Черните дупки са едни от най-странните и очарователни тела във Вселената. Те са обекти с изключително висока плътност. И имат толкова силно гравитационно привличане, че дори светлината не може да избяга от чудовищната им прегръдка.
Алберт Айнщайн за първи път предсказва съществуването на черни дупки през 1916 г. с общата си теория на относителността. Терминът "черна дупка" е въведен през 1967 г. от американския астроном Джон Уилър. За първи път е използван през 1971 г.
Има три вида черни дупки: обикновени черни дупки, свръхмасивни черни дупки и междинни черни дупки.
Обикновени черни дупки. Малък, но смъртоносен
През 2014 г. астрономите откриха обект, който се оказа черна дупка със средна маса. Намира се в ръкава на спирална галактика.
Теория за черните дупки - как работят
Черните дупки са невероятно масивни. Но в същото време те заемат малка площ от пространството. Има пряка връзка между масата и гравитацията. Това означава, че имат изключително силно гравитационно поле. Почти нищо не може да им убегне. В класическата физика дори светлината, навлизаща в черна дупка, не може да я напусне.
Това силно привличане създава проблем с наблюдението, когато става дума за черни дупки. Учените просто не могат да ги "видят" по начина, по който виждат звездите и другите обекти в космоса. За да открият тези обекти, учените разчитат на радиацията, която се излъчва, когато прахът и газът се консумират от черна дупка. , разположени в центъра на галактиката, може да са обвити в прах и газ около тях. Това може да блокира наблюдението на еталонните емисии.
Понякога, когато материята се движи към черна дупка, тя рикошира от хоризонта на събитията и излита навън, вместо да бъде привлечена. Създават се ярки струи материал, движещи се с почти релативистични скорости. Въпреки че самата черна дупка остава невидима, тези мощни струи могат да се видят от големи разстояния.
Хоризонт на събитията
Черните дупки имат три "слоя" - външния слой, хоризонта на събитията и сингулярността.
Хоризонтът на събитията на черна дупка е мястото, където светлината губи способността си да избяга. След като частица пресече хоризонта на събитията, тя вече не може да избяга от черната дупка. В хоризонта на събитията гравитацията е постоянна.
Вътрешната област на черна дупка, където се съдържа нейната маса, е известна като сингулярност. Това е единствената точка в пространство-времето, където е концентрирана масата на черна дупка.
Според концепциите на класическата механика и физика нищо не може. Въпреки това, когато квантовата механика се добави към уравнението, нещата се променят малко. В квантовата механика за всяка частица има античастица. Това е частица с еднаква маса и противоположен електрически заряд. Когато се срещнат, двойката частица-античастица може да анихилира.
Ако се създаде двойка частица-античастица извън обсега на хоризонта на събитията на черна дупка, една от частиците може да падне в черната дупка, а другата може да бъде изхвърлена. В резултат на това масата на черната дупка намалява. Този процес се нарича Радиация на Хокинг. И черната дупка може да започне да се разпада, което се отхвърля от класическата механика.
Учените все още работят за създаване на уравнения, които могат да се използват, за да разберат как функционират черните дупки.
Блестящата светлина на двойните черни дупки
През 2015 г. астрономите, използващи лазерната интерферометърна гравитационно-вълнова обсерватория (GWO), откриха гравитационни вълни за първи път. Оттогава са наблюдавани няколко други подобни инцидента с помощта на този инструмент. Гравитационните вълни, наблюдавани от LIGO, идват от сливането на малки черни дупки.
Наблюденията на LIGO също дават представа за посоката на въртене на черната дупка. Когато двойка черни дупки се спират една около друга, те могат да се въртят в една и съща посока. Или посоките на въртене могат да бъдат напълно различни.
Има две теории за това как се образуват двоичните черни дупки. Първият предполага, че са се образували приблизително по едно и също време от две звезди. Те можеха да са родени заедно и да умрат по едно и също време. Придружаващите звезди биха имали подобна посока на въртене. Следователно черните дупки, които оставят след себе си, също ще се въртят по подобен начин.
Според втория модел черните дупки в звездния куп се спускат към центъра му и се свързват. Тези спътници ще имат произволна ориентация на въртене в сравнение един с друг. Наблюденията на черни дупки с различна ориентация на въртене, направени с LIGO, предоставят по-убедителни доказателства за тази теория за формирането.
Смъртта ви ще дойде преди да достигнете сингулярността. Проучване от 2012 г. предполага, че това ще накара хоризонта на събитията да действа като огнена стена, която моментално ще ви изгори до смърт.
Черните дупки не „всмукват“. Засмукването се причинява от изтласкване на нещо във вакуум, което масивната черна дупка определено не е. Вместо това предметите просто падат в тях.
Първият открит обект, смятан за черна дупка, е Cygnus X-1. C През 1971 г. учените откриха радиоизлъчване, излъчвано от Cygnus X-1. Масивен скрит обект беше открит и идентифициран като черна дупка.
Cygnus X-1 беше обект на приятелски спор през 1974 г. между Стивън Хокинг и теоретичния физик Кип Торн. Последният твърдеше, че този източник е черна дупка. През 1990 г. Хокинг признава поражението си.
Миниатюрни черни дупки може да са се образували веднага след това. Бързо разширяващото се пространство може да е компресирало някои от неговите региони в малки, плътни черни дупки. Те бяха по-малко масивни от Слънцето.
Ако звезда премине твърде близо до черна дупка, тя може да бъде погълната от нея. Астрономите изчисляват, че в Млечния път има между 10 милиона и един милиард черни дупки, чиято маса е приблизително три пъти по-голяма от тази на Слънцето.
Струнната теория предлага повече видове масивни гигантски черни дупки, отколкото конвенционалната класическа механика.
Черните дупки са невероятен фураж за научнофантастични книги и филми. Филмът разчита до голяма степен на консултация от теоретичния физик Кип Торн. Това ни позволи да внесем истинска наука в холивудския продукт. Всъщност работата по специалните ефекти за блокбастъра доведе до подобрено научно разбиране за това как могат да изглеждат далечни светове, когато се намират близо до бързо въртяща се черна дупка.
Ако намерите грешка, моля, маркирайте част от текста и щракнете Ctrl+Enter.
Във връзка с
« Научната фантастика може да бъде полезна - тя стимулира въображението и облекчава страха от бъдещето. Научните факти обаче могат да бъдат много по-изненадващи. Научната фантастика дори не си е представяла съществуването на такива неща като черни дупки»
Стивън Хоукинг
В дълбините на Вселената има безброй мистерии и тайни, скрити за хората. Една от тях са черните дупки – обекти, които дори и най-големите умове на човечеството не могат да разберат. Стотици астрофизици се опитват да разкрият природата на черните дупки, но на този етап дори не сме доказали съществуването им на практика.
На тях режисьорите посвещават своите филми и сред тях обикновените хорачерните дупки са станали толкова емблематичен феномен, че се идентифицират с края на света и неизбежната смърт. Те се страхуват и мразят, но в същото време са идолизирани и боготворени от неизвестното, което тези странни фрагменти от Вселената крият в себе си. Съгласете се, да бъдеш погълнат от черна дупка е толкова романтично нещо. С тяхна помощ е възможно, а и те могат да ни станат водачи в.
Жълтата преса често спекулира с популярността на черните дупки. Намирането на заглавия във вестниците, свързани с края на света поради пореден сблъсък със свръхмасивна черна дупка, не е проблем. Много по-лошото е, че неграмотната част от населението приема всичко на сериозно и всява истинска паника. За да внесем малко яснота, ще предприемем пътуване до произхода на откриването на черните дупки и ще се опитаме да разберем какво представляват те и как да ги лекуваме.
Невидими звезди
Случва се така, че съвременните физици описват структурата на нашата Вселена, използвайки теорията на относителността, която Айнщайн внимателно предоставя на човечеството в началото на 20 век. Черните дупки стават още по-мистериозни, на хоризонта на събитията, на който всички известни закони на физиката, включително теорията на Айнщайн, престават да важат. Не е ли това прекрасно? Освен това предположението за съществуването на черни дупки е изказано много преди да се роди самият Айнщайн.
През 1783 г. има значително увеличение на научната дейност в Англия. В онези дни науката вървеше рамо до рамо с религията, те се разбираха добре и учените вече не бяха смятани за еретици. Освен това свещениците са се занимавали с научни изследвания. Един от тези Божии служители беше английският пастор Джон Мишел, който се чудеше не само върху въпроси на съществуването, но и върху напълно научни проблеми. Мишел беше много титулуван учен: първоначално той беше учител по математика и древна лингвистика в един от колежите, а след това беше приет в Кралското общество на Лондон за редица открития.
Джон Мишел учи сеизмология, но в свободното си време обича да мисли за вечното и космоса. Така той стигна до идеята, че някъде в дълбините на Вселената може да има свръхмасивни тела с толкова мощна гравитация, че за да се преодолее гравитационната сила на такова тяло, е необходимо да се движи със скорост, равна или по-висока от скоростта на светлината. Ако приемем такава теория за вярна, тогава дори светлината няма да може да развие втора космическа скорост (скоростта, необходима за преодоляване на гравитационното привличане на напускащото тяло), така че такова тяло ще остане невидимо за невъоръжено око.
Мишел нарече новата си теория „тъмни звезди“ и в същото време се опита да изчисли масата на такива обекти. Той изрази мислите си по този въпрос в отворено писмо до Кралското общество в Лондон. За съжаление, в онези дни подобни изследвания не бяха от особена стойност за науката, така че писмото на Мишел беше изпратено в архива. Само двеста години по-късно, през втората половина на 20 век, той е открит сред хиляди други записи, грижливо съхранявани в древната библиотека.
Първите научни доказателства за съществуването на черни дупки
След публикуването на Общата теория на относителността на Айнщайн, математиците и физиците сериозно се заели с решаването на уравненията, представени от немския учен, които трябвало да ни кажат много нови неща за структурата на Вселената. Германският астроном и физик Карл Шварцшилд решава да направи същото през 1916 г.
Ученият, използвайки своите изчисления, стигна до извода, че съществуването на черни дупки е възможно. Той беше и първият, който описа това, което по-късно беше наречено романтичната фраза "хоризонт на събитията" - въображаемата граница на пространство-времето в черна дупка, след преминаването на която има точка без връщане. Нищо няма да избяга от хоризонта на събитията, дори светлината. Отвъд хоризонта на събитията възниква така наречената „сингулярност“, където известните ни закони на физиката престават да важат.
Продължавайки да развива своята теория и да решава уравнения, Шварцшилд открива нови тайни на черните дупки за себе си и за света. Така той успява само на хартия да изчисли разстоянието от центъра на черната дупка, където е концентрирана нейната маса, до хоризонта на събитията. Шварцшилд нарича това разстояние гравитационен радиус.
Въпреки факта, че математически решенията на Шварцшилд са изключително правилни и не могат да бъдат опровергани, научната общност от началото на 20-ти век не може веднага да приеме такова шокиращо откритие и съществуването на черни дупки е отписано като фантазия, която се появява на всеки от време на време в теорията на относителността. През следващото десетилетие и половина изследването на космоса за наличието на черни дупки беше бавно и само няколко привърженици на теорията на немския физик бяха ангажирани с него.
Звезди, раждащи мрак
След като уравненията на Айнщайн бяха сортирани на части, беше време да използваме направените заключения, за да разберем структурата на Вселената. По-специално в теорията за еволюцията на звездите. Не е тайна, че в нашия свят нищо не е вечно. Дори звездите имат свой жизнен цикъл, макар и по-дълъг от човек.
Един от първите учени, които сериозно се интересуват от еволюцията на звездите, е младият астрофизик Субраманян Чандрасекар, родом от Индия. През 1930 г. той публикува научна статия, която описва предполагаемото вътрешна структуразвезди, както и техните жизнени цикли.
Още в началото на 20-ти век учените се досещат за такова явление като гравитационно свиване (гравитационен колапс). В определен момент от живота си една звезда започва да се свива с огромна скорост под въздействието на гравитационните сили. По правило това се случва в момента на смъртта на звезда, но по време на гравитационен колапс има няколко начина за продължаване на съществуването на гореща топка.
Научният съветник на Чандрасекар, Ралф Фаулър, уважаван физик-теоретик по онова време, приема, че по време на гравитационен колапс всяка звезда се превръща в по-малка и по-гореща - бяло джудже. Но се оказа, че ученикът „счупи“ теорията на учителя, която се споделяше от повечето физици в началото на миналия век. Според работата на млад индиец, смъртта на звезда зависи от нейната първоначална маса. Например само онези звезди, чиято маса не надвишава 1,44 пъти масата на Слънцето, могат да станат бели джуджета. Това число се нарича границата на Чандрасекар. Ако масата на звездата надхвърли тази граница, тогава тя умира по съвсем различен начин. При определени условия такава звезда в момента на смъртта може да се прероди в нова, неутронна звезда - друга мистерия на съвременната Вселена. Теорията на относителността ни казва още един вариант - компресиране на звездата до свръхмалки стойности и тук започва забавлението.
През 1932 г. в едно от научните списания се появява статия, в която брилянтният физик от СССР Лев Ландау предполага, че по време на колапс свръхмасивна звезда се компресира в точка с безкрайно малък радиус и безкрайна маса. Въпреки факта, че подобно събитие е много трудно да си представим от гледна точка на неподготвен човек, Ландау не беше далеч от истината. Физикът също предположи, че според теорията на относителността гравитацията в такава точка ще бъде толкова голяма, че ще започне да изкривява пространство-времето.
Астрофизиците харесаха теорията на Ландау и продължиха да я развиват. През 1939 г. в Америка, благодарение на усилията на двама физици - Робърт Опенхаймер и Хартланд Снайдер, се появява теория, която подробно описва свръхмасивна звезда в момента на колапс. В резултат на такова събитие трябваше да се появи истинска черна дупка. Въпреки убедителността на аргументите, учените продължиха да отричат възможността за съществуването на такива тела, както и за превръщането на звездите в тях. Дори Айнщайн се дистанцира от тази идея, смятайки, че една звезда не е способна на такива феноменални трансформации. Други физици не спестиха изявленията си, наричайки възможността за подобни събития абсурдна.
Науката обаче винаги стига до истината, просто трябва да изчакате малко. Така и стана.
Най-ярките обекти във Вселената
Нашият свят е колекция от парадокси. Понякога в него съжителстват неща, чието съжителство противоречи на всякаква логика. Например терминът „черна дупка“ не би бил свързан от нормален човек с израза „невероятно ярка“, но откритие в началото на 60-те години на миналия век позволи на учените да смятат това твърдение за неправилно.
С помощта на телескопи астрофизиците успяха да открият непознати досега обекти в звездното небе, които се държаха много странно въпреки факта, че изглеждаха като обикновени звезди. Докато изучаваше тези странни светила, американският учен Мартин Шмид обърна внимание на тяхната спектрография, данните от която показаха различни резултати от сканирането на други звезди. Просто казано, тези звезди не бяха като другите, с които сме свикнали.
Изведнъж на Шмид му просветна и той забеляза изместване на спектъра в червения диапазон. Оказа се, че тези обекти са много по-далеч от нас, отколкото звездите, които сме свикнали да наблюдаваме в небето. Например обектът, наблюдаван от Шмид, се намираше на два и половина милиарда светлинни години от нашата планета, но светеше толкова ярко, колкото звезда на стотина светлинни години от нас. Оказва се, че светлината от един такъв обект е сравнима с яркостта на цяла галактика. Това откритие беше истински пробив в астрофизиката. Ученият нарече тези обекти „квазизвездни“ или просто „квазари“.
Мартин Шмид продължи да изучава нови обекти и установи, че такова ярко сияние може да бъде причинено само от една причина - акреция. Акрецията е процес на абсорбиране на заобикалящата материя от свръхмасивно тяло с помощта на гравитацията. Ученият стигнал до извода, че в центъра на квазарите има огромна черна дупка, която с невероятна сила вкарва заобикалящата я материя в космоса. Докато дупката абсорбира материята, частиците се ускоряват до огромни скорости и започват да светят. Един вид светлинен купол около черна дупка се нарича акреционен диск. Визуализацията му беше добре демонстрирана във филма на Кристофър Нолан „Интерстелар“, който породи много въпроси: „как черна дупка може да свети?“
Към днешна дата учените вече са открили хиляди квазари в звездното небе. Тези странни, невероятно ярки обекти се наричат фарове на Вселената. Те ни позволяват да си представим структурата на космоса малко по-добре и да се доближим до момента, от който всичко започна.
Въпреки че астрофизиците са получавали косвени доказателства в продължение на много години за съществуването на свръхмасивни невидими обекти във Вселената, терминът "черна дупка" не съществува до 1967 г. За да избегне сложни имена, американският физик Джон Арчибалд Уилър предложи да наричаме такива обекти „черни дупки“. Защо не? Донякъде са черни, защото не ги виждаме. Освен това те привличат всичко, можете да паднете в тях, като в истинска дупка. И според съвременните закони на физиката е просто невъзможно да се излезе от такова място. Стивън Хокинг обаче твърди, че когато пътувате през черна дупка, можете да стигнете до друга Вселена, друг свят и това е надеждата.
Страх от безкрайността
Поради прекомерната мистерия и романтизация на черните дупки, тези обекти се превърнаха в истинска история на ужасите сред хората. Жълтата преса обича да спекулира с неграмотността на населението, публикувайки невероятни истории за това как огромна черна дупка се движи към нашата Земя, която след броени часове ще погълне слънчева система, или просто излъчва вълни от токсичен газ към нашата планета.
Особено популярна е темата за унищожаването на планетата с помощта на Големия адронен колайдер, който беше построен в Европа през 2006 г. на територията на Европейския съвет за ядрени изследвания (CERN). Вълната от паника започна като нечия глупава шега, но се разрасна като снежна топка. Някой пусна слух, че в ускорителя на частици на колайдера може да се образува черна дупка, която да погълне изцяло нашата планета. Разбира се, възмутените хора започнаха да искат забрана на експериментите в LHC, страхувайки се от този изход от събитията. IN Европейски съдзапочнаха да пристигат съдебни дела с искане колайдерът да бъде затворен и учените, които са го създали, наказани с пълната строгост на закона.
Всъщност физиците не отричат, че когато частиците се сблъскат в Големия адронен колайдер, могат да възникнат обекти, подобни по свойства на черните дупки, но техният размер е на нивото на размера на елементарните частици и такива „дупки“ съществуват за такива кратко време, в което дори не можем да запишем появата им.
Един от основните експерти, които се опитват да разсеят вълната от невежество пред хората, е Стивън Хокинг, известен физик теоретик, който освен това се смята за истински „гуру“ по отношение на черните дупки. Хокинг доказа, че черните дупки не винаги поглъщат светлината, която се появява в акреционните дискове, и част от нея се разпръсква в космоса. Това явление беше наречено радиация на Хокинг или изпаряване на черна дупка. Хокинг също установи връзка между размера на черна дупка и скоростта на нейното „изпарение“ - колкото по-малка е тя, толкова по-малко време съществува. Това означава, че всички противници на Големия адронен колайдер не трябва да се тревожат: черните дупки в него няма да могат да оцелеят дори една милионна от секундата.
Теорията не е доказана на практика
За съжаление човешката технология на този етап на развитие не ни позволява да тестваме повечето теории, разработени от астрофизици и други учени. От една страна, съществуването на черни дупки е доста убедително доказано на хартия и изведено с помощта на формули, в които всичко пасва на всяка променлива. От друга страна, на практика все още не сме успели да видим истинска черна дупка със собствените си очи.
Въпреки всички разногласия, физиците предполагат, че в центъра на всяка галактика има свръхмасивна черна дупка, която събира звездите в клъстери със своята гравитация и ги принуждава да пътуват из Вселената в голяма и приятелска компания. В нашата галактика Млечен път, според различни оценки, има от 200 до 400 милиарда звезди. Всички тези звезди обикалят около нещо, което има огромна маса, нещо, което не можем да видим с телескоп. Най-вероятно е черна дупка. Трябва ли да се страхуваме от нея? – Не, поне не през следващите няколко милиарда години, но можем да направим друг интересен филм за това.
>Помислете за мистериозното и невидимото черни дупкивъв Вселената: Интересни факти, изследване на Айнщайн, свръхмасивни и междинни видове, теория, структура.
- един от най-интересните и мистериозни обекти в космоса. Те имат висока плътност, а гравитационната сила е толкова мощна, че дори светлината не може да излезе извън нейните граници.
Алберт Айнщайн за първи път говори за черни дупки през 1916 г., когато създава общата теория на относителността. Самият термин възниква през 1967 г. благодарение на Джон Уилър. А първата черна дупка е „видяна“ през 1971 г.
Класификацията на черните дупки включва три вида: черни дупки със звездна маса, свръхмасивни черни дупки и черни дупки със средна маса. Не пропускайте да гледате видеото за черните дупки, за да научите много интересни факти и да опознаете по-добре тези мистериозни космически образувания.
Интересни факти за черните дупки
- Ако се окажете в черна дупка, гравитацията ще ви разтегне. Но няма защо да се страхувате, защото ще умрете, преди да стигнете до сингулярността. Проучване от 2012 г. предполага, че квантовите ефекти превръщат хоризонта на събитията в огнена стена, която ви превръща в купчина пепел.
- Черните дупки не "смучат". Този процес се причинява от вакуум, който не присъства в тази формация. Така че материалът просто пада.
- Първата черна дупка беше Cygnus X-1, открита от ракети с броячи на Гайгер. През 1971 г. учените получават радиосигнал от Cygnus X-1. Този обект стана предмет на спор между Кип Торн и Стивън Хокинг. Последният смята, че това не е черна дупка. През 1990 г. той призна победата си.
- Малки черни дупки може да са се появили веднага след Големия взрив. Бързо въртящото се пространство компресира някои области в плътни дупки, по-малко масивни от Слънцето.
- Ако звездата се приближи твърде много, тя може да бъде разкъсана.
- Обикновено се смята, че има до един милиард звездни черни дупки с три пъти по-голяма маса от Слънцето.
- Ако сравним струнната теория и класическата механика, първата поражда повече разновидности на масивни гиганти.
Опасността от черни дупки
Когато звездата изчерпи горивото си, тя може да започне процес на самоунищожение. Ако масата му е три пъти по-голяма от тази на Слънцето, тогава останалото ядро ще се превърне в неутронна звезда или бяло джудже. Но по-голямата звезда се трансформира в черна дупка.
Такива обекти са малки, но имат невероятна плътност. Представете си, че пред вас е обект с размерите на град, но масата му е три пъти по-голяма от тази на Слънцето. Това създава невероятно огромна гравитационна сила, която привлича прах и газ, увеличавайки размера си. Ще се изненадате, но може да има няколкостотин милиона звездни черни дупки.
Супермасивни черни дупки
Разбира се, нищо във Вселената не може да се сравни с удивителните свръхмасивни черни дупки. Те превишават слънчевата маса милиарди пъти. Смята се, че подобни обекти съществуват в почти всяка галактика. Учените все още не знаят всички тънкости на процеса на формиране. Най-вероятно те растат поради натрупването на маса от околния прах и газ.
Те може да дължат своя мащаб на сливането на хиляди малки черни дупки. Или цял звезден куп може да се разпадне.
Черни дупки в центровете на галактиките
Астрофизикът Олга Силченко за откриването на свръхмасивна черна дупка в мъглявината Андромеда, изследванията на Джон Корменди и тъмните гравитиращи тела:
Природата на космическите радиоизточници
Астрофизикът Анатолий Засов за синхротронното лъчение, черните дупки в ядрата на далечни галактики и неутралния газ:
Междинни черни дупки
Неотдавна учените откриха нов тип - черни дупки със средна маса. Те могат да се образуват, когато звезди в клъстер се сблъскат, причинявайки верижна реакция. В резултат на това те попадат в центъра и образуват свръхмасивна черна дупка.
През 2014 г. астрономите откриха междинен тип в ръкава на спирална галактика. Те са много трудни за намиране, защото могат да бъдат разположени на непредвидими места.
Микро черни дупки
Физикът Едуард Боос за безопасността на LHC, раждането на микрочерна дупка и концепцията за мембрана:
Теория за черните дупки
Черните дупки са изключително масивни обекти, но обхващат относително скромно пространство. Освен това те имат огромна гравитация, която не позволява на предмети (и дори светлина) да напуснат територията им. Невъзможно е обаче да ги видите директно. Изследователите трябва да разгледат радиацията, произведена, когато черна дупка се храни.
Интересното е, че се случва материята, която се насочва към черна дупка, да отскочи от хоризонта на събитията и да бъде изхвърлена. В този случай се образуват ярки струи материал, движещи се с релативистични скорости. Тези емисии могат да бъдат открити на големи разстояния.
- удивителни обекти, в които силата на гравитацията е толкова огромна, че може да огъне светлината, да изкриви пространството и да изкриви времето.
В черните дупки могат да се разграничат три слоя: външен и вътрешен хоризонт на събитията и сингулярността.
Хоризонтът на събитията на черна дупка е границата, където светлината няма шанс да избяга. След като частица пресече тази линия, тя няма да може да напусне. Вътрешната област, където се намира масата на черна дупка, се нарича сингулярност.
Ако говорим от позицията на класическата механика, тогава нищо не може да остави черна дупка. Но квантът прави своя собствена корекция. Факт е, че всяка частица има античастица. Те имат еднакви маси, но различни заряди. Ако се пресекат, те могат да се унищожат взаимно.
Когато такава двойка се появи извън хоризонта на събитията, единият от тях може да бъде привлечен, а другият може да бъде отблъснат. Поради това хоризонтът може да се свие и черната дупка да се срути. Учените все още се опитват да проучат този механизъм.
Натрупване
Астрофизикът Сергей Попов за свръхмасивните черни дупки, формирането на планети и натрупването на материя в ранната Вселена:
Най-известните черни дупки
Често задавани въпроси за черните дупки
По-обемно, черна дупка е определена област в космоса, в която е концентрирано такова огромно количество маса, че нито един обект не може да избяга от гравитационното влияние. Когато става въпрос за гравитацията, ние разчитаме на общата теория на относителността, предложена от Алберт Айнщайн. За да разберем детайлите на обекта, който се изследва, ще се движим стъпка по стъпка.
Нека си представим, че сте на повърхността на планетата и хвърляте камък. Ако нямате силата на Хълк, няма да можете да упражните достатъчно сила. Тогава камъкът ще се издигне до определена височина, но под натиска на гравитацията ще падне обратно. Ако имате скрития потенциал на зелен силен човек, тогава можете да дадете на обекта достатъчно ускорение, благодарение на което той напълно ще напусне зоната на гравитационно влияние. Това се нарича "скорост на бягство".
Ако го разделим на формула, тази скорост зависи от планетарната маса. Колкото по-голям е той, толкова по-мощен е гравитационният захват. Скоростта на тръгване ще зависи от това къде точно се намирате: колкото по-близо до центъра, толкова по-лесно е да излезете. Скоростта на излитане на нашата планета е 11,2 km/s, но е 2,4 km/s.
Наближаваме най-интересното. Да приемем, че имате обект с невероятна концентрация на маса, събрана на малко място. В този случай скоростта на бягство надвишава скоростта на светлината. И знаем, че нищо не се движи по-бързо от този индикатор, което означава, че никой няма да може да преодолее такава сила и да избяга. Дори светлинен лъч не може да направи това!
Още през 18-ти век Лаплас размишлява върху екстремната концентрация на маса. Следвайки общата теория на относителността, Карл Шварцшилд успя да намери математическо решение на уравнението на теорията, за да опише такъв обект. Допълнителни приноси са направени от Oppenheimer, Wolkoff и Snyder (1930). От този момент нататък хората започнаха сериозно да обсъждат тази тема. Стана ясно: когато на масивна звезда свърши горивото, тя не е в състояние да издържи на силата на гравитацията и е длъжна да колабира в черна дупка.
В теорията на Айнщайн гравитацията е проява на кривина в пространството и времето. Факт е, че тук обичайните геометрични правила не работят и масивните обекти изкривяват пространство-времето. Черната дупка има странни свойства, така че нейното изкривяване е най-ясно видимо. Например, даден обект има „хоризонт на събитията“. Това е повърхността на сферата, маркираща линията на отвора. Тоест, прекрачиш ли тази граница, няма връщане назад.
Буквално, това е мястото, където скоростта на бягство е равна на скоростта на светлината. Извън това място скоростта на бягство е по-ниска от скоростта на светлината. Но ако вашата ракета може да се ускори, тогава ще има достатъчно енергия, за да избяга.
Самият хоризонт е доста странен като геометрия. Ако сте далеч, ще се почувствате сякаш гледате статична повърхност. Но ако се приближите, разбирате, че се движи навън със скоростта на светлината! Сега разбирам защо е лесно да влезеш, но толкова трудно да избягаш. Да, това е много объркващо, защото всъщност хоризонтът стои неподвижен, но в същото време се втурва със скоростта на светлината. Това е като ситуацията с Алис, която трябваше да бяга възможно най-бързо, за да остане на място.
Когато се докоснат до хоризонта, пространството и времето изпитват толкова силно изкривяване, че координатите започват да описват ролите на радиалното разстояние и времето за превключване. Тоест "r", маркиращо разстоянието от центъра, става временно, а "t" вече отговаря за "пространствеността". В резултат на това няма да можете да спрете да се движите с по-нисък индекс на r, точно както няма да можете да влезете в бъдещето в нормално време. Ще стигнете до сингулярност, където r = 0. Можете да хвърляте ракети, да пуснете двигателя на максимум, но не можете да избягате.
Терминът "черна дупка" е въведен от Джон Арчибалд Уилър. Преди това ги наричаха „охладени звезди“.
Физикът Емил Ахмедов за изследването на черните дупки, Карл Шварцшилд и гигантските черни дупки:
Има два начина да се изчисли колко голямо е нещо. Можете да посочите масата или колко голяма площ заема. Ако вземем първия критерий, тогава няма конкретно ограничение за масивността на черна дупка. Можете да използвате произволно количество, стига да можете да го компресирате до необходимата плътност.
Повечето от тези образувания са се появили след смъртта на масивни звезди, така че може да се очаква, че теглото им трябва да е еквивалентно. Типичната маса за такава дупка би била 10 пъти по-голяма от тази на слънцето - 10 31 кг. Освен това всяка галактика трябва да е дом на централна супермасивна черна дупка, чиято маса превишава слънчевата милион пъти - 10 36 кг.
Колкото по-масивен е обектът, толкова по-голяма маса покрива. Радиусът и масата на хоризонта са правопропорционални, т.е. ако една черна дупка тежи 10 пъти повече от друга, тогава нейният радиус е 10 пъти по-голям. Радиусът на дупка със слънчева масивност е 3 км, а ако е милион пъти по-голям, тогава 3 милиона км. Това изглеждат невероятно масивни неща. Но нека не забравяме, че това са стандартни концепции за астрономията. Слънчевият радиус достига 700 000 км, а този на черна дупка е 4 пъти по-голям.
Да кажем, че нямате късмет и вашият кораб неумолимо се движи към свръхмасивна черна дупка. Няма смисъл да се караме. Просто изключвате двигателите и се насочвате към неизбежното. Какво да очаквам?
Да започнем с безтегловността. Вие сте в свободно падане, така че екипажът, корабът и всички части са в безтегловност. Колкото повече се приближавате до центъра на дупката, толкова по-силни са приливните гравитационни сили. Например краката ви са по-близо до центъра от главата. Тогава започвате да усещате, че ви разтягат. В резултат на това просто ще бъдете разкъсани.
Тези сили са незабележими, докато не стигнете до 600 000 км от центъра. Това вече е след хоризонта. Но ние говорим за огромен обект. Ако попаднеш в дупка с масата на слънцето, тогава приливните сили ще те погълнат на 6000 км от центъра и ще те разкъсат преди да стигнеш хоризонта (затова те пращаме в голямата, за да умреш вече вътре в дупката, а не на подхода) .
Какво има вътре? Не искам да разочаровам, но нищо забележително. Някои обекти може да имат изкривен външен вид и нищо друго необичайно. Дори след като прекосите хоризонта, ще видите нещата около вас, докато се движат с вас.
Колко време ще отнеме всичко това? Всичко зависи от вашето разстояние. Например, започнахте от точка на покой, където сингулярността е 10 пъти радиуса на дупката. Ще отнеме само 8 минути, за да се приближи до хоризонта, а след това още 7 секунди, за да влезе в сингулярността. Ако попаднете в малка черна дупка, всичко ще се случи по-бързо.
Веднага щом пресечете хоризонта, можете да стреляте с ракети, да крещите и да плачете. Имате 7 секунди да направите всичко това, докато навлезете в сингулярността. Но нищо няма да ви спаси. Така че просто се наслаждавайте на пътуването.
Да кажем, че сте обречени и падате в дупка, а гаджето ви гледа отдалеч. Е, той ще види нещата по друг начин. Ще забележите, че забавяте скоростта си, когато се приближите до хоризонта. Но човек и сто години да седи, няма да дочака да стигнеш до хоризонта.
Нека се опитаме да обясним. Черната дупка може да се е появила от колабираща звезда. Тъй като материалът е унищожен, Кирил (нека ви бъде приятел) го вижда да намалява, но никога няма да забележи приближаването му към хоризонта. Ето защо те бяха наречени "замръзнали звезди", защото изглежда, че замръзват на определен радиус.
Какъв е проблема? Нека го наречем оптична илюзия. Безкрайността не е необходима, за да се образува дупка, както не е необходимо да се пресече хоризонтът. Докато се приближавате, светлината отнема повече време, за да достигне до Кирил. По-точно, радиацията в реално време от вашия преход ще бъде записана на хоризонта завинаги. Отдавна сте прекрачили линията, а Кирил все още наблюдава светлинния сигнал.
Или можете да се приближите от другата страна. Времето се влачи по-дълго близо до хоризонта. Например, имате супермощен кораб. Успяхте да се доближите до хоризонта, да останете там няколко минути и да излезете живи от Кирил. Кого ще видите? Старец! В края на краищата времето тече много по-бавно за вас.
Какво е вярно тогава? Илюзия или игра на времето? Всичко зависи от координатната система, използвана за описание на черната дупка. Ако разчитате на координатите на Шварцшилд, тогава при пресичане на хоризонта времевата координата (t) е равна на безкрайност. Но показателите на системата предоставят замъглена представа за случващото се в близост до самия обект. На линията на хоризонта всички координати са изкривени (сингулярност). Но можете да използвате и двете координатни системи, така че двата отговора са валидни.
В действителност вие просто ще станете невидими и Кирил ще спре да ви вижда, преди да е минало много време. Не забравяйте за червеното отместване. Вие излъчвате видима светлина с определена дължина на вълната, но Кирил ще я види с по-голяма. Вълните се удължават, когато се приближат до хоризонта. Освен това не забравяйте, че радиацията възниква в определени фотони.
Например, в момента на преход ще изпратите последния фотон. Той ще достигне Кирил в определено крайно време (около час за свръхмасивна черна дупка).
Разбира се, че не. Не забравяйте за съществуването на хоризонта на събитията. Това е единствената зона, от която не можете да излезете. Достатъчно е просто да не я доближавате и да се чувствате спокойни. Освен това от безопасно разстояние този обект ще ви изглежда много обикновен.
Информационният парадокс на Хокинг
Физикът Емил Ахмедов за ефекта на гравитацията върху електромагнитните вълни, информационния парадокс на черните дупки и принципа на предсказуемостта в науката:
Не се паникьосвайте, тъй като Слънцето никога няма да се превърне в такъв обект, защото просто няма достатъчно маса. Освен това ще запази тока си външен видоще 5 милиарда години. След това ще премине към етапа на червения гигант, поглъщайки Меркурий, Венера и напълно изпържвайки нашата планета, а след това ще се превърне в обикновено бяло джудже.
Но нека се отдадем на фантазията. Така Слънцето се превърна в черна дупка. Като начало веднага ще бъдем обгърнати от мрак и студ. Земята и другите планети няма да бъдат засмукани в дупката. Те ще продължат да обикалят новия обект в нормални орбити. Защо? Защото хоризонтът ще достига само 3 км, а гравитацията няма да може да ни направи нищо.
да Естествено, не можем да разчитаме на видимо наблюдение, тъй като светлината не може да избяга. Но има косвени доказателства. Например виждате област, която може да съдържа черна дупка. Как мога да проверя това? Започнете с измерване на масата. Ако е ясно, че в една област има твърде много от него или е привидно невидим, значи сте на прав път. Има две точки за търсене: галактическият център и двойните системи с рентгеново лъчение.
Така в 8 галактики са открити масивни централни обекти, чиято ядрена маса варира от един милион до милиард слънчеви. Масата се изчислява чрез наблюдение на скоростта на въртене на звездите и газа около центъра. Колкото по-бързо, толкова по-голяма трябва да бъде масата, за да ги задържи в орбита.
Тези масивни обекти се считат за черни дупки по две причини. Е, просто няма повече опции. Няма нищо по-масивно, по-тъмно и по-компактно. Освен това има теория, че всички активни и големи галактики имат такова чудовище, което се крие в центъра. Но все пак това не е 100% доказателство.
Но две скорошни открития говорят в полза на теорията. В най-близката активна галактика е забелязана система „воден мазер“ (мощен източник на микровълново лъчение) в близост до ядрото. С помощта на интерферометър учените картографираха разпределението на скоростите на газа. Тоест те измерват скоростта в рамките на половин светлинна година в галактическия център. Това им помогна да разберат, че вътре има масивен обект, чийто радиус достига половин светлинна година.
Втората находка е още по-убедителна. Изследователи, използващи рентгенови лъчи, се натъкнаха на спектрална линия на галактическото ядро, което показва наличието на атоми наблизо, чиято скорост е невероятно висока (1/3 от скоростта на светлината). В допълнение, излъчването съответства на червено отместване, което съответства на хоризонта на черната дупка.
Друг клас може да се намери в Млечния път. Това са звездни черни дупки, които се образуват след експлозия на свръхнова. Ако съществуваха поотделно, тогава дори отблизо едва ли бихме го забелязали. Но имаме късмет, защото повечето съществуват в двойни системи. Те са лесни за намиране, тъй като черната дупка ще издърпа масата на съседа си и ще й повлияе с гравитацията. „Изваденият“ материал образува акреционен диск, в който всичко се нагрява и следователно създава силно излъчване.
Да приемем, че сте успели да намерите двоична система. Как разбирате, че компактен обект е черна дупка? Отново се обръщаме към масите. За да направите това, измерете орбиталната скорост на близка звезда. Ако масата е невероятно голяма с толкова малки размери, тогава няма повече опции.
Това е сложен механизъм. Стивън Хокинг повдигна подобна тема още през 70-те години. Той каза, че черните дупки всъщност не са „черни“. Има квантово-механични ефекти, които го карат да създава радиация. Постепенно дупката започва да намалява. Скоростта на излъчване се увеличава с намаляване на масата, така че дупката излъчва все повече и повече и ускорява процеса на свиване, докато се разтвори.
Това обаче е само теоретична схема, защото никой не може да каже какво точно се случва на последния етап. Някои смятат, че остава малка, но стабилна следа. Съвременните теории все още не са измислили нищо по-добро. Но самият процес е невероятен и сложен. Необходимо е да се изчислят параметри в изкривено пространство-време, а самите резултати не могат да бъдат проверени при нормални условия.
Законът за запазване на енергията може да се използва тук, но само за кратко време. Вселената може да създаде енергия и маса от нулата, но те трябва бързо да изчезнат. Едно от проявленията са вакуумните флуктуации. Двойки частици и античастици израстват от нищото, съществуват за определен кратък период от време и умират при взаимно унищожение. Когато се появят, енергийният баланс се нарушава, но след изчезването всичко се възстановява. Изглежда фантастично, но този механизъм е потвърден експериментално.
Да кажем, че една от вакуумните флуктуации действа близо до хоризонта на черна дупка. Може би една от частиците пада, а втората бяга. Тази, която избяга, отнема част от енергията на дупката със себе си и може да попадне в очите на наблюдателя. Ще му се струва, че тъмен обект просто е изпуснал частица. Но процесът се повтаря и ние виждаме непрекъснат поток от радиация от черната дупка.
Вече казахме, че Кирил има чувството, че имаш нужда от безкрайност, за да прекрачиш линията на хоризонта. Освен това беше споменато, че черните дупки се изпаряват след краен период от време. Значи, когато стигнете до хоризонта, дупката ще изчезне?
Не. Когато описвахме наблюденията на Кирил, не говорихме за процеса на изпаряване. Но ако този процес е налице, тогава всичко се променя. Вашият приятел ще ви види да летите през хоризонта в точния момент на изпаряване. Защо?
Управлява Кирил оптична илюзия. Излъчваната светлина в хоризонта на събитията отнема много време, за да достигне своя приятел. Ако дупката трае вечно, тогава светлината може да пътува безкрайно и Кирил няма да чака прехода. Но ако дупката се е изпарила, тогава нищо няма да спре светлината и тя ще достигне до човека в момента на експлозията на радиация. Но вече не ти пука, защото си умрял в сингулярността отдавна.
Във формулите на общата теория на относителността има интересна функция– симетрия във времето. Например във всяко уравнение можете да си представите, че времето тече назад и да получите различно, но все пак правилно решение. Ако приложим този принцип към черните дупки, тогава се ражда бяла дупка.
Черната дупка е определена област, от която нищо не може да избяга. Но вторият вариант е бяла дупка, в която нищо не може да падне. Всъщност тя отблъсква всичко. Въпреки че от математическа гледна точка всичко изглежда гладко, това не доказва съществуването им в природата. Най-вероятно няма такива и няма как да разберем.
До този момент говорихме за класиката на черните дупки. Не се въртят и са лишени електрически заряд. Но в обратната версия започва най-интересното. Например, можете да влезете вътре, но избягвате сингулярността. Освен това неговата „вътрешност“ е в състояние да влезе в контакт с бяла дупка. Тоест ще се озовете в нещо като тунел, където черната дупка е входът, а бялата дупка е изходът. Тази комбинация се нарича червеева дупка.
Интересното е, че бяла дупка може да се намира навсякъде, дори в друга Вселена. Ако знаем как да контролираме такива червееви дупки, тогава ще осигурим бърз транспорт до всяка област на космоса. И още по-готина е възможността за пътуване във времето.
Но не стягайте раницата си, докато не разберете няколко неща. За съжаление, има голяма вероятност да няма такива образувания. Вече казахме, че белите дупки са извод от математически формули, а не реален и потвърден обект. И всички наблюдавани черни дупки създават падаща материя и не образуват червееви дупки. И крайната спирка е сингулярността.
Но дори на истинската червеева дупка й липсва стабилност. Малко прекъсване (като вашето пътуване) може да доведе до колапс. не ми вярваш Тогава какво да кажем за сигурността? Стабилната червеева дупка няма да ви осигури удобно движение. Излъчването вътре в него (реликтово лъчение, звездно лъчение и др.) остава в синхрон при високи честоти. Влизането на такова място е доброволно съгласие да бъдеш изпържен.
Наблюдателни прояви на черни дупки и червееви дупки
Астрофизикът Александър Шацки за изображението на Фурие, интерферометъра Radioastron и обекти с нетривиална топология:
С. ТРЪНКОВСКИ
Сред най-важните и интересни проблеми на съвременната физика и астрофизика академик В. Л. Гинзбург посочи проблемите, свързани с черните дупки (виж „Наука и живот” № 11, 12, 1999 г.). Съществуването на тези странни обекти е предсказано преди повече от двеста години, условията, довели до тяхното образуване, са прецизно изчислени в края на 30-те години на 20 век, а астрофизиката започва да ги изучава сериозно преди по-малко от четиридесет години. Днес научните списания по света публикуват всяка година хиляди статии за черните дупки.
Образуването на черна дупка може да се случи по три начина.
Така е обичайно да се изобразяват процеси, протичащи в близост до колабираща черна дупка. С течение на времето (Y), пространството (X) около него (сенчестата област) се свива, бързайки към сингулярността.
Гравитационното поле на черна дупка внася сериозни изкривявания в геометрията на пространството.
Черна дупка, невидима през телескоп, се разкрива само чрез гравитационното си влияние.
В мощното гравитационно поле на черна дупка се раждат двойки частица-античастица.
Раждането на двойка частица-античастица в лабораторията.
КАК ВЪЗНИКВАТ
Едно светещо небесно тяло, което има плътност, равна на тази на Земята, и диаметър двеста и петдесет пъти по-голям от диаметъра на Слънцето, поради силата на своята гравитация, няма да позволи светлината му да достигне до нас. Така е възможно най-големите светещи тела във Вселената да останат невидими именно поради размера си.
Пиер Симон Лаплас.
Изложение на световната система. 1796 г
През 1783 г. английският математик Джон Мичъл, а тринадесет години по-късно, независимо от него, френският астроном и математик Пиер Симон Лаплас, провеждат много странно изследване. Те разгледаха условията, при които светлината не би могла да избяга от звездата.
Логиката на учените била проста. За всеки астрономически обект (планета или звезда) е възможно да се изчисли така наречената скорост на бягство или втората космическа скорост, която позволява на всяко тяло или частица да го напусне завинаги. А във физиката от онова време господствала теорията на Нютон, според която светлината е поток от частици (теорията за електромагнитните вълни и кванти оставаше почти сто и петдесет години). Скоростта на бягство на частиците може да се изчисли въз основа на равенството на потенциалната енергия на повърхността на планетата и кинетичната енергия на тяло, което е „избягало“ на безкрайно голямо разстояние. Тази скорост се определя по формулата #1#
Където М- масата на космическия обект, Р- неговият радиус, Ж- гравитационна константа.
От това можем лесно да получим радиуса на тяло с дадена маса (по-късно наречен "гравитационен радиус" r g"), при която скоростта на бягство е равна на скоростта на светлината:
Това означава, че една звезда е компресирана в сфера с радиус rж< 2GM/° С 2 ще спре да излъчва - светлината няма да може да го напусне. Във Вселената ще се появи черна дупка.
Лесно е да се изчисли, че Слънцето (неговата маса е 2,1033 g) ще се превърне в черна дупка, ако се свие до радиус от приблизително 3 километра. Плътността на веществото му ще достигне 10 16 g/cm 3 . Радиусът на Земята, компресирана в черна дупка, би намалял до около един сантиметър.
Изглеждаше невероятно, че в природата може да има сили, способни да компресират звезда до толкова незначителен размер. Следователно изводите от трудовете на Мичъл и Лаплас се смятаха повече от сто години за нещо като математически парадокс, който нямаше физическо значение.
Едва през 1916 г. е получено строго математическо доказателство, че подобен екзотичен обект в космоса е възможен. Германският астроном Карл Шварцшилд, след като анализира уравненията на общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, получи интересен резултат. След като изучава движението на частица в гравитационното поле на масивно тяло, той стига до извода: уравнението губи своя физически смисъл (решението му се обръща към безкрайност), когато r= 0 и r = rж.
Точките, в които характеристиките на полето стават безсмислени, се наричат сингулярни, тоест специални. Сингулярността в нулевата точка отразява точковата или, което е същото, централно симетричната структура на полето (в крайна сметка всяко сферично тяло - звезда или планета - може да бъде представено като материална точка). И точки, разположени върху сферична повърхност с радиус r g, образуват самата повърхност, от която скоростта на бягство е равна на скоростта на светлината. В общата теория на относителността се нарича сингулярна сфера на Шварцшилд или хоризонт на събитията (защо ще стане ясно по-късно).
Вече въз основа на примера на познатите ни обекти - Земята и Слънцето - става ясно, че черните дупки са много странни обекти. Дори астрономите, които се занимават с материя при екстремни стойности на температура, плътност и налягане, ги смятат за много екзотични и доскоро не всички вярваха в тяхното съществуване. Въпреки това, първите признаци за възможността за образуване на черни дупки вече се съдържат в общата теория на относителността на А. Айнщайн, създадена през 1915 г. Английският астроном Артър Едингтън, един от първите тълкуватели и популяризатори на теорията на относителността, през 30-те години извежда система от уравнения, описващи вътрешната структура на звездите. От тях следва, че звездата е в равновесие под въздействието на противоположно насочени гравитационни сили и вътрешно налягане, създадено от движението на горещи плазмени частици вътре в звездата и налягането на радиацията, генерирана в нейните дълбини. Това означава, че звездата е газова топка, в центъра на която топлина, като постепенно намалява към периферията. От уравненията, по-специално, следва, че температурата на повърхността на Слънцето е около 5500 градуса (което напълно съответства на данните от астрономическите измервания), а в центъра му трябва да бъде около 10 милиона градуса. Това позволи на Едингтън да направи пророческо заключение: при тази температура „запалва“ термоядрена реакция, достатъчна, за да осигури сиянието на Слънцето. Атомните физици от онова време не са съгласни с това. Струваше им се, че в дълбините на звездата е твърде „студено“: температурата там не беше достатъчна, за да „тръгне“ реакцията. На това разгневеният теоретик отговорил: „Търсете по-горещо място!“
И в крайна сметка той се оказа прав: в центъра на звездата наистина протича термоядрена реакция (друго нещо е, че така нареченият „стандартен слънчев модел“, базиран на идеи за термоядрен синтез, очевидно се е оказал са неправилни - вижте например "Наука и живот" № 2, 3, 2000 г.). Но въпреки това протича реакция в центъра на звездата, звездата свети и възникващата радиация я поддържа в стабилно състояние. Но ядреното „гориво“ в звездата изгаря. Освобождаването на енергия спира, радиацията изчезва и силата, ограничаваща гравитационното привличане, изчезва. Има ограничение на масата на една звезда, след което звездата започва да се свива необратимо. Изчисленията показват, че това се случва, ако масата на звездата надвишава две до три слънчеви маси.
ГРАВИТАЦИОНЕН КОЛАПС
Първоначално скоростта на свиване на звездата е малка, но скоростта й непрекъснато се увеличава, тъй като силата на гравитацията е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието. Компресията става необратима; няма сили, способни да противодействат на собствената гравитация. Този процес се нарича гравитационен колапс. Скоростта на движение на обвивката на звездата към центъра се увеличава, доближавайки се до скоростта на светлината. И тук ефектите от теорията на относителността започват да играят роля.
Скоростта на бягство е изчислена въз основа на идеите на Нютон за природата на светлината. От гледна точка на общата теория на относителността, явленията в близост до колабираща звезда се случват малко по-различно. В нейното мощно гравитационно поле възниква така нареченото гравитационно червено изместване. Това означава, че честотата на излъчване, идващо от масивен обект, се измества към ниски честоти. В границата, на границата на сферата на Шварцшилд, честотата на излъчване става равен на нула. Тоест наблюдател, който се намира извън него, няма да може да разбере нищо за случващото се вътре. Ето защо сферата на Шварцшилд се нарича хоризонт на събитията.
Но намаляването на честотата е равно на забавяне на времето и когато честотата стане нула, времето спира. Това означава, че външен наблюдател ще види много странна картина: черупката на звезда, падаща с нарастващо ускорение, спира, вместо да достигне скоростта на светлината. От негова гледна точка, компресията ще спре веднага щом размерът на звездата се доближи до гравитационния
usu. Той никога няма да види дори една частица да се „гмурка“ под сферата на Шварцшиел. Но за хипотетичен наблюдател, попаднал в черна дупка, всичко ще свърши за няколко мига на часовника му. По този начин времето за гравитационен колапс на звезда с размерите на Слънцето ще бъде 29 минути, а много по-плътна и компактна неутронна звезда ще отнеме само 1/20 000 от секундата. И тук той се сблъсква с проблеми, свързани с геометрията на пространство-времето близо до черна дупка.
Наблюдателят се озовава в извито пространство. В близост до гравитационния радиус гравитационните сили стават безкрайно големи; разтягат ракетата с астронавта-наблюдател в безкрайно тънка нишка с безкрайна дължина. Но самият той няма да забележи това: всичките му деформации ще съответстват на изкривяванията на пространствено-времевите координати. Тези съображения, разбира се, се отнасят до идеален, хипотетичен случай. Всяко истинско тяло ще бъде разкъсано от приливни сили много преди да се доближи до сферата на Шварцшилд.
РАЗМЕРИ НА ЧЕРНИТЕ ДУПКИ
Размерът на черната дупка или по-точно радиусът на сферата на Шварцшилд е пропорционален на масата на звездата. И тъй като астрофизиката не налага никакви ограничения върху размера на звездата, черната дупка може да бъде произволно голяма. Ако, например, възникне по време на колапса на звезда с маса от 10 8 слънчеви маси (или поради сливането на стотици хиляди или дори милиони сравнително малки звезди), нейният радиус ще бъде около 300 милиона километра, два пъти орбитата на Земята. А средната плътност на веществото на такъв гигант е близка до плътността на водата.
Очевидно това са черните дупки, които се намират в центровете на галактиките. Във всеки случай астрономите днес преброяват около петдесет галактики, в центъра на които, съдейки по косвени доказателства (обсъдени по-долу), има черни дупки с маса около милиард (10 9) слънчеви. Нашата Галактика също очевидно има своя собствена черна дупка; Масата му беше оценена доста точно - 2,4. 10 6 ±10% от масата на Слънцето.
Теорията предполага, че наред с такива свръхгиганти трябва да се появят и черни минидупки с маса около 10 14 g и радиус около 10 -12 cm (размера на атомно ядро). Те биха могли да се появят в първите моменти от съществуването на Вселената като проява на много силна нехомогенност на пространство-времето с колосална енергийна плътност. Днес изследователите осъзнават условията, които са съществували във Вселената по това време при мощни колайдери (ускорители, използващи сблъскващи се лъчи). Експериментите в CERN по-рано тази година произведоха кварк-глуонна плазма, материя, която е съществувала преди появата на елементарните частици. Изследванията на това състояние на материята продължават в Brookhaven, американския ускорителен център. Той е способен да ускорява частици до енергии с един и половина до два порядъка по-високи от ускорителя в
ЦЕРН. Предстоящият експеримент предизвика сериозно безпокойство: ще създаде ли мини-черна дупка, която ще огъне нашето пространство и ще унищожи Земята?
Този страх отекна толкова силно, че правителството на САЩ беше принудено да свика авторитетна комисия, която да проучи тази възможност. Комисия, състояща се от видни изследователи, стигна до заключението: енергията на ускорителя е твърде ниска, за да възникне черна дупка (този експеримент е описан в списание Science and Life, № 3, 2000 г.).
КАК ДА ВИДИМ НЕВИДИМОТО
Черните дупки не излъчват нищо, дори светлина. Астрономите обаче са се научили да ги виждат или по-скоро да намират „кандидати“ за тази роля. Има три начина за откриване на черна дупка.
1. Необходимо е да се следи въртенето на звездите в клъстери около определен център на тежестта. Ако се окаже, че в този център няма нищо и звездите сякаш се въртят около празно пространство, можем да кажем съвсем уверено: в тази „празнота“ има черна дупка. Именно на тази основа беше допуснато наличието на черна дупка в центъра на нашата Галактика и беше оценена нейната маса.
2. Черна дупка активно засмуква материя в себе си от околното пространство. Междузвезден прах, газ и материя от близките звезди падат върху него в спирала, образувайки така наречения акреционен диск, подобен на пръстена на Сатурн. (Именно това е плашилото в експеримента Брукхейвън: мини-черна дупка, появила се в ускорителя, ще започне да засмуква Земята в себе си и този процес не може да бъде спрян от никаква сила.) Приближавайки се до сферата на Шварцшилд, частиците изпитват ускорение и започват да излъчват в рентгеновия диапазон. Това излъчване има характерен спектър, подобен на добре проученото излъчване на частици, ускорени в синхротрон. И ако такова лъчение идва от някой регион на Вселената, можем да кажем с увереност, че там трябва да има черна дупка.
3. Когато две черни дупки се слеят, възниква гравитационно излъчване. Изчислено е, че ако масата на всеки е около десет слънчеви маси, тогава когато се слеят за няколко часа, енергия, еквивалентна на 1% от общата им маса, ще бъде освободена под формата на гравитационни вълни. Това е хиляда пъти повече от светлината, топлината и другата енергия, която Слънцето е излъчвало през цялото си съществуване - пет милиарда години. Те се надяват да открият гравитационно лъчение с помощта на обсерваториите за гравитационни вълни LIGO и други, които сега се изграждат в Америка и Европа с участието на руски изследователи (виж "Наука и живот" № 5, 2000 г.).
И все пак, въпреки че астрономите не се съмняват в съществуването на черни дупки, никой не смее категорично да твърди, че точно една от тях се намира в дадена точка от пространството. Научната етика и почтеността на изследователя изискват недвусмислен отговор на поставения въпрос, който не търпи противоречия. Не е достатъчно да се оцени масата на невидим обект; трябва да се измери неговият радиус и да се покаже, че той не надвишава радиуса на Шварцшилд. И дори в нашата Галактика този проблем все още не е разрешим. Ето защо учените проявяват известна сдържаност в докладването на откритието си, а научните списания са буквално пълни с доклади за теоретична работа и наблюдения на ефекти, които могат да хвърлят светлина върху тяхната мистерия.
Черните дупки обаче имат още едно свойство, теоретично предвидено, което може да направи възможно тяхното виждане. Но при едно условие обаче: масата на черната дупка трябва да бъде много по-малка от масата на Слънцето.
ЧЕРНАТА ДУПКА СЪЩО МОЖЕ ДА БЪДЕ „БЯЛА“
Дълго време черните дупки се смятаха за въплъщение на тъмнината, обекти, които във вакуум, при липса на абсорбция на материя, не излъчват нищо. Въпреки това през 1974 г. известният английски теоретик Стивън Хокинг показа, че на черните дупки може да се присвои температура и следователно трябва да излъчват.
Според концепциите на квантовата механика, вакуумът не е празнота, а нещо като „пяна от пространство-време“, смесица от виртуални (ненаблюдаеми в нашия свят) частици. Флуктуациите на квантовата енергия обаче могат да „изхвърлят“ двойка частица-античастица от вакуума. Например при сблъсък на два или три гама-кванта електрон и позитрон ще се появят сякаш от нищото. Това и подобни явления са многократно наблюдавани в лаборатории.
Именно квантовите флуктуации определят процесите на излъчване на черните дупки. Ако двойка частици с енергии дИ -Е(общата енергия на двойката е нула) се случва в близост до сферата на Шварцшилд, по-нататъшната съдба на частиците ще бъде различна. Те могат да се унищожат почти веднага или да преминат под хоризонта на събитията заедно. В този случай състоянието на черната дупка няма да се промени. Но ако само една частица отиде под хоризонта, наблюдателят ще регистрира друга и ще му се стори, че е генерирана от черна дупка. В същото време черна дупка, която абсорбира частица с енергия -Е, ще намали енергията ви, и с енергия д- ще нарастне.
Хокинг изчислява скоростите, с които протичат всички тези процеси, и стига до извода: вероятността за поглъщане на частици с отрицателна енергия е по-висока. Това означава, че черната дупка губи енергия и маса – тя се изпарява. Освен това излъчва като напълно черно тяло с температура T = 6 . 10 -8 Мс / Мкелвини, където М c - маса на Слънцето (2,10 33 g), М- масата на черната дупка. Тази проста зависимост показва, че температурата на черна дупка с маса шест пъти по-голяма от тази на слънцето е равна на една стомилионна от градуса. Ясно е, че такова студено тяло не излъчва практически нищо и всички горни разсъждения остават валидни. Мини дупките са друг въпрос. Лесно се вижда, че с маса от 10 14 -10 30 грама, те се нагряват до десетки хиляди градуса и се нажежават до бяло! Веднага трябва да се отбележи обаче, че няма противоречия със свойствата на черните дупки: това лъчение се излъчва от слой над сферата на Шварцшилд, а не под нея.
И така, черната дупка, която изглеждаше вечно замръзнал обект, рано или късно изчезва, изпарявайки се. Освен това, докато тя „отслабва“, скоростта на изпарение се увеличава, но все още отнема много време. Смята се, че мини-дупки с тегло 10 14 грама, които са се появили веднага след Големия взрив преди 10-15 милиарда години, трябва да се изпарят напълно до наше време. На последния етап от живота им температурата достига колосални стойности, така че продуктите от изпарението трябва да са частици с изключително висока енергия. Може би те са тези, които генерират широко разпространени въздушни дъждове в земната атмосфера - EAS. Във всеки случай произходът на частици с аномално висока енергия е друг важен и интересен проблем, който може да бъде тясно свързан с не по-малко вълнуващи въпроси във физиката на черните дупки.
Черните дупки са едни от най-невероятните и в същото време плашещи обекти в нашата Вселена. Те възникват в момента, в който звездите с огромна маса изчерпват ядреното си гориво. Ядрените реакции спират и звездите започват да се охлаждат. Тялото на звездата се свива под въздействието на гравитацията и постепенно тя започва да привлича към себе си по-малки обекти, превръщайки се в черна дупка.
Първи изследвания
Научните светила започнаха да изучават черните дупки не толкова отдавна, въпреки факта, че основните концепции за тяхното съществуване бяха разработени още през миналия век. Самата концепция за „черна дупка“ е въведена през 1967 г. от Дж. Уилър, въпреки че заключението, че тези обекти неизбежно възникват по време на колапса на масивни звезди, е направено още през 30-те години на миналия век. Всичко вътре в черната дупка - астероиди, светлина, комети, погълнати от нея - веднъж се приближи твърде близо до границите на този мистериозен обект и не успя да ги напусне.
Граници на черни дупки
Първата от границите на черна дупка се нарича статична граница. Това е границата на областта, влизайки в която чужд обект вече не може да бъде в покой и започва да се върти спрямо черната дупка, за да се предпази от падане в нея. Втората граница се нарича хоризонт на събитията. Всичко вътре в черна дупка веднъж е преминало външната й граница и се е придвижило към точката на сингулярност. Според учените тук веществото се влива в тази централна точка, чиято плътност клони към безкрайност. Хората не могат да знаят какви закони на физиката действат вътре в обекти с такава плътност и следователно е невъзможно да се опишат характеристиките на това място. В буквалния смисъл на думата това е „черна дупка“ (или може би „празнина“) в познанието на човечеството за света около нас.
Структурата на черните дупки
Хоризонтът на събитията е непроницаемата граница на черна дупка. Вътре в тази граница има зона, която дори обекти, чиято скорост на движение е равна на скоростта на светлината, не могат да напуснат. Дори самите кванти на светлината не могат да напуснат хоризонта на събитията. Веднъж достигнал тази точка, нито един обект не може да избяга от черната дупка. По дефиниция не можем да разберем какво има вътре в черна дупка - в края на краищата в нейните дълбини има така наречената точка на сингулярност, която се образува поради изключителното компресиране на материята. След като даден обект попадне в хоризонта на събитията, от този момент нататък той никога повече няма да може да избяга от него и да стане видим за наблюдателите. От друга страна, тези вътре в черните дупки не могат да видят нищо, което се случва навън.
Размерът на хоризонта на събитията около този мистериозен космически обект винаги е право пропорционален на масата на самата дупка. Ако масата му се удвои, тогава външната граница ще стане два пъти по-голяма. Ако учените успеят да намерят начин да превърнат Земята в черна дупка, тогава размерът на хоризонта на събитията ще бъде само 2 см в напречно сечение.
Основни категории
По правило масата на средната черна дупка е приблизително равна на три слънчеви маси или повече. От двата вида черни дупки се разграничават звездни и свръхмасивни. Тяхната маса надвишава масата на Слънцето няколкостотин хиляди пъти. Звездите се образуват след смъртта на големи небесни тела. Черните дупки с нормална маса се появяват след края на жизнения цикъл на големите звезди. И двата вида черни дупки, въпреки различния си произход, имат сходни свойства. Свръхмасивните черни дупки са разположени в центровете на галактиките. Учените предполагат, че те са се образували по време на формирането на галактиките поради сливането на звезди, близки една до друга. Това обаче са само предположения, които не са потвърдени с факти.
Какво има вътре в черна дупка: предположения
Някои математици смятат, че вътре в тези мистериозни обекти на Вселената има така наречените червееви дупки - преходи към други вселени. С други думи, в точката на сингулярност има пространствено-времеви тунел. Тази концепция е служила на много писатели и режисьори. По-голямата част от астрономите обаче вярват, че няма тунели между Вселените. Въпреки това, дори и да съществуват, няма начин хората да знаят какво има вътре в черна дупка.
Има и друга концепция, според която в противоположния край на такъв тунел има бяла дупка, откъдето през черни дупки тече гигантско количество енергия от нашата Вселена към друг свят. Но на този етап от развитието на науката и технологиите за подобни пътувания не може да става и дума.
Връзка с теорията на относителността
Черните дупки са едно от най-удивителните предсказания на А. Айнщайн. Известно е, че гравитационната сила, която се създава на повърхността на всяка планета, е обратно пропорционална на квадрата на нейния радиус и право пропорционална на нейната маса. За това небесно тяломоже да се дефинира концепцията за втората космическа скорост, която е необходима за преодоляване на тази гравитационна сила. За Земята тя е равна на 11 км/сек. Ако масата на небесното тяло се увеличава, а диаметърът, напротив, намалява, тогава втората космическа скорост може в крайна сметка да надвиши скоростта на светлината. И тъй като според теорията на относителността нито един обект не може да се движи по-бързо от скоростта на светлината, се образува обект, който не позволява нищо да излезе извън границите му.
През 1963 г. учените откриват квазари - космически обекти, които са гигантски източници на радиоизлъчване. Те се намират много далеч от нашата галактика - разстоянието им е милиарди светлинни години от Земята. За да обяснят изключително високата активност на квазарите, учените въведоха хипотезата, че вътре в тях се намират черни дупки. Тази гледна точка вече е общоприета в научните среди. Изследванията, проведени през последните 50 години, не само потвърдиха тази хипотеза, но и доведоха учените до заключението, че в центъра на всяка галактика има черни дупки. В центъра на нашата галактика също има такъв обект; масата му е 4 милиона слънчеви маси. Тази черна дупка се нарича Стрелец А и тъй като е най-близо до нас, тя е най-проучваната от астрономите.
Радиация на Хокинг
Този вид радиация, открита от известния физик Стивън Хокинг, значително усложнява живота на съвременните учени - поради това откритие възникнаха много трудности в теорията за черните дупки. В класическата физика съществува понятието вакуум. Тази дума означава пълна празнота и липса на материя. Въпреки това, с развитието на квантовата физика концепцията за вакуум беше модифицирана. Учените са установили, че той е изпълнен с т. нар. виртуални частици – под въздействието на силно поле те могат да се превърнат в реални. През 1974 г. Хокинг открива, че такива трансформации могат да възникнат в силното гравитационно поле на черна дупка - близо до външната й граница, хоризонта на събитията. Такова раждане е сдвоено - появяват се частица и античастица. По правило античастицата е обречена да падне в черна дупка, а частицата отлита. В резултат на това учените наблюдават известна радиация около тези космически обекти. Това се нарича радиация на Хокинг.
По време на това излъчване материята вътре в черната дупка бавно се изпарява. Дупката губи маса, а интензивността на излъчването е обратно пропорционална на квадрата на нейната маса. Интензитетът на радиацията на Хокинг е незначителен по космически стандарти. Ако приемем, че има дупка с маса 10 слънца и върху нея не попадат нито светлина, нито каквито и да е материални обекти, то дори и в този случай времето за нейния разпад ще бъде чудовищно дълго. Животът на такава дупка ще надхвърли цялото съществуване на нашата Вселена с 65 порядъка.
Въпрос за запазване на информация
Един от основните проблеми, възникнали след откриването на радиацията на Хокинг, е проблемът със загубата на информация. Това е свързано с въпрос, който на пръв поглед изглежда много прост: какво се случва, когато черна дупка се изпари напълно? И двете теории - как квантовата физика, и класически - занимават се с описание на състоянието на системата. Имайки информация за първоначалното състояние на системата, използвайки теория е възможно да се опише как ще се промени.
В същото време в процеса на еволюция информацията за първоначалното състояние не се губи - действа един вид закон за запазване на информацията. Но ако черната дупка се изпари напълно, тогава наблюдателят губи информация за тази част физически свят, който някога е паднал в дупка. Стивън Хокинг вярваше, че информацията за първоначалното състояние на системата по някакъв начин се възстановява, след като черната дупка се изпари напълно. Но трудността е, че по дефиниция трансферът на информация от черна дупка е невъзможен - нищо не може да напусне хоризонта на събитията.
Какво се случва, ако попаднете в черна дупка?
Смята се, че ако по някакъв невероятен начин човек може да стигне до повърхността на черна дупка, тогава тя веднага ще започне да го дърпа в своята посока. В крайна сметка човек ще стане толкова разтегнат, че ще се превърне в поток от субатомни частици, движещи се към точка на сингулярност. Разбира се, невъзможно е да се докаже тази хипотеза, тъй като учените едва ли някога ще успеят да открият какво се случва в черните дупки. Сега някои физици казват, че ако човек падне в черна дупка, ще има клонинг. Първата от неговите версии ще бъде незабавно унищожена от поток от горещи частици радиация на Хокинг, а втората ще премине през хоризонта на събитията без възможност да се върне обратно.