

TAk. Oczywiście nie możemy polegać na obserwacji widzialnej, ponieważ światło nie ucieka. Ale są poszlaki. Na przykład widzisz obszar, w którym może znajdować się czarna dziura. Jak to sprawdzić? Zacznij od zmierzenia swojej wagi. Jeśli widzisz, że jest go za dużo w jednym obszarze lub wydaje się niewidoczne, to jesteś na dobrej drodze. Istnieją dwa punkty poszukiwań: centrum galaktyki i rentgenowskie układy podwójne.

Tak więc w 8 galaktykach znaleziono masywne obiekty centralne, których masa jąder waha się od miliona do miliarda Słońca. Masę oblicza się obserwując prędkość rotacji gwiazd i gazu wokół centrum. Im szybciej, tym większa musi być masa, aby utrzymać je na orbicie.

Te masywne obiekty są uważane za czarne dziury z dwóch powodów. Cóż, po prostu nie ma innych opcji. Nie ma nic bardziej masywnego, ciemniejszego i bardziej zwartego. Ponadto istnieje teoria, że ​​wszystkie aktywne i duże galaktyki mają takiego potwora ukrywającego się w centrum. Nie jest to jednak stuprocentowy dowód.

Jednak dwa ostatnie odkrycia przemawiają za tą teorią. W pobliżu najbliższej aktywnej galaktyki w pobliżu jądra zauważono układ „masera wodnego” (potężne źródło promieniowania mikrofalowego). Za pomocą interferometru naukowcy przedstawili rozkład prędkości gazu. Oznacza to, że zmierzyli prędkość w ciągu pół roku świetlnego w centrum galaktyki. Pomogło im to zrozumieć, że w środku znajduje się masywny obiekt, którego promień sięga pół roku świetlnego.

Drugie znalezisko jest jeszcze bardziej przekonujące. Wykorzystując promieniowanie rentgenowskie, naukowcy natknęli się na linię widmową jądra galaktyki, wskazującą na obecność pobliskich atomów, których prędkość jest niewiarygodnie wysoka (1/3 prędkości światła). Ponadto promieniowanie odpowiadało przesunięciu ku czerwieni, które odpowiada horyzontowi czarnej dziury.

Kolejną klasę znajdziesz w Drodze Mlecznej. Są to gwiezdne czarne dziury, które powstają po wybuchu supernowej. Gdyby istniały osobno, to nawet blisko byśmy tego nie zauważyli. Ale mamy szczęście, bo większość istnieje w systemach binarnych. Łatwo je znaleźć, ponieważ czarna dziura będzie przyciągać masę sąsiada i oddziaływać na nią grawitacyjnie. „Wyrwany” materiał tworzy dysk akrecyjny, w którym wszystko się nagrzewa, czyli tworzy silne promieniowanie.

Załóżmy, że udało Ci się znaleźć system binarny. Jak zrozumieć, że zwarty obiekt to czarna dziura? Znowu zwracamy się do mas. Aby to zrobić, zmierz prędkość orbitalną sąsiedniej gwiazdy. Jeśli masa jest niewiarygodnie ogromna jak na tak mały rozmiar, nie ma więcej opcji.

To złożony mechanizm. Stephen Hawking poruszył podobny temat w latach 70. XX wieku. Powiedział, że czarne dziury nie są dokładnie „czarne”. Istnieją efekty mechaniki kwantowej, które powodują powstawanie promieniowania. Stopniowo dziura zaczyna się kurczyć. Szybkość promieniowania wzrasta wraz ze spadkiem masy, dzięki czemu otwór bardziej promieniuje i przyspiesza proces kurczenia się, aż do rozpuszczenia.

Jest to jednak tylko schemat teoretyczny, ponieważ nikt nie jest w stanie dokładnie powiedzieć, co dzieje się na ostatnim etapie. Niektórzy uważają, że pozostaje mały, ale stabilny ślad. Współczesne teorie nie wymyśliłem jeszcze niczego lepszego. Ale sam proces jest niesamowity i złożony. Konieczne jest obliczenie parametrów w zakrzywionej czasoprzestrzeni, a samych wyników nie można zweryfikować w zwykłych warunkach.

Tutaj możesz skorzystać z Prawa Zachowania Energii, ale tylko przez krótki czas. Wszechświat może tworzyć energię i masę od podstaw, ale muszą one szybko zniknąć. Jednym z przejawów są wahania próżni. Pary cząstek i antycząstek wyrastają znikąd, istnieją przez pewien krótki czas i giną we wzajemnej anihilacji. Kiedy się pojawiają, równowaga energetyczna zostaje zaburzona, ale po zniknięciu wszystko zostaje przywrócone. Wydaje się to fantastyczne, ale ten mechanizm został potwierdzony eksperymentalnie.

Załóżmy, że jedna z fluktuacji próżni działa w pobliżu horyzontu czarnej dziury. Być może jedna z cząstek spada do wewnątrz, a druga ucieka. Uciekinier zabiera ze sobą część energii dziury i może wpaść w oczy obserwatora. Będzie mu się wydawać, że ciemny obiekt po prostu uwolnił cząsteczkę. Ale proces się powtarza i widzimy ciągły strumień promieniowania z czarnej dziury.

Powiedzieliśmy już, że Cyrylowi wydaje się, że aby przekroczyć linię horyzontu potrzebna jest nieskończoność. Ponadto wspomniano, że czarne dziury odparowują po skończonym przedziale czasu. Więc kiedy dotrzesz do horyzontu, dziura zniknie?

Nie. Opisując obserwacje Kirilla, nie mówiliśmy o procesie parowania. Ale jeśli ten proces jest obecny, wszystko się zmienia. Twój przyjaciel zobaczy, jak lecisz nad horyzontem w momencie parowania. Czemu?

Rządzi Cyrylem złudzenie optyczne. Emitowane światło w horyzoncie zdarzeń zajmuje dużo czasu, aby dotrzeć do znajomego. Jeśli dziura trwa wiecznie, światło może podróżować w nieskończoność, a Kirill nie będzie czekał na przejście. Ale jeśli dziura wyparuje, to nic nie zatrzyma światła, a dotrze do faceta w momencie wybuchu promieniowania. Ale już cię to nie obchodzi, bo umarłeś dawno temu w osobliwości.

Wzory ogólnej teorii względności mają ciekawa funkcja- symetria w czasie. Na przykład w dowolnym równaniu możesz sobie wyobrazić, że czas płynie wstecz i otrzymujesz inne, ale wciąż poprawne rozwiązanie. Jeśli zastosujemy tę zasadę do czarnych dziur, rodzi się biała dziura.

Czarna dziura to pewien obszar, z którego nic nie może uciec. Ale druga opcja to biała dziura, w którą nic nie może wpaść. W rzeczywistości odpycha wszystko. Chociaż z matematycznego punktu widzenia wszystko wygląda gładko, ale to nie świadczy o ich istnieniu w naturze. Najprawdopodobniej nie są, a także sposób, aby się dowiedzieć.

Do tego momentu mówiliśmy o klasyku czarnej dziury. Nie obracają się i są pozbawione ładunku elektrycznego. Ale w wersji przeciwnej zaczyna się najciekawsze. Na przykład możesz wejść do środka, ale uniknąć osobliwości. Co więcej, jego „wnętrze” ma możliwość kontaktu z białą dziurą. Oznacza to, że znajdziesz się w rodzaju tunelu, w którym czarna dziura jest wejściem, a biała dziura jest wyjściem. Taka kombinacja nazywa się tunelem czasoprzestrzennym.

Co ciekawe, biała dziura może być wszędzie, nawet w innym wszechświecie. Jeśli poradzimy sobie z takimi tunelami czasoprzestrzennymi, zapewnimy szybki transport w dowolny obszar przestrzeni. A jeszcze fajniej – możliwość podróży w czasie.

Ale nie pakuj plecaka, dopóki nie dowiesz się kilku rzeczy. Niestety istnieje duże prawdopodobieństwo, że takich formacji nie ma. Powiedzieliśmy już, że białe dziury są wnioskiem ze wzorów matematycznych, a nie rzeczywistym i potwierdzonym obiektem. A wszystkie obserwowane czarne dziury powodują opadanie materii i nie tworzą tuneli czasoprzestrzennych. A ostatnim przystankiem jest osobliwość.

Ale nawet prawdziwemu tunelowi czasoprzestrzennemu brakuje stabilności. Małe zakłócenie (takie jak podróż) może doprowadzić do upadku. Nie wierzysz? A co z bezpieczeństwem? Stabilny tunel czasoprzestrzenny nie zapewni Ci komfortowego ruchu. Promieniowanie w nim (reliktowe, gwiezdne itp.) jest zsynchronizowane z wysokimi częstotliwościami. Wejście w takie miejsce to dobrowolna zgoda na smażenie.

Obserwacyjne manifestacje czarnych dziur i tuneli czasoprzestrzennych

Astrofizyk Alexander Shatsky o transformacji Fouriera, interferometrze RadioAstron i obiektach o nietrywialnej topologii:

Czarną dziurę w fizyce definiuje się jako obszar czasoprzestrzeni, którego przyciąganie grawitacyjne jest tak silne, że nawet obiekty poruszające się z prędkością światła, w tym kwanty samego światła, nie mogą go opuścić. Granicę tego obszaru nazywamy horyzontem zdarzeń, a jego charakterystyczną wielkość nazywamy promieniem grawitacyjnym, czyli promieniem Schwarzwaldu. Czarne dziury to najbardziej tajemnicze obiekty we wszechświecie. Swoją niefortunną nazwę zawdzięczają amerykańskiemu astrofizykowi Johnowi Wheelerowi. To on w popularnym wykładzie „Our Universe: Known and Unknown” w 1967 roku nazwał te supergęste ciała dziurami. Wcześniej takie obiekty nazywano „zawalonymi gwiazdami” lub „zapadkami”. Ale termin „czarna dziura” zakorzenił się i po prostu nie można go zmienić. We Wszechświecie istnieją dwa rodzaje czarnych dziur: 1 - supermasywne czarne dziury, których masa jest miliony razy większa niż masa Słońca (uważa się, że takie obiekty znajdują się w centrach galaktyk); 2 - mniej masywne czarne dziury, które powstają w wyniku kompresji gigantycznych umierających gwiazd, ich masa przekracza trzy masy Słońca; gdy gwiazda się kurczy, materia staje się coraz bardziej zagęszczona, w wyniku czego grawitacja obiektu wzrasta do takiego stopnia, że ​​światło nie może jej przezwyciężyć. Ani promieniowanie, ani materia nie mogą uciec z czarnej dziury. Czarne dziury to superpotężne grawitatory.

Promień, do którego gwiazda musi się skurczyć, aby zamienić się w czarną dziurę, nazywamy promieniem grawitacyjnym. W przypadku czarnych dziur utworzonych z gwiazd to tylko kilkadziesiąt kilometrów. W niektórych parach podwójne gwiazdy jeden z nich jest niewidoczny w najpotężniejszym teleskopie, ale masa niewidzialnego składnika w takim układzie grawitacyjnym okazuje się niezwykle duża. Najprawdopodobniej takie obiekty to albo gwiazdy neutronowe, albo czarne dziury. Czasami niewidoczne składniki w takich parach zdzierają materię z normalnej gwiazdy. W tym przypadku gaz zostaje oddzielony od zewnętrznych warstw widocznej gwiazdy i opada w nieznane gdzie - w niewidzialną czarną dziurę. Ale zanim wpadnie do dziury, gaz emituje fale elektromagnetyczne o różnych długościach fal, w tym bardzo krótkie fale rentgenowskie. Co więcej, w pobliżu gwiazdy neutronowej lub czarnej dziury gaz staje się bardzo gorący i staje się źródłem silnego, wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego w zakresie rentgenowskim i gamma. Takie promieniowanie nie przechodzi przez ziemską atmosferę, ale można je obserwować za pomocą teleskopów kosmicznych. Jeden z prawdopodobnych kandydatów na czarne dziury jest uważany za potężne źródło promieniowania rentgenowskiego w konstelacji Łabędzia.