Қара тесік ашушы астроном 6 әріптен тұратын сөзжұмбақ Қара тесіктердің пайда болу тарихы. Өте беткей энтропия

Қара тесіктер, қараңғы заттар, қараңғы заттар ... Бұл, сөзсіз, ғарыштағы ең біртүрлі және жұмбақ заттар. Олардың таңғажайып қасиеттері Әлемнің физика заңдарына, тіпті бар болмыстың табиғатына қарсы тұруы мүмкін. Қара тесіктердің не екенін түсіну үшін ғалымдар «бағдарларды өзгертуді», қораптан тыс ойлауды және кішкене қиялды қолдануды ұсынады. Қара тесіктер өте үлкен жұлдыздардың өзектерінен пайда болады, оларды кеңістік аймағы ретінде сипаттауға болады, онда үлкен масса бос кеңістікте шоғырланған, және онда ештеңе, тіпті жарық та гравитациялық тартылудан қашып құтыла алмайды. Бұл екінші ғарыштық жылдамдық жарық жылдамдығынан асатын аймақ: Ал қозғалыс объектісі неғұрлым массивті болса, оның ауырлық күшінен құтылу үшін ол тезірек қозғалуы керек. Бұл екінші ғарыштық жылдамдық деп аталады.

Кольер энциклопедиясы қара тесіктерді материяның толық гравитациялық ыдырауы нәтижесінде пайда болған кеңістіктегі аймақ деп атайды, онда тартылыс күші соншалықты үлкен, оны материя да, жарық та, басқа ақпарат тасымалдаушылар да тастай алмайды. Демек, қара тесіктің ішкі жағы ғаламның қалған бөлігімен себепті байланысты емес; Қара тесіктің ішінде жүретін физикалық процестер оның сыртындағы процестерге әсер ете алмайды. Қара тесік бір бағытты мембрананың бетімен қоршалған: ол арқылы қара тесікке зат пен сәуле еркін түседі, бірақ одан ештеңе қашып құтыла алмайды. Бұл бет «оқиғалар көкжиегі» деп аталады.

Ашылу тарихы

Жалпы салыстырмалылық теориясы (1915 ж. Эйнштейн ұсынған ауырлық теориясы) және басқа заманауи гравитация теориялары болжаған қара тесіктерді 1939 ж. Р. Оппенгеймер мен Х. Снайдер математикалық түрде дәлелдеді. Бірақ кеңістік пен уақыттың қасиеттері Бұл объектілердің жақын орналасуы соншалықты ерекше болды, астрономдар мен физиктер 25 жыл бойы оларды елеулі түрде қабылдамады. Алайда, 1960 жылдардың ортасындағы астрономиялық ашулар қара тесіктерді мүмкін болатын физикалық шындыққа ұқсатты. Жаңа ашулар мен барлау біздің ғарыш пен уақыт туралы түсінігімізді түбегейлі өзгерте алады, миллиардтаған ғарыштық құпияны ашады.

Қара тесіктердің пайда болуы

Жұлдыздың ішкі бөлігінде термоядролық реакциялар жүрсе де, олар жоғары температура мен қысымды сақтап, жұлдыздың өзінің ауырлық күшінің әсерінен жиырылуына жол бермейді. Уақыт өте келе ядролық отын таусылып, жұлдыз кішірейе бастайды. Есептеулер көрсеткендей, егер жұлдыздың массасы үш күн массасынан аспаса, онда ол «гравитациямен шайқаста» жеңіске жетеді: оның гравитациялық ыдырауы «деградацияланған» заттың қысымымен тоқтатылады, ал жұлдыз мәңгіге айналады. ақ гном немесе нейтронды жұлдыз. Бірақ егер жұлдыздың массасы күн массасынан үштен көп болса, онда оның апатты күйреуін ештеңе тоқтата алмайды және ол оқиға көкжиегіне тез еніп, қара тесікке айналады.

Қара тесік пончик тесігі ме?

Жарық шығармайтын нәрсені байқау оңай емес. Қара тесікті табудың бір жолы - ғарыш кеңістігінде массивті және қараңғы кеңістіктегі аймақтарды іздеу. Астрономдар объектілердің осы түрлерін іздеу кезінде оларды екі негізгі аймақта: галактикалар орталықтарында және біздің Галактиканың қос жұлдызды жүйелерінде тапты. Барлығы, ғалымдар ұсынғандай, он миллиондаған осындай объектілер бар.

Қара тесіктердің пайда болу тарихы

Алексей Левин

Ғылыми ойлау кейде осындай парадоксалды қасиеттері бар объектілерді құрастырады, тіпті ең ақылды ғалымдар оларды танудан бас тартады. Қазіргі физика тарихындағы ең жарқын мысал-90 жыл бұрын болжанған қара тесіктерге, гравитациялық өрістің төтенше жағдайларына ұзақ уақыт бойы қызығушылықтың болмауы. Ұзақ уақыт бойы олар тек теориялық абстракция деп саналды, тек 1960-70 жылдары олар өздерінің шындықтарына сенді. Алайда, қара тесіктер теориясының негізгі теңдеуі екі жүз жыл бұрын алынған.

Джон Мишельдің шабыты

18 ғасырдағы ағылшын ғылымының жұлдыздары арасында физик, астроном және геолог, Кембридж университетінің профессоры және Англия шіркеуінің пасторы Джон Мишелдің есімі мүлде жоғалды. Мишель сейсмологияның, жер сілкіну ғылымының негізін қалады, магнитизмді тамаша зерттеді, Кулон бұралу балансын ойлап тапқанға дейін, ол гравиметриялық өлшеулер үшін қолданды. 1783 жылы ол Ньютонның екі керемет туындысын - механика мен оптиканы біріктіруге тырысты. Ньютон жарықты ұсақ бөлшектер ағыны деп санады. Мишель жарық денелері қарапайым заттар сияқты механика заңдарына бағынады деп ұсынды. Бұл гипотезаның салдары өте маңызды емес болып шықты - аспан денелері жарық үшін тұзаққа айналуы мүмкін.

Мишель қалай ойлады? Планета бетінен атылған зеңбірек добы оның тартымдылығын толық жеңеді, егер оның бастапқы жылдамдығы екінші ғарыштық жылдамдық деп аталатын мәннен асып кетсе ғана. Егер планетаның тартылыс күші соншалықты күшті болса, қашу жылдамдығы жарық жылдамдығынан асып кетсе, зенитке шығарылған жарық денелері шексіздікке бара алмайды. Дәл солай шағылысқан жарықпен де болады. Демек, алыстағы бақылаушы үшін планета көрінбейтін болады. Мишель осындай R cr планетасының радиусының критикалық мәнін оның M массасына байланысты есептеді, біздің M M массасына дейін азайтады: R cr = 3 км x M / M с.

Джон Мишель өзінің формулаларына сенді және ғарыштың тереңдігі Жерден ешқандай телескоп арқылы көрінбейтін көптеген жұлдыздарды жасырды деп ойлады. Кейінірек ұлы француз математигі, астрономы мен физигі Пьер Саймон Лаплас дәл осындай қорытындыға келді және оны өзінің «Әлем жүйесі экспозициясының» бірінші (1796) және екінші (1799) басылымдарына енгізді. Бірақ үшінші басылым 1808 жылы жарық көрді, сол кезде физиктердің көпшілігі жарықты эфирдің тербелісі деп санады. «Көрінбейтін» жұлдыздардың болуы жарықтың толқындық теориясына қайшы келді, ал Лаплас бұл туралы айтпауды жөн деп тапты. Кейінгі уақытта бұл идея тек физика тарихына арналған еңбектерде ұсынуға лайық қызығушылық деп саналды.

Шварцшилд моделі

1915 жылы қарашада Альберт Эйнштейн гравитация теориясын жариялады, оны ол жалпы салыстырмалық теориясы (ГТР) деп атады. Бұл жұмыс бірден Берлин Ғылым Академиясындағы әріптесі Карл Шварцшильдтің ризашылығынан оқырманды тапты. Шварцшильд әлемде бірінші болып белгілі бір астрофизикалық мәселені шешу үшін жалпы салыстырмалылықты қолданды, айналмалы сфералық дененің сыртында және ішінде кеңістік-уақыттық метриканы есептеді (нақтылық үшін біз оны жұлдыз деп атаймыз). .

Шварцшильдтің есептеулерінен, жұлдыздың ауырлық күші Ньютондық кеңістік пен уақыттың құрылымын шамадан тыс бұрмаламайды, егер оның радиусы Джон Мишель есептеген мәннен әлдеқайда үлкен болса ғана! Бұл параметр алдымен Шварцшильд радиусы деп аталды, енді ол гравитациялық радиус деп аталады. Жалпы салыстырмалылық бойынша ауырлық күші жарық жылдамдығына әсер етпейді, бірақ уақыттың баяулауына сәйкес пропорцияда жарық дірілінің жиілігін төмендетеді. Егер жұлдыз радиусы гравитациялық радиусынан 4 есе үлкен болса, онда оның бетіндегі уақыт ағыны 15%-ға баяулайды, ал кеңістік нақты қисықтыққа ие болады. Екі есе артық болғанда, ол күшті иіледі, ал уақыт оның жүгіруін 41%-ға баяулатады. Гравитациялық радиусқа жеткенде, жұлдыздың бетіндегі уақыт толығымен тоқтайды (барлық жиіліктер нөлге теңестіріледі, сәуле қатып қалады, жұлдыз сөнеді), бірақ онда кеңістіктің қисықтығы әлі де шектеулі. Жұлдыздан алыс геометрия әлі де евклид болып қала береді, ал уақыт оның жылдамдығын өзгертпейді.

Михель мен Шварцшильд үшін гравитациялық радиустың мәндері бірдей болғанына қарамастан, модельдердің өздеріне ортақ ештеңесі жоқ. Мишельде кеңістік пен уақыт өзгермейді, бірақ жарық баяулайды. Өлшемі өзінің гравитациялық радиусынан аз болатын жұлдыз жарқырауын жалғастырады, бірақ оны алыс емес бақылаушы ғана көреді. Шварцшилд үшін жарық жылдамдығы абсолютті, бірақ кеңістік пен уақыттың құрылымы ауырлық күшіне байланысты. Гравитациялық радиустың астына түскен жұлдыз кез келген бақылаушы үшін қай жерде болмасын жоғалады (дәлірек айтқанда, оны гравитациялық әсерлер арқылы анықтауға болады, бірақ сәулелену арқылы болмайды).

Сенімсіздіктен растауға дейін

Шварцшильд пен оның замандастары мұндай оғаш ғарыш объектілері табиғатта жоқ деп есептеді. Эйнштейннің өзі бұл көзқарасты ұстанып қана қоймай, математикалық түрде өз пікірін дәлелдей алды деп қателесті.

1930 жылдары үнділік жас астрофизик Чандрасехар ядролық отынды жұмсаған жұлдыз қабығын тастап, оның массасы Күн массасынан 1,4 есе аз болған жағдайда ғана баяу салқындатылатын ақ ергежейліге айналатынын дәлелдеді. Көп ұзамай американдық Фриц Цвикки супернова жарылыстары нейтрон заттарының өте тығыз денелерін шығаратынын болжады; кейін Лев Ландау дәл осындай қорытындыға келді. Чандрасехар жұмысынан кейін мұндай эволюцияға массасы күн массасы 1,4 -тен асатын жұлдыздар ғана түсетіні анық болды. Сондықтан табиғи сұрақ туды - нейтронды жұлдыздарды қалдыратын супержаңалықтардың жоғарғы массалық шегі бар ма?

1930 -шы жылдардың соңында американдық атом бомбасының болашақ әкесі Роберт Оппенгеймер мұндай шек бар екенін және бірнеше күн массасынан аспайтынын анықтады. Ол кезде дәлірек баға беру мүмкін болмады; нейтронды жұлдыздардың массасы 1,5–3 М с аралығында болуы керек екені қазір белгілі болды. Оппенгеймер мен оның аспиранты Георгий Волковтың шамамен есептеулерінің нәтижесінде, супернова тұқымдарының ең жаппай ұрпақтары нейтронды жұлдыздарға айналмайды, бірақ басқа күйге өтеді. 1939 жылы Оппенгеймер мен Хартланд Снайдер идеализацияланған модельді қолдана отырып, жаппай құлап бара жатқан жұлдыз өзінің гравитациялық радиусына жиырылатынын дәлелдеді. Олардың формулаларынан, шын мәнінде, жұлдыз осымен тоқтап қалмайды, бірақ авторлар мұндай түбегейлі тұжырымнан бас тартты.

Соңғы жауап 20 ғасырдың екінші жартысында тамаша теориялық физиктердің, соның ішінде кеңестік ғалымдардың күшімен табылды. Ұқсас құлдырау болып шықты әрқашанжұлдызды «соңына дейін» қысады, оның затын толығымен бұзады. Нәтижесінде сингулярлық пайда болады, шексіз шағын көлемде жабылған гравитациялық өрістің «суперконцентраты». Тұрақты тесік үшін бұл нүкте, айналатын үшін сақина. Кеңістік-уақыт қисығы және, демек, сингулярлыққа жақын тартылыс күші шексіздікке ұмтылады. 1967 жылдың соңында американдық физик Джон Арчибальд Уилер осындай соңғы жұлдыздық құлдырауды қара тесік деп бірінші атады. Жаңа термин физиктерге ғашық болды және оны бүкіл әлемге таратқан журналистерді қуантты (бірақ француздар алғашында ұнамады, өйткені trou noir күмәнді бірлестіктерді ұсынды).

Онда, көкжиектен тыс

Қара тесік зат немесе сәуле емес. Белгілі бір дәрежеде бұл кеңістік-уақыттың қатты қисық аймағында шоғырланған өзін-өзі қамтамасыз ететін гравитациялық өріс деп айта аламыз. Оның сыртқы шекарасы жабық бетпен, оқиғалар көкжиегімен анықталады. Егер жұлдыз құлағанға дейін айналмаса, онда бұл бет тұрақты сфера болып шығады, оның радиусы Шварцшильд радиусымен сәйкес келеді.

Көкжиектің физикалық мағынасы өте айқын. Оның сыртқы ортасынан жіберілген жарық сигналы шексіз алыс қашықтыққа жүре алады. Бірақ ішкі аймақтан жіберілген сигналдар көкжиектен өтіп қана қоймай, сингулярлыққа міндетті түрде «түседі». Көкжиек - бұл жердегі (және кез келген басқа) астрономдарға белгілі болуы мүмкін оқиғалар мен олар туралы ақпарат ешбір жағдайда шықпайтын оқиғалар арасындағы кеңістіктік шекара.

«Шварцшилд бойынша» болуы керек болғандықтан, көкжиектен алыс, тесіктің тартылуы қашықтықтың квадратына кері пропорционалды, сондықтан алыстағы бақылаушы үшін ол өзін қарапайым ауыр дене ретінде көрсетеді. Массаға қосымша, тесік құлаған жұлдыздың инерция моментін және оның электр зарядын алады. Ал алдыңғы жұлдыздың барлық басқа сипаттамалары (құрылымы, құрамы, спектрлік түрі және т.б.) ұмытылады.

Бортқа секундына бір рет сигнал жіберетін радиостанциясы бар тесікке зонд жіберейік. Алыстағы бақылаушы үшін зонд көкжиекке жақындаған сайын сигналдар арасындағы уақыт аралығы ұлғаяды - негізінен шексіз. Кеме көзге көрінбейтін көкжиектен өткен бойда, «үстіңгі тесік» әлемі үшін толығымен жабылады. Алайда, бұл жоғалу ізсіз болмайды, өйткені зонд өз массасын, зарядын және моментін тесікке береді.

Қара тесік радиациясы

Бұрынғы барлық модельдер тек жалпы салыстырмалылық негізінде құрылды. Алайда, біздің әлем кванттық механиканың заңдарымен реттеледі, олар қара тесіктерді де назардан тыс қалдырмайды. Бұл заңдар орталық сингулярлықты математикалық нүкте деп санауға кедергі жасайды. Кванттық контексте оның диаметрі шамамен 10 -33 сантиметрге тең Планк -Уилер ұзындығымен беріледі. Бұл аймақта қарапайым кеңістік өмір сүруді тоқтатады. Шұңқырдың ортасы кванттық ықтималдылық заңдарына сәйкес пайда болатын және өлетін әр түрлі топологиялық құрылымдармен толтырылған деп жалпы қабылданған. Уилер кванттық көбік деп атаған мұндай көпіршікті квази -кеңістіктің қасиеттері әлі де нашар зерттелген.

Кванттық сингулярлықтың болуы қара тесікке терең түсетін материалдық денелердің тағдырына тікелей байланысты. Шұңқырдың ортасына жақындағанда, қазіргі кезде белгілі материалдардан жасалған кез келген зат толқын күштерінің әсерінен ұсақталады. Алайда, егер болашақ инженерлер мен технологтар бұрын-соңды болмаған қасиеттері бар өте күшті қорытпалар мен композиттерді жасаса да, олардың бәрі бірдей жойылып кетеді: ақыр соңында, сингулярлық аймақта әдеттегі уақыт та, әдеттегі кеңістік те жоқ.

Енді кванттық механикалық үлкейткіштегі саңылау көкжиегін қарастырыңыз. Бос кеңістік - физикалық вакуум - бос емес. Вакуумдағы әр түрлі өрістердің кванттық ауытқуына байланысты көптеген виртуалды бөлшектер үздіксіз туады және жойылады. Көкжиекке жақын тартылыс күші өте күшті болғандықтан, оның ауытқуы өте күшті гравитациялық жарылыстар жасайды. Мұндай өрістерде жылдамдатылған кезде жаңа туылған «виртуалдар» қосымша энергияға ие болады және кейде қалыпты өмір сүретін бөлшектерге айналады.

Виртуалды бөлшектер әрқашан қарама -қарсы бағытта қозғалатын жұп болып туылады (бұл импульстің сақталу заңы бойынша қажет). Егер гравитациялық тербеліс вакуумнан жұп бөлшектерді бөліп алса, онда олардың бірі көкжиектен тыс, ал екіншісі (біріншісіне қарсы бөлшек) іште материализациялануы мүмкін. «Ішкі» бөлшек тесікке түседі, ал «сыртқы» бөлшек қолайлы жағдайда шығып кете алады. Нәтижесінде, тесік сәулелену көзіне айналады, сондықтан энергиясын жоғалтады, демек, массасы. Сондықтан қара тесіктер, негізінен, тұрақсыз.

Бұл құбылыс 1970-ші жылдардың ортасында ашылған керемет ағылшын теориялық физигінің атымен Хокинг эффектісі деп аталады. Стивен Хокинг, атап айтқанда, қара тесік көкжиегінен фотондар шығаратындығын дәл температура бойынша T = 0,5 x 10–7 x M s / M дейін қыздырылған абсолютті қара дене сияқты шығаратынын дәлелдеді. Бұдан шығатыны, тесік жұқарған сайын оның температурасы көтеріліп, «булануы» табиғи түрде артады. Бұл процесс өте баяу, ал массасы М болатын тесіктің қызмет ету мерзімі шамамен 10 65 x (M / M s) 3 жыл. Оның өлшемі Планк-Уилердің ұзындығына тең болған кезде, тесік тұрақтылықты жоғалтады және жарылып, бір мезгілде миллион он мегатондық сутегі бомбасының жарылуы сияқты энергияны шығарады. Бір қызығы, ол жоғалған кездегі тесіктің массасы әлі де үлкен, 22 микрограмм. Кейбір модельдерге сәйкес, тесік ізсіз жоғалып кетпейді, бірақ сол массаның тұрақты реликті қалдырады, ол максимон деп аталады.

Максимон 40 жыл бұрын дүниеге келді - термин ретінде және физикалық идея ретінде. 1965 жылы академик М.А.Марков элементар бөлшектер массасының жоғарғы шегі бар деп ұсынды. Ол бұл шектік мәнді үш негізгі физикалық тұрақтылармен біріктіруге болатын массаның өлшемділігін қарастыруды ұсынды - Планк тұрақтысы h, жарық жылдамдығы С және гравитациялық тұрақтылық G (бөлшектерді ұнататындар үшін: мұны істеу үшін сізге қажет h және C көбейтіңіз, нәтижені G -ге бөліңіз және квадрат түбірді шығарыңыз). Бұл мақалада айтылған 22 микрограмм, бұл мән Планк массасы деп аталады. Сол тұрақтылардан ұзындық өлшемімен (Планк -Уилердің ұзындығы 10 -33 см) және уақыт өлшемімен (10 -43 сек) шама шығуға болады.
Марков өз пікірін әрі қарай жалғастырды. Оның болжамдары бойынша e, қара тесіктің булануы «құрғақ қалдық» - максимонның пайда болуына әкеледі. Марков мұндай құрылымдарды қарапайым қара тесіктер деп атады. Бұл теория қаншалықты шындыққа сәйкес келеді - бұл әлі де ашық сұрақ. Қалай болғанда да, Марков максимондарының аналогтары супер стринг теориясына негізделген кейбір қара тесіктер модельдерінде қайта жанданды.

Кеңістік тереңдігі

Қара тесіктерге физика заңдары тыйым салмайды, бірақ олар табиғатта бар ма? Кем дегенде бір осындай объектінің ғарышта болуына мүлдем қатаң дәлел әлі табылған жоқ. Дегенмен, жұлдызды қара тесіктер кейбір екілік файлдардағы рентген сәулелерінің көзі болып табылады. Бұл сәуле қарапайым жұлдыздың атмосферасын көршілес тесіктің гравитациялық өрісінің соруына байланысты пайда болуы керек. Газ оқиға көкжиегіне қарай жылжи отырып, қатты қызады және рентгендік кванттарды шығарады. Қара рентгенге кемінде жиырмадан астам рентген көздері лайықты үміткерлер болып саналады. Сонымен қатар, жұлдыздық статистиканың мәліметтері біздің Галактиканың өзінде жұлдыздардың шығу тегі шамамен он миллионға жуық тесік бар екенін көрсетеді.

Қара тесіктер галактикалық ядролардағы заттың гравитациялық қалыңдауы процесінде де пайда болуы мүмкін. Массасы миллиондаған және миллиардтаған күн массасы бар алып тесіктер осылайша пайда болады, олар, мүмкін, көптеген галактикаларда бар. Шамасы, шаңды бұлт басқан Құс жолының орталығында массасы 3-4 миллион күн массасы бар тесік бар.

Стивен Хокинг ерікті массадағы қара тесіктер Үлкен жарылыстан кейін бірден дүниеге келуі мүмкін деген қорытындыға келді, бұл біздің Ғаламды тудырды. Массасы миллиард тоннаға дейінгі бастапқы тесіктер қазірдің өзінде буланған, бірақ ауырлары енді кеңістік тереңдігінде жасырынып, уақыт өте келе, гамма -сәулеленудің күшті жарылыстары түрінде ғарыштық отшашуларды ұйымдастыра алады. Алайда мұндай жарылыстар осы уақытқа дейін байқалған жоқ.

Қара тесік зауыты

Үдеткіштегі бөлшектерді осындай жоғары энергияға дейін үдетуге болады ма және олардың соқтығысуы қара тесік тудырады ма? Бір қарағанда, бұл идея ақылға қонымсыз - тесіктің жарылуы Жердегі барлық тіршілікті жояды. Оның үстіне, бұл техникалық тұрғыдан мүмкін емес. Егер тесіктің минималды массасы шынымен 22 микрограммға тең болса, онда энергия бірліктерінде 10 28 электрон-вольт. Бұл табалдырық 2007 жылы CERN -де іске қосылатын әлемдегі ең қуатты үдеткіш - Үлкен адрон коллайдерінің (LHC) мүмкіндіктерінен 15 есе үлкен.

src = «black_holes1 / aerial-view-lhc.jpg» width = «275» border = «0»>

Дегенмен, саңылаудың минималды массасының стандартты бағасы айтарлықтай жоғары бағалануы мүмкін. Қалай болғанда да, гравитацияның кванттық теориясын қамтитын супержіп теориясын әзірлеп жатқан физиктер осылай дейді. Бұл теория бойынша ғарышта үш өлшем емес, кем дегенде тоғыз болады. Біз қосымша өлшемдерді байқамаймыз, өйткені олар біздің құралдар оларды қабылдай алмайтындай кішігірім көлемде. Алайда, гравитация барлық жерде бар және ол жасырын өлшемдерге де енеді. Үшөлшемді кеңістікте тартылыс күші қашықтықтың квадратына кері пропорционал, ал тоғыз өлшемді кеңістікте-сегізінші дәрежеге дейін. Сондықтан көпөлшемді әлемде қашықтықтың қысқаруымен гравитациялық өрістің күші үш өлшемдіге қарағанда әлдеқайда тез артады. Бұл жағдайда Планк ұзындығы бірнеше есе артады, ал минималды тесік массасы күрт төмендейді.

Стринг теориясының болжауынша, тоғыз өлшемді кеңістікте массасы небары 10–20 г болатын қара тесік туылуы мүмкін.Серн үдеткішінде CERN үдетілген протондардың релятивистік массасы шамамен бірдей. Ең оптимистік сценарий бойынша ол секундына бір тесік шығарады, ол шамамен 10-26 секунд өмір сүреді. Оның булану процесінде тіркеуге оңай болатын барлық қарапайым бөлшектер пайда болады. Шұңқырдың жоғалуы энергияның бөлінуіне әкеп соғады, ал бұл тіпті бір микрограмм суды бір градусқа қыздыруға жеткіліксіз. Сондықтан LHC зиянсыз қара тесіктер зауытына айналады деген үміт бар. Егер бұл модельдер дұрыс болса, онда мұндай тесіктер жаңа буынның ғарыштық сәулелік детекторларын тіркеуге мүмкіндік береді.

Жоғарыда айтылғандардың барлығы стационарлық қара тесіктерге қатысты. Сонымен қатар, көптеген қызықты қасиеттері бар айналмалы тесіктер бар. Қара тесік радиациясының теориялық талдауының нәтижелері энтропия ұғымын байыпты түрде қайта қарауға әкелді, ол да бөлек талқылауға лайық.

Ғарыштық супер маховиктер

Біз айтқан статикалық электрлік бейтарап қара тесіктер шынайы әлемге мүлде тән емес. Құлап бара жатқан жұлдыздар айналуға бейім, сонымен қатар оларды электр зарядтауға болады.

Тақыр бас теоремасы

Галактикалық ядролардағы алып саңылаулар, ең алдымен, гравитациялық конденсацияның бастапқы орталықтарынан пайда болады - бір «жұлдыздан кейінгі» тесік немесе соқтығысу нәтижесінде біріккен бірнеше тесіктер. Мұндай ұрық тесіктері жақын орналасқан жұлдыздар мен жұлдызаралық газды жұтады және осылайша олардың массасын көбейтеді. Горизонтқа түсетін зат тағы да электр зарядына ие (ғарыш газы мен шаң бөлшектері оңай иондалады) және айналу моменті (құлдырау бұралумен, спиральмен жүреді). Кез келген физикалық процесте инерция моменті мен заряд сақталады, сондықтан қара тесіктердің пайда болуы да ерекшелік емес деп есептеуге болады.

Бірақ одан да күшті мәлімдеме шындық болып табылады, оның белгілі бір жағдайы мақаланың бірінші бөлігінде тұжырымдалған (қараңыз: А. Левин, Қара тесіктердің таңғажайып тарихы, Танымал механика, № 11, 2005). Макроскопиялық қара тесіктің ата -бабалары қандай болса да, ол олардан тек массаны, айналу моментін және электр зарядын алады. Джон Уилердің айтуынша, «қара тесіктің түктері жоқ». Өткен ғасырдың 70 -ші жылдарындағы бірнеше теориялық физиктердің бірлескен күш -жігерімен дәлелденген кез келген тесіктің көкжиегінен үштен артық «шаш» ілінбейді деп айту дұрыс болар еді. Рас, шұңқырда магниттік заряд сақталуы керек, оның гипотетикалық тасымалдаушылары, магниттік монополияларды 1931 жылы Пол Дирак болжаған. Алайда, бұл бөлшектер әлі табылған жоқ, төртінші «шаш» туралы айтуға әлі ерте. Негізінде кванттық өрістермен байланысты қосымша «шаштар» болуы мүмкін, бірақ макроскопиялық тесікте олар мүлдем көрінбейді.

Сонда да олар айналады

Егер статикалық жұлдыз қайта зарядталса, онда уақыт кеңістігі өзгереді, бірақ оқиға көкжиегі сфералық болып қала береді. Алайда жұлдызды және галактикалық қара тесіктер бірқатар себептерге байланысты үлкен зарядты көтере алмайды, сондықтан астрофизика тұрғысынан бұл жағдай өте қызықты емес. Бірақ тесіктің айналуы одан да ауыр зардаптарға әкеледі. Біріншіден, көкжиектің пішіні өзгереді. Ортадан тепкіш күштер оны айналу осінің бойымен қысады және оны экваторлық жазықтықта созады, сфера эллипсоид тәрізді нәрсеге айналады. Шын мәнінде, кез келген айналатын дене сияқты көкжиекте де болады, атап айтқанда, біздің планетамызда - Жердің экваторлық радиусы полярлықтан 21,5 км ұзын. Екіншіден, айналу көкжиектің сызықтық өлшемдерін азайтады. Естеріңізге сала кетейік, көкжиек - алыс әлемдерге сигнал жіберетін немесе жібермейтін оқиғалар арасындағы интерфейс. Егер тесіктің ауырлық күші жарық кванттарын баурап алса, онда орталықтан тепкіш күштер, керісінше, олардың ғарыш кеңістігіне шығуына ықпал етеді. Сондықтан айналатын тесіктің көкжиегі массасы бірдей статикалық жұлдыздың көкжиегіне қарағанда оның орталығына жақын орналасуы керек.

Бірақ бұл бәрі емес. Оның айналуындағы тесік айналадағы кеңістікті алып кетеді. Шұңқырға жақын жерде кіру аяқталды; шеткі жақта ол біртіндеп әлсірейді. Сондықтан тесіктің көкжиегі ғарыштың ерекше аймағына - эргосфераға батырылады. Эргосфераның шекарасы полюстердегі көкжиекке тиіп, одан экваторлық жазықтықта ең алыс қозғалады. Бұл бетінде кеңістікті сүйреу жылдамдығы жарық жылдамдығына тең; оның ішінде ол жарық жылдамдығынан үлкен, ал сыртында ол аз. Демек, кез келген материалдық дене, мейлі ол газ молекуласы, ғарыш шаңының бөлшегі немесе барлаушы зонд болсын, эргосфераға енгенде, ол, әрине, тесік айналасында айнала бастайды, және ол сол бағытта.

Жұлдызды генераторлар

Эргосфераның болуы, негізінен, тесікті энергия көзі ретінде пайдалануға мүмкіндік береді және. Эргосфераға қандай да бір зат еніп, екі бөлікке бөлініп кетсін. Мүмкін, олардың бірі көкжиекке түседі, ал екіншісі эргосферадан кетеді, ал оның кинетикалық энергиясы мен бүкіл дененің бастапқы энергиясынан асып түседі! Эргосфераның үстіне түсіп, қайтадан ғарышқа тарайтын электромагниттік сәулеленуді күшейту мүмкіндігі де бар (бұл құбылыс супер сәулелену деп аталады).

Дегенмен, энергияның сақталу заңы мен мызғымайтын - мәңгілік қозғалыс машиналары жоқ. Тесік оған бөлшектерді немесе сәуле энергиясын бергенде, оның айналу энергиясы төмендейді. Ғарыштық супер маховик біртіндеп баяулайды, тіпті соңында тоқтап қалуы мүмкін. Есептелгендей, осылайша тесік массасының 29% дейін энергияға айналуға болады. Бұл процестен гөрі зат пен антиматерияның жойылуы ғана тиімдірек, себебі бұл жағдайда масса толығымен сәулеленуге айналады. Бірақ күн термоядролық отын әлдеқайда төмен тиімділікпен жанып кетеді - шамамен 0,6%.

Демек, тез айналатын қара тесік ғарыштық өркениеттер үшін идеалды энергия генераторы болып табылады (егер, әрине, мұндайлар болса). Қалай болғанда да, табиғат бұл ресурсты ежелден бері қолданып келеді. Квазарлар, ең қуатты ғарыштық «радиостанциялар» (электромагниттік толқындардың көздері), галактикалардың өзектерінде орналасқан алып айналатын тесіктердің энергиясымен қоректенеді. Бұл гипотезаны Эдвин Сальпетер мен Яков Зельдович 1964 жылы алға қойған болатын, содан бері ол жалпы қабылданды. Шұңқырға жақындайтын материал сақина тәрізді құрылымды құрайды, бұл жинақтау дискісі. Тесік маңындағы кеңістік оның айналуынан қатты бұралғандықтан, дискінің ішкі аймағы экваторлық жазықтықта ұсталып, оқиға көкжиегіне қарай баяу орналасады. Бұл аймақтағы газ ішкі үйкеліс арқылы қатты қызады және инфрақызыл, жарық, ультракүлгін және рентген сәулелерін, кейде тіпті гамма кванттарын шығарады. Квазарлар сонымен қатар жылулық емес радио эмиссиясын шығарады, бұл негізінен синхротронды әсерге байланысты.

Өте беткей энтропия

Таздық теоремасы өте қауіпті тұзақты жасырады. Құлап бара жатқан жұлдыз - бұл гравитациялық күштермен сығылған өте ыстық газдың шары. Жұлдызды плазманың тығыздығы мен температурасы неғұрлым жоғары болса, онда тәртіп азаяды және онда хаос болады. Хаос дәрежесі өте нақты физикалық шама - энтропиямен көрінеді. Уақыт өте келе кез келген оқшауланған объектінің энтропиясы артады - бұл термодинамиканың екінші заңының мәні. Жұлдыздың құлауы басталғанға дейін энтропиясы өте жоғары, ал тесіктің энтропиясы өте аз болып көрінеді, өйткені тесікті бір мәнді сипаттау үшін тек үш параметр қажет. Гравитациялық коллапс кезінде термодинамиканың екінші заңы бұзыла ма?

Жұлдыз суперноваға айналғанда, оның энтропиясы шығарылған қабықпен бірге алып кетеді деп ойлауға болмады ма? Өкінішке орай жоқ. Біріншіден, конверт массасын жұлдыз массасымен салыстыруға болмайды, сондықтан энтропияның жоғалуы аз болады. Екіншіден, термодинамиканың екінші заңының одан да нанымды психикалық «теріске шығарылуын» ойлап табу оңай. Дайын тесіктің тартылу аймағына нөлдік емес температура мен қандай да бір энтропия денесі түссін. Оқиға көкжиегіне түсіп, ол өзінің энтропиялық қорларымен бірге жоғалады, ал тесіктің энтропиясы, бәлкім, мүлдем артпайды. Шетелдіктердің энтропиясы жоғалмайды, тесіктің ішкі жағына ауысады деп таласуға болады, бірақ бұл жай ғана сөздік трюк. Физика заңдары бізге және біздің құралдарға қол жетімді әлемде орындалады, және кез келген сырттай бақылаушы үшін оқиға көкжиегіндегі аймақ - terra incognita.

Бұл парадоксты Уилердің аспиранты Джейкоб Бекенштейн шешті. Термодинамиканың өте қуатты интеллектуалды ресурсы бар - идеалды жылу қозғалтқыштарын теориялық зерттеу. Бекенштейн жылытқышты қара тесік арқылы жылуды пайдалы жұмысқа айналдыратын психикалық құрылғы ойлап тапты. Бұл модельді қолдана отырып, ол қара тесіктің энтропиясын есептеді. бұл оқиға көкжиегінің ауданына пропорционалды болып шықты... Бұл аймақ тесік радиусының квадратына пропорционал, ол еске түсіретін болсақ, оның массасына пропорционал. Кез келген сыртқы объект түсірілгенде, тесіктің массасы ұлғаяды, радиусы ұзарады, көкжиектің ауданы ұлғаяды және сәйкесінше энтропия артады. Есептеулер көрсеткендей, бөгде затты жұтқан тесіктің энтропиясы осы зат пен тесіктің жиынтық энтропиясынан асып түседі. Сол сияқты, құлап бара жатқан жұлдыздың энтропиясы мұрагерлік тесіктің энтропиясынан кіші дәрежедегі реттерге аз. Шындығында, Бекенштейннің ойлауынан, тесік бетінде нөлдік емес температура бар, сондықтан термиялық фотондар (және жеткілікті қыздыру кезінде басқа бөлшектер) шығарылуы керек. Алайда, Бекенштейн мұндайға баруға батылы бармады (бұл қадамды Стивен Хокинг жасады).

Біз не келдік? Қара тесіктерге шағылысу термодинамиканың екінші заңын өзгеріссіз қалдырып қана қоймайды, сонымен қатар энтропия ұғымын байытуға мүмкіндік береді. Кәдімгі физикалық дененің энтропиясы оның көлеміне азды -көпті пропорционалды, ал тесіктің энтропиясы көкжиектің бетіне пропорционалды. Ол дәл осындай сызықтық өлшемдері бар кез келген материалдық объектінің энтропиясынан үлкен екенін дәлелдеуге болады. Бұл дегеніміз максимумкеңістіктің жабық ауданының энтропиясы тек оның сыртқы шекарасының ауданымен анықталады! Көріп отырғанымыздай, қара тесіктердің қасиеттерін теориялық талдау жалпы физикалық сипаттағы өте терең қорытынды жасауға мүмкіндік береді.

Әлемнің тереңдігіне қарау

Ғарыш тереңдігіндегі қара тесіктерді іздеу қалай жүзеге асады? Бұл сұрақты танымал механика әйгілі астрофизик, Гарвард университетінің профессоры Рамеш Нараянға қойды.

«Қара тесіктердің ашылуын қазіргі астрономия мен астрофизиканың ең үлкен жетістіктерінің бірі деп санаған жөн. Соңғы онжылдықтарда ғарышта мыңдаған рентген көздері анықталды, олардың әрқайсысы кәдімгі жұлдыздан және аккрециялық дискімен қоршалған өте кішкентай жарықсыз объектілерден тұрады. Массасы бір жарымнан үшке дейінгі массасы бар қара денелер, ең алдымен, нейтронды жұлдыздар. Алайда, бұл көрінбейтін объектілердің арасында қара тесік рөліне кемінде жиырма жүз пайыз үміткерлер бар. Сонымен қатар, ғалымдар галактикалық өзектерде жасырынып жатқан кем дегенде екі алып қара тесік бар деген ортақ пікірге келді. Олардың бірі біздің Галактиканың орталығында орналасқан; АҚШ пен Германия астрономдарының былтырғы жарияланымына сәйкес, оның массасы 3,7 миллион күн массасы (M с). Бірнеше жыл бұрын Гарвард-Смитсон астрофизикалық орталығындағы әріптестерім Джеймс Моран мен Линкольн Гринхилл Сейферт галактикасының ортасындағы тесікті өлшеуге үлкен үлес қосты NGC 4258, ол 35 млн. Мүмкін, көптеген галактикалардың өзектерінде массасы миллионнан бірнеше миллиардқа дейінгі саңылаулар болады.

Әзірге Жерден қара тесіктің бірегей қолтаңбасын - оқиғалар көкжиегінің болуын түзетуге ешқандай мүмкіндік жоқ. Дегенмен, біз оның жоқтығына қалай сенуге болатынын білеміз. Нейтронды жұлдыздың радиусы 10 километр; жұлдыздардың құлауы нәтижесінде туған тесіктердің шамасы мен радиусының бірдей тәртібі. Алайда нейтронды жұлдыздың беті қатты, ал тесік жоқ. Нейтронды жұлдыздың бетіне заттың түсуі термоядролық жарылыстарға әкеп соғады, олар екінші реттік рентгендік жарылыстарды тудырады. Ал газ қара шұңқырдың көкжиегіне жеткенде, оның астына түседі және ешқандай сәулеленуде көрінбейді. Сондықтан қысқа рентгендік алаудың болмауы объектінің тесік сипатының күшті дәлелі болып табылады. Қара дыры бар екі ондық екілік жүйенің барлығы мұндай жарқыл шығармайды.

Мойындау керек, қазір біз қара тесіктердің бар екендігі туралы теріс дәлелдермен қанағаттануға мәжбүрміз. Біз тесік деп жариялаған объектілер жалпы қабылданған теориялық модельдер тұрғысынан басқа ештеңе бола алмайды. Басқаша айтқанда, біз оларды тесік ретінде қарастырамыз, себебі біз оларды басқа ештеңе деп санай алмаймыз. Астрономдардың келесі ұрпақтары сәл бақытты болады деп үміттенемін ».

Профессор Нараянның сөзіне астрономдардың қара тесіктердің бар екендігіне бұрыннан сенгенін қосуға болады. Тарихи тұрғыдан алғанда, бұл лауазымға бірінші сенімді үміткер бізден 6500 жарық жылы қашықтықта орналасқан өте жарқын көк суперигант HDE 226868-дің қара серігі болды. Ол 1970 жылдардың басында Cygnus X-1 рентгендік екілік жүйесінде табылған. Соңғы мәліметтер бойынша, оның массасы шамамен 20 M с. Айта кету керек, ағымдағы жылдың 20 қыркүйегінде астрономдар 17 жыл бұрын алғаш рет күдіктенген галактикалық масштабтағы шұңқырдың шындыққа қатысты күмәнін толығымен жоятын мәліметтер жарияланды. Ол M31 галактикасының орталығында орналасқан, ол Андромеда тұмандығы ретінде белгілі. Galaxy M31 өте ескі, шамамен 12 миллиард жыл. Тесік өте үлкен - 140 миллион күн массасы. 2005 жылдың күзіне қарай астрономдар мен астрофизиктер ақырында үш супер массивті қара тесіктердің және тағы бірнеше ондаған қарапайым серіктерінің бар екеніне көз жеткізді.

Теоретиктердің үкімі

Танымал механика сонымен қатар гравитация теориясы бойынша ондаған жылдар бойы қара тесіктер саласында зерттеулер жүргізген ең беделді екі маманмен сөйлесе алды. Біз олардан осы саладағы маңызды жетістіктерді тізіп беруін сұрадық. Калифорния технологиялық институтының теориялық физика профессоры Кип Торн бізге былай деді:

«Егер біз жалпы салыстырмалық теңдеулермен жақсы суреттелген макроскопиялық қара тесіктер туралы айтатын болсақ, онда олардың теориясы саласында негізгі нәтижелер ХХ ғасырдың 60-80 жылдарында алынған. Соңғы жұмыстарға келер болсақ, олардың ішіндегі ең қызықтысы қара тесіктің ішінде қартаю кезінде жүретін процестерді жақсы түсінуге мүмкіндік берді. Соңғы жылдары көп өлшемді кеңістіктегі қара тесіктердің модельдеріне үлкен назар аударылды, олар табиғи түрде жіп теориясында пайда болады. Бірақ бұл зерттеулер енді классикалық емес, әлі ашылмаған кванттық тесіктер. Соңғы жылдардың басты нәтижесі - массасы бірнеше күн массасы бар тесіктердің, сондай -ақ галактикалар орталықтарындағы супер массивті тесіктердің бар екендігінің астрофизикалық расталуы. Бүгінде бұл тесіктердің шынымен де бар екендігіне және олардың пайда болу процестерін жақсы түсінетінімізге еш күмән жоқ ».

Дәл осындай сұраққа академик Марковтың шәкірті, Канаданың Альберт университетінің профессоры Валерий Фролов былай деп жауап берді:

«Ең алдымен, мен Галактикамыздың ортасынан қара тесік табылғанын атар едім. Қосымша өлшемдері бар кеңістіктегі тесіктердің теориялық зерттеулері де өте қызықты, ол коллайдер үдеткіштеріндегі эксперименттерде және ғарыштық сәулелердің жердегі заттармен әрекеттесу процестерінде ұңғымаларды құру мүмкіндігін туғызады. Жақында Стивен Хокинг жұмыстың алдын ала басылымын жіберді, одан қара тесіктен шыққан жылу сәулесі өзінің көкжиегіне түскен объектілердің жағдайы туралы ақпаратты сыртқы әлемге толық қайтарады. Бұрын ол бұл ақпарат қайтымсыз жоғалады деп есептеген, бірақ қазір ол керісінше қорытындыға келді. Соған қарамастан, бұл мәселені ауыртпалықтың кванттық теориясы негізінде шешуге болатынын баса айтуға болады, ол әлі салынбаған ».

Хокингтің жұмысы бөлек пікірге лайық. Кванттық механиканың жалпы қағидаларынан, ешқандай ақпарат ізсіз жоғалмайды, бірақ, мүмкін, аз «оқылатын» формаға өтеді. Алайда, қара тесіктер материяны қайтымсыз түрде бұзады және, мүмкін, ақпаратпен қатал түрде айналысады. 1976 жылы Хокинг мақаланы жариялады, онда бұл тұжырымды математикалық аппарат қолдайды. Кейбір теоретиктер онымен келіссе, кейбірі келіспеді; атап айтқанда, жіп теоретиктері ақпарат бұзылмайды деп есептеді. Хокинг өткен жазда Дублинде өткен конференцияда бұл ақпарат әлі де сақталатынын және термиялық сәулеленумен бірге буланатын тесік бетінен кететінін айтты. Бұл кездесуде Хокинг уақыт бойынша толық жариялауға уәде беріп, өзінің жаңа есептеулерінің схемасын ғана ұсынды. Ал енді, Валерий Фролов айтқандай, бұл жұмыс алдын ала баспа ретінде қол жетімді болды.

Ақырында, біз профессор Фроловтан қара ойықтарды адам интеллектінің фантастикалық жаңалықтарының бірі деп санайтынын түсіндіруді сұрадық.

«Астрономдар ұзақ уақыт бойы жаңа физикалық идеяларды қажет етпейтін объектілерді ашты. Бұл тек планеталарға, жұлдыздар мен галактикаларға ғана емес, ақ ергежейлер мен нейтронды жұлдыздар сияқты экзотикалық денелерге де қатысты. Бірақ қара тесік - бұл мүлде басқа нәрсе, бұл белгісізге серпіліс. Біреу оның ішкі әлемі жер асты әлемін орналастыру үшін ең жақсы жер екенін айтты. Шұңқырларды, әсіресе сингулярлықты зерттеу, физикада соңғы уақытқа дейін іс жүзінде талқыланбаған стандартты емес ұғымдар мен модельдерді қолдануға мәжбүр етеді - мысалы, кванттық тартылыс күші мен жол теориясы. Бұл жерде физика үшін әдеттен тыс, тіпті ауыртпалықты тудыратын көптеген мәселелер туындайды, бірақ қазір түсінікті, бұл мүлдем нақты. Сондықтан тесіктерді зерттеу үнемі физикалық әлем туралы біздің біліміміздің алдында тұрған принципті жаңа теориялық тәсілдерді қажет етеді ».

Француздар мен британдықтар арасында кейде әзіл -қалжың, кейде байсалды даулар болады: көрінбейтін жұлдыздардың болу мүмкіндігін ашқан кім деп есептеуге болады - француз П.Лаплас немесе ағылшын Дж.Мишель? 1973 жылы атақты британдық теоретикалық физиктер С.Хокинг пен Г.Эллис кеңістік пен уақыт құрылымының қазіргі арнайы математикалық есептеріне арналған кітабында француз П.Лапластың еңбегін келтірді. қара жұлдыздардың болуы; онда Дж.Мишелдің жұмысы әлі белгісіз болды. 1984 жылдың күзінде атақты ағылшын астрофизигі М Райс Тулузадағы конференцияда сөйлеген сөзінде Францияда сөйлеу өте ыңғайлы болмаса да, ол ағылшын Дж.Мишелдің көзге көрінбейтін жұлдыздарды бірінші болып болжағанын, және өзінің сәйкес жұмысының бірінші бетінің суретін көрсетті. Бұл тарихи ескертпе көрермендердің қошеметімен және күлкісімен қарсы алынды.

Француздар мен британдықтардың Уранның қозғалысының бұзылуына негізделген Нептун планетасының орнын кім болжағандығы туралы: француз В.Ле Верриер немесе ағылшын Ж.Адамс туралы пікірталастарын қалай еске түсірмеуге болады? Өздеріңіз білетіндей, екі ғалым да жаңа планетаның орнын дербес дұрыс көрсетті. Содан кейін француз В.Ле Верьерге сәттілік көп болды. Бұл көптеген ашылулардың тағдыры. Көбінесе оларды әр түрлі адамдар дерлік бір мезгілде және дербес жасайды.Әдетте, мәселенің мәніне тереңірек енгендерге басымдық беріледі, бірақ кейде бұл тек бақыттың қыңырлығы.

Бірақ П.Лаплас пен Дж.Мичиллдің көрегендігі әлі қара тесік туралы нақты болжам болған жоқ. Неге?

Шындығында, Лаплас кезінде табиғатта жарықтан жылдам ештеңе қозғала алмайтыны әлі белгісіз еді. Жарықтықты қуыста басып озу мүмкін емес! Мұны Эйнштейн біздің ғасырда арнайы салыстырмалық теориясында бекіткен. П.Лаплас үшін ол қарастыратын жұлдыз тек қара түсті (жарықсыз) болды, және ол мұндай жұлдыздың сыртқы әлеммен «қарым-қатынас», кез келген нәрсемен «қатынасу» қабілетін жоғалтатынын білмеді. онда болып жатқан оқиғалар туралы алыс әлемдер. ... Басқаша айтқанда, ол оның «қара» ғана емес, сонымен бірге құлап кететін «тесік» екенін әлі білмеді, бірақ одан шығу мүмкін емес еді. Енді біз білеміз, егер жарық ғарыштың қандай да бір аймағынан шыға алмаса, онда бұл мүлде ештеңе шыға алмайды және біз мұндай затты қара тесік деп атаймыз.

Лаплас пікірін қатал деп санауға болмайтындығының тағы бір себебі, ол құлап түсетін денелер жарық жылдамдығына дейін тездетілетін, ал шығатын жарықтың кідіруі мүмкін болатын үлкен күштің гарбитациялық өрістерін қарастырды, сонымен бірге ол заңды қолданды. гравитация Ньютон.

А.Эйнштейн көрсеткендей, мұндай өрістер үшін Ньютонның гравитация теориясы қолданылмайды және суперкүшті, сонымен қатар тез өзгеретін өрістер үшін жарамды жаңа теория құрды (бұл үшін Ньютон теориясы да қолданылмайды!), Және. оны жалпы салыстырмалылық теориясы деп атады. Дәл осы теорияның тұжырымдары қара тесіктердің болу мүмкіндігін дәлелдеу және олардың қасиеттерін зерттеу үшін қолданылуы тиіс.

Жалпы салыстырмалылық - таңғажайып теория. Бұл соншалықты терең және жұқа, бұл оны білетіндердің барлығында эстетикалық ләззат сезімін тудырады. Кеңестік физиктер Л.Ландау мен Э.Лифшиц «Өріс теориясы» оқулығында оны «бар физикалық теориялардың ішіндегі ең әдемісі» деп атады. Неміс физигі Макс Борн салыстырмалылық теориясының ашылуы туралы: «Мен оны өнер туындысы ретінде жақсы көремін», - деді. Ал кеңес физигі В.Гинзбург бұл «... кескіндеме, мүсін немесе сәулет өнерінің ең керемет шедеврлерін қараған кездегідей сезімді тудырады» деп жазды.

Эйнштейн теориясының әйгілі экспозициясына жасалған көптеген әрекеттер, әрине, бұл туралы жалпы әсер қалдыруы мүмкін. Бірақ, шынымды айтсам, бұл теорияны білуге деген құштарлыққа ұқсамайды, өйткені «Систин Мадоннасының» репродукциясымен танысу Рафаэль данышпаны жасаған түпнұсқаны қарастыру кезінде туындайтын тәжірибеден өзгеше. .

Дегенмен, түпнұсқаны тамашалау мүмкіндігі болмаған кезде, қол жетімді репродукциялармен, жақсылармен (және барлық түрлері бар) танысу мүмкін (және қажет!).

Новиков И.Д.

10 сәуірде Event Horizon Telescope жобасының астрофизиктер тобы қара тесіктің алғашқы суретін шығарды. Бұл алып, бірақ көрінбейтін ғарыштық объектілер әлі де біздің ғаламдағы ең жұмбақ және қызықты.

Төменде оқыңыз

Қара тесік дегеніміз не?

Қара тесік-бұл тартылыс күші соншалықты үлкен болатын барлық объектілерді, соның ішінде жарық жылдамдығымен қозғалатын объектіні (кеңістік уақытындағы аймақ). Жарықтың кванттары да бұл аймақтан шыға алмайды, сондықтан қара тесік көрінбейді. Қара тесік айналасындағы электромагниттік толқындарды, сәулеленуді және кеңістіктің бұрмалануын ғана байқауға болады. Жарияланған Event Horizon телескопы қара тесік оқиғасының көкжиегін бейнелейді - бұл супер гравитация аймағының шеті, аккреционды дискпен қоршалған - тесікпен «сорылған» жарық зат.

«Қара тесік» термині ХХ ғасырдың ортасында пайда болды, оны американдық теориялық физик Джон Арчибальд Уилер енгізді. Ол бұл терминді алғаш рет 1967 жылы ғылыми конференцияда қолданған.

Алайда, объектілердің соншалықты массивті болуы туралы болжамдар тіпті олардың ауырлық күшін жеңе алмайды. Қара тесіктердің қазіргі теориясы жалпы салыстырмалылық шеңберінде қалыптаса бастады. Бір қызығы, Альберт Эйнштейннің өзі қара тесіктердің бар екеніне сенбеген.

Қара тесіктер қайдан пайда болады?

Ғалымдар қара тесіктердің шығу тегі әр түрлі деп санайды. Массивті жұлдыздар өмірінің соңында қара тесікке айналады: миллиардтаған жылдар ішінде газдардың құрамы мен температурасы өзгереді, бұл жұлдыздың ауырлық күші мен ыстық газдардың қысымы арасындағы теңгерімсіздікке әкеледі. Содан кейін жұлдыз құлайды: оның көлемі азаяды, бірақ массасы өзгермегендіктен тығыздығы артады. Кәдімгі жұлдызды масса қара тесіктің радиусы 30 шақырым, тығыздығы текше сантиметрге 200 миллион тоннадан асады. Салыстыру үшін: Жер қара тесікке айналуы үшін оның радиусы 9 миллиметр болуы керек.

Қара тесіктің тағы бір түрі бар - галактикалардың көпшілігінің ядросын құрайтын супер массивті қара тесіктер. Олардың массасы жұлдызды қара тесіктердің массасынан миллиард есе көп. Супер массивті қара тесіктердің шығу тегі белгісіз, олар бір кездері басқа жұлдыздарды жалмап өскен жұлдызды жаппай қара тесіктер болған деген болжам бар.

Ғаламның басында кез келген массаның қысылуынан пайда болатын алғашқы қара тесіктердің болуы туралы даулы пікір бар. Сонымен қатар, Үлкен адрон коллайдерінде массасы элементар бөлшектер массасына жақын өте ұсақ қара тесіктер пайда болады деген болжам бар. Алайда, бұл нұсқаның растауы әлі жоқ.

Қара тесік біздің галактиканы жұтып қоя ма?

Құс жолы галактикасының орталығында қара тесік бар - Стрелец А *. Оның массасы Күннің массасынан төрт миллион есе үлкен, ал көлемі - 25 миллион километр - шамамен 18 күннің диаметріне тең. Мұндай масштаб кейбіреулерді ойландырды: қара галактика біздің бүкіл галактикамызға қауіп төндіріп тұрған жоқ па? Ғылыми фантастикалық жазушылардың ғана мұндай болжамға негіздері жоқ: бірнеше жыл бұрын ғалымдар біздің планетадан 12,5 миллиард жарық жылы қашықтықта орналасқан W2246-0526 галактикасы туралы хабарлаған. W2246-0526 орталығында орналасқан астрономдардың сипаттамасына сәйкес, супер массивті қара тесік оны біртіндеп ыдыратады, нәтижесінде пайда болған сәуле барлық жерде қызып бара жатқан алып газ бұлттарын тездетеді. Қара тесікпен бөлінген галактика 300 триллион күннен де жарқырайды.

Алайда, біздің үй галактикасына ешнәрсе қауіп төндірмейді (кем дегенде қысқа мерзімде). Құс жолындағы көптеген объектілер, соның ішінде Күн жүйесі, қара тартудан өте алыс орналасқан, оның тартылуын сезбейді. Сонымен қатар, «біздің» қара тесік шаңсорғыш сияқты барлық материалды сорып алмайды, тек айналасындағы жұлдыздар тобының гравитациялық зәкірі ретінде әрекет етеді - планеталар үшін Күн сияқты.

Алайда, егер біз қара шұңқырдың оқиғалық көкжиегінен асып түсетін болсақ та, біз оны байқамаймыз.

Егер сіз қара шұңқырға «құлап» қалсаңыз не болады?

Қара тесік тартқан объект, сірә, ол жерден оралмайды. Қара тесіктің ауырлығын жеңу үшін жарық жылдамдығынан жоғары жылдамдықты дамыту қажет, бірақ адамзат мұны қалай жасау керектігін әлі білмейді.

Қара тесік айналасындағы гравитациялық өріс өте күшті және біртекті емес, сондықтан оның қасындағы барлық заттар пішіні мен құрылымын өзгертеді. Оқиға көкжиегіне жақындаған жақ көп күшпен тартылады және үлкен үдеумен түседі, сондықтан бүкіл зат макарон тәрізді болып созылады. Бұл құбылыс өзінің теориялық физигі Стивен Хокингтің «Уақыттың қысқаша тарихы» кітабында сипатталған. Тіпті Хокингке дейін астрофизиктер бұл құбылысты спагеттификация деп атады.

Егер біз спагеттификацияны алдымен қара тесікке дейін ұшқан ғарышкер тұрғысынан сипаттайтын болсақ, онда гравитациялық өріс оның аяғын қатайтады, содан кейін денені созып, жыртып, оны субатомдық бөлшектер ағынына айналдырады.

Қара шұңқырға сырттан түскенін көру мүмкін емес, өйткені ол жарықты сіңіреді. Сыртқы бақылаушы қара тесікке жақындаған заттың біртіндеп баяулайтынын, содан кейін мүлде тоқтайтынын көреді. Осыдан кейін объектінің сұлбасы күннен күнге бұлдырап, қызыл түске ие болады және ақырында мәңгілікке жоғалады.

Стивен Хокингтің болжамы бойынша, қара тесік тартатын барлық объектілер оқиға көкжиегінде қалады. Салыстырмалылық теориясынан, қара тесікке жақын уақыт тоқтағанша баяулайды, сондықтан құлаған адам үшін қара тесікке құлау ешқашан болмайды.

Ішінде не бар?

Белгілі себептерге байланысты қазір бұл сұраққа сенімді жауап жоқ. Алайда, ғалымдар қара шұңқырдың ішінде біз енді жұмыс істемейтін физика заңдарымен келісеміз. Ең қызықты және экзотикалық гипотезалардың бірі бойынша, қара тесік айналасындағы кеңістік-уақыт континуумы соншалықты бұрмаланғандықтан, шындықтың өзінде басқа ғаламға портал болуы мүмкін тесік пайда болады.

Қара тесіктер: Әлемдегі ең жұмбақ заттар

Ғарышты игеру тақырыбында ғылыми -көпшілік фильмдер түсіруге қызығушылықтың жақында өсуіне байланысты, қазіргі көрермен бірегейлік немесе қара тесік сияқты құбылыстар туралы көп естіді. Алайда, фильмдер, әрине, бұл құбылыстардың барлық табиғатын ашпайды, тіпті тиімділігі үшін ғылыми ғылыми теорияларды бұрмалайды. Осы себепті көптеген қазіргі адамдардың бұл құбылыстар туралы ойы не үстірт, не мүлде қате. Бұл мәселенің шешімдерінің бірі - бұл мақала, онда біз бар зерттеулердің нәтижелерін түсінуге тырысамыз және сұраққа жауап береміз - қара тесік деген не?

1784 жылы ағылшын діни қызметкері мен натуралист Джон Мишель Корольдік қоғамға жазған хатында гравитациялық тартымдылығы соншалықты күшті болатын гипотетикалық массивті денені бірінші рет атап өтті, ол үшін екінші ғарыштық жылдамдық жарық жылдамдығынан асып түседі. Екінші ғарыштық жылдамдық - бұл салыстырмалы түрде кішкентай объект аспан денесінің гравитациялық тартымдылығын жеңіп, осы дененің айналасындағы жабық орбита шеңберінен шығуы қажет жылдамдық. Оның есептеулері бойынша, Күннің тығыздығы мен радиусы 500 күн радиусы бар дененің бетінде жарық жылдамдығына тең екінші ғарыштық жылдамдық болады. Бұл жағдайда тіпті жарық мұндай дененің бетінен кетпейді, сондықтан бұл дене тек кіретін жарықты жұтып, бақылаушыға көрінбейтін күйде қалады - қараңғы кеңістіктің фонында қара дақтың бір түрі.

Алайда, Мишельдің супер массивті дене туралы тұжырымдамасы Эйнштейннің жұмысына дейін үлкен қызығушылық тудырмады. Естеріңізге сала кетейік, соңғысы жарық жылдамдығын ақпаратты берудің шектеу жылдамдығы деп анықтаған. Сонымен қатар, Эйнштейн жарық жылдамдығына жақын жылдамдықтар үшін гравитация теориясын кеңейтті (). Нәтижесінде Ньютондық теорияны қара тесіктерге қолдану маңызды болмай қалды.

Эйнштейн теңдеуі

Қара тесіктерге жалпы салыстырмалылықты қолдану және Эйнштейн теңдеулерін шешу нәтижесінде қара тесіктің негізгі параметрлері ашылды, олардың үшеуі ғана бар: масса, электр заряды және бұрыштық импульс. «Қара тесіктердің математикалық теориясы» атты іргелі монографияны жасаған үнді астрофизигі Субраманиан Чандрасехардың елеулі үлесін атап өткен жөн.

Осылайша, Эйнштейн теңдеулерінің шешімі қара тесіктердің мүмкін болатын төрт түрінің төрт нұсқасымен ұсынылған:

BH айналымсыз және зарядсыз - Шварцшильд шешімі. Қара тесіктің алғашқы сипаттамаларының бірі (1916 ж.) Эйнштейн теңдеулерін қолдана отырып, бірақ дененің үш параметрінің екеуін ескерместен. Неміс физигі Карл Шварцшильдтің шешімі сфералық массивті дененің сыртқы гравитациялық өрісін есептеуге мүмкіндік береді. Неміс ғалымының BH тұжырымдамасының ерекшелігі - оқиға көкжиегінің болуы және оның артында жасырылған. Сондай -ақ, Шварцшильд өзінің массасын алған дененің оқиға көкжиегі орналасатын сфераның радиусын анықтайтын гравитациялық радиусты бірінші болып есептеді.
Зарядтаусыз ВГ - Рейснер -Нордстрем ерітіндісі. Қара тесіктің мүмкін электр зарядын ескере отырып, 1916-1918 жж. Бұл заряд қалағандай үлкен бола алмайды және нәтижесінде электрлік итермелеуге байланысты шектеледі. Соңғысы гравитациялық тартылыспен өтелуі керек.
BH айналмалы және зарядсыз - Керр шешімі (1963). Айналмалы Kerr қара тесігі статикадан эргосфераның болуымен ерекшеленеді (осы және қара тесіктің басқа компоненттері туралы - оқыңыз).
BH айналуы мен зарядталуы - Керр - Ньюман шешімі. Бұл шешім 1965 жылы есептелген және қазіргі уақытта ең толық болып табылады, себебі ол BH барлық үш параметрін ескереді. Дегенмен, табиғатта қара тесіктердің шамалы заряды бар деп болжанады.

Қара тесіктің пайда болуы

Қара тесік қалай пайда болады және пайда болады деген бірнеше теория бар, олардың ішіндегі ең атақтысы гравитациялық ыдырау нәтижесінде жеткілікті массасы бар жұлдыздың пайда болуы. Бұл сығылу массасы үштен көп күн массасы бар жұлдыздардың эволюциясын тоқтатуы мүмкін. Мұндай жұлдыздардың ішіндегі термоядролық реакциялар аяқталғаннан кейін олар тез суперденске айнала бастайды. Егер нейтронды жұлдыздың газ қысымы гравитациялық күштердің орнын толтыра алмаса, яғни жұлдыздың массасы деп аталатынды жеңеді. Оппенгеймер - Волков шегі, содан кейін күйреу жалғасады, нәтижесінде зат қара тесікке қысылады.

Қара саңылаудың пайда болуын сипаттайтын екінші сценарий - бұл протогалактикалық газдың, яғни галактикаға немесе қандай да бір кластерге айналу сатысында тұрған жұлдызаралық газдың қысылуы. Егер сол гравитациялық күштердің орнын толтыру үшін ішкі қысым жеткіліксіз болса, қара тесік пайда болуы мүмкін.

Басқа екі сценарий гипотетикалық болып қала береді:

Нәтижесінде BH пайда болуы - деп аталатын. алғашқы қара тесіктер.
Жоғары энергиядағы ядролық реакциялардың нәтижесінде пайда болуы. Мұндай реакциялардың мысалы - коллайдерлік эксперименттер.

Қара тесіктердің құрылысы мен физикасы

Қара тесіктің Шварцшильд құрылымы бұрын айтылған екі элементті ғана қамтиды: қара тесіктің ерекшелігі мен оқиғалық көкжиегі. Сингулярлық туралы қысқаша айтатын болсақ, ол арқылы түзу жүргізудің мүмкін еместігін, сонымен қатар оның ішінде бар физикалық теориялардың көпшілігі жұмыс істемейтінін атап өтуге болады. Осылайша, сингулярлық физика бүгінде ғалымдар үшін жұмбақ болып қала береді. қара тесік - бұл физикалық объект шегінен қайтып оралу мүмкіндігін жоғалтады және міндетті түрде қара тесіктің бірегейлігіне «түседі».

Қара тесіктің құрылымы Керр ерітіндісінде, атап айтқанда, ВН айналу жағдайында біршама күрделене түседі. Керр шешімі тесіктің эргосферасы бар екенін болжайды. Эргосфера - бұл оқиға көкжиегінен тыс белгілі бір аймақ, оның ішінде барлық денелер қара тесіктің айналу бағытында қозғалады. Бұл аймақ әлі де қызықты емес және оқиға көкжиегінен айырмашылығы, оны тастап кетуге болады. Эргосфера - бұл үлкен денелердің айналасында айналатын заттарды жинайтын дискінің аналогы. Егер статикалық Шварцшильд қара тесік қара шар ретінде ұсынылса, онда эргосфераның болуына байланысты Керри Б.Г., образды эллипсоид пішініне ие, оның формасында біз BH суреттерде, ескі фильмдерде жиі көретінбіз. Видео Ойындары.

Қара тесіктің салмағы қанша? - Қара тесіктің пайда болуы туралы ең үлкен теориялық материал жұлдыздың құлауы нәтижесінде пайда болу сценарийі үшін қол жетімді. Бұл жағдайда нейтронды жұлдыздың ең үлкен массасы мен қара тесіктің минималды массасы Оппенгеймер - Волков шегімен анықталады, оған сәйкес ВН массасының төменгі шегі 2,5 - 3 күн массасы. Ең ауыр қара тесік (NGC 4889 галактикасында) массасы 21 миллиард күн массасына ие. Алайда, жоғары энергиядағы ядролық реакциялар нәтижесінде гипотетикалық түрде пайда болатын ВГ -лерді, мысалы, соқтығысқандардағы реакцияларды ұмытпау керек. Мұндай кванттық қара тесіктердің массасы, басқаша айтқанда, «Планк қара тесіктері», шамасы бойынша реттілікке ие, атап айтқанда 2 · 10 −5 г.
Қара тесіктің көлемі. Минималды BH радиусын минималды массадан есептеуге болады (2,5 - 3 күн массасы). Егер Күннің гравитациялық радиусы, яғни оқиға көкжиегі болатын аудан 2,95 км шамасында болса, онда 3 күн массасының BH радиусының минималды радиусы шамамен тоғыз шақырым болады. Мұндай салыстырмалы түрде кішкентай көлем айналадағы барлық нәрсені тартатын массивтік объектілерге келгенде басына сәйкес келмейді. Алайда кванттық қара тесіктер үшін радиусы - 10 −35 м.
Қара тесіктің орташа тығыздығы екі параметрге байланысты: массасы мен радиусы. Массасы үш күн массасы бар қара тесіктің тығыздығы шамамен 6 · 10 26 кг / м³ құрайды, ал судың тығыздығы 1000 кг / м³ құрайды. Алайда мұндай ұсақ қара тесіктерді ғалымдар тапқан жоқ. Анықталған ВН -дің көпшілігінде массасы 10 5 -тен астам күн массасы бар. Қара тесік неғұрлым массивті болса, оның тығыздығы соғұрлым төмен болатын қызықты үлгі бар. Бұл жағдайда массаның 11 реттік мәнге өзгеруі тығыздықтың 22 ретке өзгеруіне әкеледі. Осылайша, массасы 1 · 10 9 күн массасы бар қара тесіктің тығыздығы 18,5 кг / м³ құрайды, бұл алтынның тығыздығынан бір бірлікке аз. Ал массасы 10 10 күн массасынан асатын ВН орташа тығыздығы ауа тығыздығынан аз болуы мүмкін. Осы есептеулерге сүйене отырып, қара тесіктің пайда болуы заттың сығылуынан емес, белгілі бір көлемде көп мөлшерде заттың жиналуының нәтижесінде пайда болады деп болжау қисынды. BH кванттық жағдайда олардың тығыздығы шамамен 1094 кг / м³ болуы мүмкін.
Қара тесіктің температурасы да оның массасына кері пропорционал. Бұл температура тікелей байланысты. Бұл сәулеленудің спектрі абсолютті қара дененің спектрімен сәйкес келеді, яғни барлық түскен сәулені жұтатын дене. Абсолютті қара дененің сәулелену спектрі оның температурасына ғана тәуелді, содан кейін ВН температурасын Хокинг радиациялық спектрінен анықтауға болады. Жоғарыда айтылғандай, қара тесік неғұрлым кіші болса, соғұрлым бұл сәуле соғұрлым күшті болады. Сонымен қатар, Хокинг радиациясы гипотетикалық болып қала береді, өйткені оны астрономдар әлі байқамаған. Бұдан шығатыны, егер Хокинг радиациясы болса, онда байқалған БГ температурасы соншалықты төмен, ол көрсетілген сәулеленуді тіркеуге мүмкіндік бермейді. Есептеулерге сәйкес, массасы Күннің массасы бар тесіктің температурасы да шамалы (1 · 10 -7 К немесе -272 ° С). Кванттық қара тесіктердің температурасы шамамен 10 12 К жетуі мүмкін, ал олардың жылдам булануымен (шамамен 1,5 минут) мұндай ВН он миллион атом бомбасының энергиясын шығара алады. Бақытымызға орай, мұндай гипотетикалық объектілерді құру үшін үлкен адрон коллайдерінде қол жеткізілген энергиядан 14 есе көп энергия қажет болады. Сонымен қатар, мұндай құбылыстарды астрономдар ешқашан байқамаған.

Қара тесік неден тұрады?

Басқа сұрақ ғалымдарды да, астрофизиканы жақсы көретіндерді де алаңдатады - қара тесік неден тұрады? Бұл сұраққа біржақты жауап жоқ, өйткені кез келген қара шұңқырдың айналасындағы оқиғалар көкжиегінен тыс қарау мүмкін емес. Сонымен қатар, бұрын айтылғандай, қара тесіктің теориялық модельдері оның 3 компонентін ғана қамтамасыз етеді: эргосфера, оқиға көкжиегі және сингулярлық. Эргосферада қара тесік тартқан және қазір айналасында айналатын объектілер - ғарыш денелері мен ғарыштық газдың әр түрлі түрлері бар деп болжау қисынды. Оқиға көкжиегі - бұл жіңішке жасырын шекара, оның шегінен шыққаннан кейін сол ғарыштық денелер BH -дің соңғы негізгі компонентіне - сингулярлыққа қайтарымсыз тартылады. Сингулярлықтың табиғаты бүгін зерттелмеген және оның құрамы туралы айтуға әлі ерте.

Кейбір болжамдар бойынша, қара тесік нейтроннан тұруы мүмкін. Егер біз жұлдыздың нейтронды жұлдызға қысылуының нәтижесінде қара тесік сценарийін ұстанатын болсақ, онда қара тесіктің негізгі бөлігі нейтронды жұлдыздың өзі тұратын нейтрондардан тұрады. Қарапайым сөзбен айтқанда: жұлдыз құлаған кезде оның атомдары электрондардың протонмен қосылатындай жиырылып, осылайша нейтрондар түзеді. Дәл осындай реакция табиғатта жүреді, ал нейтрино эмиссиясы нейтронның пайда болуымен жүреді. Алайда, бұл тек болжамдар.

Егер сіз қара шұңқырға түссеңіз не болады?

Астрофизикалық қара тесікке құлау денені созады. Қараңғылыққа скафандрдан басқа ештеңе кірмейтін гипотетикалық астронавт туралы ойланыңыз. Оқиға көкжиегін кесіп өтіп, ғарышкер бұдан былай шығуға мүмкіндігі болмағанымен, ешқандай өзгерісті байқамайды. Бір сәтте ғарышкер денесінің деформациясы басталатын нүктеге (оқиға көкжиегінен сәл артта) жетеді. Қара тесіктің гравитациялық өрісі біркелкі емес және орталыққа қарай күш градиентінің жоғарылауымен бейнеленгендіктен, ғарышкердің аяқтары гравитациялық әсерге, мысалы, басына қарағанда, көбірек ұшырайды. Содан кейін, ауырлық күшінің, дәлірек айтқанда, толқындық күштердің әсерінен аяқтар тез «құлап» кетеді. Осылайша, дене ұзындығы бойынша біртіндеп созыла бастайды. Бұл құбылысты сипаттау үшін астрофизиктер өте креативті термин - спагеттификация ойлап тапты. Дененің одан әрі созылуы оны атомдарға ыдыратуы ықтимал, олар ерте ме, кеш пе сингулярлыққа жетеді. Бұл жағдайда адамның не сезінетінін кез келген адам болжайды. Айта кету керек, дененің созылу әсері қара тесік массасына кері пропорционалды. Яғни, егер массасы үш күн болатын ВГ денені бірден созса / сындырса, онда қара массаның тесік күші төмен болады, ал кейбір физикалық материалдар құрылымын жоғалтпастан мұндай деформацияға «шыдай алады» деген ұсыныстар бар.

Белгілі болғандай, уақыт жаппай объектілердің қасында баяу ағып жатыр, демек, ғарышкер -суицидке арналған уақыт жердегі адамдарға қарағанда әлдеқайда баяу өтеді. Бұл жағдайда ол достарынан ғана емес, Жердің өзінде өмір сүретін шығар. Ғарышкерге қанша уақыт баяулайтынын анықтау үшін есептеулер қажет болады; алайда, жоғарыда айтылғандарға сәйкес, ғарышкер АҚ -ға өте баяу түседі деп болжауға болады және, мүмкін, оның өмір сүретін сәтін көрмейді. дене деформациялана бастайды.

Бір қызығы, сырттағы байқаушы үшін оқиға көкжиегіне көтерілген барлық денелер олардың бейнесі жоғалғанша осы көкжиектің шетінде қалады. Бұл құбылыстың себебі - гравитациялық қызыл ығысу. Біршама жеңілдете отырып, оқиға көкжиегінде «қатып қалған» жанкешті ғарышкердің денесіне түсетін жарық оның баяулау уақытына байланысты жиілігін өзгертеді деп айта аламыз. Уақыт баяу өткен сайын жарық жиілігі төмендейді және толқын ұзындығы артады. Бұл құбылыстың нәтижесінде, шығу кезінде, яғни сыртқы бақылаушы үшін жарық бірте -бірте төмен жиілікті - қызылға қарай жылжи бастайды. Жарық спектрі бойынша ауысады, өйткені ғарышкер -суицид бақылаушыдан байқалмайтындай болса да, әрі қарай жылжиды және оның уақыты барған сайын баяу өтеді. Осылайша, оның денесі шағылыстыратын жарық көп ұзамай көрінетін спектрден асып түседі (кескін жоғалады), ал болашақта ғарышкердің денесі инфрақызыл аймақта ғана, ал кейінірек - радио жиілікте, және Нәтижесінде радиация мүлдем мүмкін емес болады.

Жоғарыда айтылғандарға қарамастан, өте үлкен массивті қара тесіктерде толқындық күштер қашықтықта соншалықты өзгермейді және құлап жатқан денеге біркелкі әсер етеді деп болжанады. Бұл жағдайда құлаған ғарыш кемесі өзінің құрылымын сақтап қалады. Ақылға қонымды сұрақ туындайды - қара тесік қайда апарады? Бұл сұраққа құрт тесіктері мен қара тесіктер сияқты екі құбылысты байланыстыратын кейбір ғалымдардың жұмысы жауап береді.

1935 жылы Альберт Эйнштейн мен Натан Розен кеңістіктік уақыттың екі нүктесін соңғысы-Эйнштейн-Розеннің қисық жерлеріндегі жолмен байланыстыратын құрт тесіктері деп аталатын гипотезаны алға тартты. көпір немесе құрт ойығы. Ғарыштың осындай қуатты қисаюы үшін алып тесіктері өте қажет болатын үлкен массасы бар денелер қажет болады.

Эйнштейн-Розен көпірі өтпейтін құрт ойығы болып саналады, себебі ол кішкентай және тұрақсыз.

Ақ және қара тесіктер теориясы шеңберінде өтуге болатын құрт ұңғысы мүмкін. Ақ тесік - бұл қара тесікке қамалған ақпараттың шығуы. Ақ тесік жалпы салыстырмалылық шеңберінде сипатталған, бірақ бүгінгі күні ол гипотетикалық болып қала береді және ашылмаған. Американдық ғалымдар Кип Торн мен оның аспиранты Майк Моррис ұсынған құрт шұңқырының тағы бір үлгісін жаяу жүруге болады. Алайда, Моррис-Торн құрт саңылауындағы жағдай сияқты, ақ-қара тесіктерде де саяхаттау мүмкіндігі экзотикалық заттардың болуын талап етеді, олар теріс энергияға ие, сонымен қатар гипотетикалық болып қала береді.

Әлемдегі қара тесіктер

Қара тесіктердің болуы салыстырмалы түрде жақында расталды (2015 ж. Қыркүйек), бірақ сол кезге дейін BH табиғаты туралы айтарлықтай теориялық материалдар, сондай -ақ қара тесік рөліне үміткер көптеген объектілер болды. Ең алдымен, BH мөлшерін ескеру қажет, өйткені құбылыстың табиғаты оларға байланысты:

Жұлдызды масса қара тесік... Мұндай заттар жұлдыздың құлауы нәтижесінде пайда болады. Бұрын айтылғандай, мұндай қара тесік қалыптастыруға қабілетті дененің минималды массасы 2,5 - 3 күн массасы.
Орташа массалы қара тесіктер... Газ жиналуы, көршілес жұлдыз (екі жұлдызды жүйеде) және басқа ғарыштық денелер сияқты жақын орналасқан заттарды сіңіру есебінен ұлғайған қара тесіктердің шартты аралық түрі.
Өте массивті қара тесік... Күн массасы 10 5 -10 10 болатын ықшам нысандар. Мұндай BH -дің айрықша қасиеттері - парадоксалды түрде төмен тығыздық, сондай -ақ жоғарыда айтылған әлсіз толқындық күштер. Бұл біздің Құс жолы галактикасының орталығында (Стрелец А *, Сгр А *), сондай -ақ басқа галактикалардың көпшілігінде орналасқан өте үлкен қара тесік.

Қара үйге үміткерлер

Ең жақын қара тесік, дәлірек айтқанда, BH рөліне үміткер - Күннен 3000 жарық жыл қашықтықта орналасқан объект (V616 Unicorn) (біздің галактикада). Ол екі компоненттен тұрады: массасы күн массасының жартысы бар жұлдыз, сондай -ақ көзге көрінбейтін кішкентай дене, массасы 3 - 5 күн массасы. Егер бұл зат жұлдызды массаның кішкентай қара тесігі болып шықса, онда оң жақта ол ең жақын BH болады.

Осы объектінің артынан екінші қара тесік-бұл BH рөліне бірінші үміткер болып табылатын Cyg X-1 объектісі. Оған дейінгі қашықтық шамамен 6070 жарық жылы. Ол жақсы зерттелген: массасы 14,8 күн массасы және оқиға көкжиегінің радиусы шамамен 26 км.

Кейбір дереккөздерге сәйкес, BH рөліне тағы бір жақын үміткер V4641 Sagittarii (V4641 Sgr) жұлдыздық жүйедегі дене болуы мүмкін, ол 1999 ж. Есептеулер бойынша 1600 жарық жылы қашықтықта орналасқан. Алайда, кейінгі зерттеулер бұл қашықтықты кемінде 15 есеге ұлғайтты.

Біздің галактикада қанша қара тесік бар?

Бұл сұраққа нақты жауап жоқ, өйткені оларды байқау өте қиын, және аспанды зерттеген уақыт бойы ғалымдар Құс жолынан он шақты қара тесік таба алды. Есептеулерге жол бермей, біздің галактикада шамамен 100 - 400 миллиард жұлдыз бар екенін және әрбір мыңыншы жұлдыздың қара тесік қалыптастыру үшін жеткілікті массасы бар екенін байқаймыз. Миллиондаған қара тесіктер Құс жолы болған кезде пайда болуы ықтимал. Үлкен қара тесіктерді тіркеу оңай болғандықтан, біздің галактикадағы ВГ -лардың көпшілігі, шамасы, супермассалық емес деп есептеуге болады. Айта кету керек, NASA-ның 2005 жылғы зерттеулері галактиканың ортасында айналатын қара тесіктердің (10-20 мың) болуын көрсетеді. Сонымен қатар, 2016 жылы жапон астрофизиктері объектінің жанынан массивтік спутникті * - Қара тесік, Сүт жолының ядросын тапты. Бұл дененің шағын радиусына (0,15 жарық жылы), сондай -ақ оның үлкен массасына (100 000 күн массасы) байланысты, ғалымдар бұл нысанның супер массивті қара тесік екенін болжайды.

Біздің галактиканың ядросы, Құс жолының қара тесігі (Стрелец А *, Сгр А *немесе Стрелец А *) өте массалы және массасы 4,31 10 6 күн массасы және радиусы 0,00071 жарық жылы (6,25 жарық жылы) . немесе 6,75 млрд км). Стрелец А * температурасы айналасындағы кластермен бірге шамамен 1 · 10 7 К құрайды.

Ең үлкен қара тесік

Ғалымдар тапқан Ғаламдағы ең үлкен қара тесік - бұл S5 0014 + 81 галактикасының орталығында, Жерден 1,2 · 10 10 жарық жылы қашықтықта орналасқан, өте үлкен массивті қара тесік, FSRQ blazar. Бақылаудың алдын ала нәтижелері бойынша, Свифт ғарыштық обсерваториясын қолдана отырып, ВН массасы 40 миллиард (40 · 10 9) күн массасына тең болды, ал мұндай тесіктің Шварцшильд радиусы 118,35 миллиард километрді (0,013 жарық жылы) құрады. Ол сондай -ақ 12,1 миллиард жыл бұрын пайда болған деп есептеледі (Үлкен жарылыстан 1,6 миллиард жыл). Егер бұл алып қара тесік айналадағы заттарды сіңірмесе, онда ол қара тесіктер дәуіріне дейін аман қалады - Әлемнің даму дәуірінің бірі, онда қара тесіктер үстем болады. Егер S5 0014 + 81 галактикасының ядросы өсе берсе, онда ол Ғаламда болатын соңғы қара тесіктердің біріне айналады.

Қалған екі қара тесік, өздерінің аты болмаса да, олардың пайда болуын эксперименталды түрде растағандықтан, сондай -ақ ауырлық күшін зерттеу үшін маңызды нәтиже бергендіктен, қара тесіктерді зерттеуде үлкен маңызға ие. Біз GW150914 оқиғасы туралы айтып отырмыз, ол екі қара тесіктің бір біріне соғылуы деп аталады. Бұл оқиға тіркелуге мүмкіндік берді.

Қара тесіктерді анықтау

BH анықтау әдістерін қарастырмас бұрын, сұраққа жауап беру керек - неге қара тесік қара? - оған жауап астрофизика мен космология бойынша терең білімді қажет етпейді. Егер гипотетикалықты ескермесеңіз, қара тесік оған түсетін барлық радиацияны сіңіреді және мүлде шығармайды. Егер біз бұл құбылысты толығырақ қарастыратын болсақ, онда электромагниттік сәулелену түріндегі энергияның бөлінуіне әкелетін процестер қара тесіктердің ішінде болмайды деп есептеуге болады. Содан кейін, егер BH сәулеленетін болса, онда ол Хокинг спектрінде болады (ол қызған, мүлдем қара дененің спектрімен сәйкес келеді). Алайда, бұрын айтылғандай, бұл сәулелену анықталмады, бұл қара тесіктердің температурасының мүлде төмен екендігін көрсетеді.

Тағы бір жалпы қабылданған теория электромагниттік сәулеленудің оқиға көкжиегінен шығуға мүлде қабілетсіз екенін айтады. Мүмкін, фотондарды (жарық бөлшектерін) массивті заттар тартпайды, өйткені теория бойынша олардың өздері массасы жоқ. Алайда, қара тесік әлі күнге дейін кеңістік-уақытты бұрмалау арқылы жарық фотондарын «тартады». Егер біз кеңістіктегі ВГ-ны кеңістік-уақыттың тегіс бетіндегі депрессияның бір түрі деп елестететін болсақ, онда қара тесіктің ортасынан белгілі бір қашықтық бар, оған жақындай отырып, жарық бұдан әрі кете алмайды. Яғни, шамамен айтқанда, жарық «түбі» жоқ «шұңқырға» түсе бастайды.

Бұған қоса, егер біз гравитациялық қызыл ығысудың әсерін ескеретін болсақ, онда қара тесікте жарық өз жиілігін жоғалтады, ол спектр бойымен энергияны жоғалтқанға дейін төмен жиілікті ұзақ толқынды сәулелену аймағына ауысады.

Осылайша, қара тесік қара, сондықтан оны ғарышта табу қиын.

Анықтау әдістері

Астрономдардың қара тесікті анықтау үшін қолданатын әдістерін қарастырыңыз:

Жоғарыда айтылған әдістерден басқа, ғалымдар көбінесе қара тесіктер мен. Квазарлар - бұл Ғарыштағы астрономиялық объектілердің бірі болып табылатын ғарыштық денелер мен газдардың бір түрі. Салыстырмалы түрде аз мөлшерде олар жоғары люминесценция қарқындылығына ие болғандықтан, бұл объектілердің ортасы қоршаған заттарды тартатын супер массивті қара тесік деп есептеуге негіз бар. Осындай күшті гравитациялық тартымдылықтың арқасында тартылған зат өте ыстық, ол қарқынды сәуле шашады. Мұндай объектілерді анықтау әдетте қара тесікті табумен салыстырылады. Кейде квазарлар жылытылатын плазмалық ағындардың екі бағытында сәулеленуі мүмкін - релятивистік ағындар. Мұндай реактивті ұшақтардың пайда болу себептері толық түсініксіз, алайда олар BH магнит өрісі мен аккредициялық дискінің өзара әсерінен туындаған болуы мүмкін және олар тікелей қара тесікпен шығарылмайды.

М87 галактикасындағы реактивті ұшақ BH орталығынан

Жоғарыда айтылғандарды қорытындылай келе, жақыннан елестетуге болады: бұл сфералық қара зат, оның айналасында өте қызған зат айналады, ол жарқырайтын аккрециялық дискіні құрайды.

Қара тесіктердің бірігуі мен соқтығысуы

Астрофизикадағы ең қызықты құбылыстардың бірі - қара тесіктердің соқтығысуы, бұл сондай үлкен астрономиялық денелерді табуға мүмкіндік береді. Мұндай процестер тек астрофизиктерді ғана қызықтырмайды, өйткені олар физиктер нашар зерттеген құбылыстарға әкеледі. Ең айқын мысал - бұрын айтылған GW150914 деп аталатын оқиға, екі қара тесік бір -біріне жақындаған сайын өзара гравитациялық тартылыс нәтижесінде біріге айналды. Бұл соқтығысудың маңызды нәтижесі гравитациялық толқындардың пайда болуы болды.

Гравитациялық толқындардың анықтамасына сәйкес, бұл массалық қозғалатын объектілерден толқын тәрізді таралатын гравитациялық өрістегі өзгерістер. Мұндай екі объект бір -біріне жақындағанда, олар ортақ ауырлық центрінің айналасында айнала бастайды. Олар бір -біріне жақындаған сайын олардың өз осінің айналасында айналуы артады. Гравитациялық өрістің мұндай өзгермелі тербелістері бір сәтте ғарышта миллиондаған жарық жылында тарала алатын бір күшті гравитациялық толқын қалыптастыруы мүмкін. Осылайша, 1,3 миллиард жарық жыл қашықтықта екі қара тесік соқтығысып, күшті гравитациялық толқын құрады, ол 2015 жылдың 14 қыркүйегінде Жерге жетті және LIGO мен VIRGO детекторлары арқылы тіркелді.

Қара тесіктер қалай өледі?

Әрине, қара тесік жойылуы үшін оның барлық массасы жоғалуы керек. Алайда, оның анықтамасы бойынша, егер ол оқиға көкжиегін кесіп өткен болса, қара тесік шегінен ештеңе шыға алмайды. Кеңес теориялық физигі Владимир Грибов басқа кеңестік ғалым Яков Зельдовичпен талқылауында бөлшектердің қара тесікпен шығарылу мүмкіндігін бірінші болып айтқандығы белгілі. Ол кванттық механика тұрғысынан қара тесік туннельдік эффект арқылы бөлшектер шығаруға қабілетті екенін дәлелдеді. Кейінірек, кванттық механиканың көмегімен ағылшын теориялық физигі Стивен Хокинг өзінің жеке теориясын құрды. Сіз бұл құбылыс туралы толығырақ оқи аласыз. Қысқаша айтқанда, вакуумда үнемі жұп болып туылатын және бір-бірімен жойылатын, бірақ сыртқы әлеммен әрекеттеспейтін виртуалды бөлшектер деп аталады. Бірақ егер мұндай жұптар қара шұңқырдың оқиғалық көкжиегінде пайда болса, онда күшті гравитация гипотетикалық түрде оларды бөлуге қабілетті, бір бөлшек BH ішіне түсіп, екіншісі қара тесіктен кетеді. Ал тесіктен шыққан бөлшекті байқауға болады, демек оң энергияға ие болғандықтан, тесікке түсетін бөлшектің теріс энергиясы болуы керек. Осылайша, қара тесік энергиясын жоғалтады және қара тесіктің булануы деп аталатын әсер пайда болады.

Қара тесіктің қол жетімді модельдеріне сәйкес, бұрын айтылғандай, оның массасы азайған сайын оның сәулеленуі күшейе түседі. Содан кейін, BH пайда болуының соңғы кезеңінде, ол кванттық қара тесік мөлшеріне дейін кішірейген кезде, ол сәуле түрінде үлкен энергия бөледі, ол мыңдаған немесе тіпті миллиондаған эквивалентті болуы мүмкін. атом бомбалары. Бұл оқиға дәл сол бомба сияқты қара тесіктің жарылуын еске түсіреді. Есептеулерге сәйкес, Үлкен жарылыстың нәтижесінде алғашқы қара тесіктер пайда болуы мүмкін еді, ал олардың массасы шамамен 10 12 кг болатындар біздің уақытта буланып, жарылып кетуі керек еді. Мұндай жарылыстарды астрономдар ешқашан байқамаған.

Хокинг ұсынған қара тесіктерді жою механизміне қарамастан, Хокинг радиациясының қасиеттері кванттық механика шеңберінде парадокс тудырады. Егер қара тесік денені жұтып, содан кейін осы дененің сіңірілуінен болатын массасын жоғалтып алса, онда дененің табиғатына қарамастан, қара тесік денені сіңіргенге дейінгіден айырмашылығы болмайды. Бұл жағдайда дене туралы ақпарат мәңгілікке жоғалады. Теориялық есептеулер тұрғысынан бастапқы таза күйдің алынған аралас («жылулық») күйге айналуы кванттық механиканың қазіргі теориясына сәйкес келмейді. Бұл парадоксты кейде ақпараттың қара тесікке жоғалуы деп атайды. Бұл парадокстың түпкілікті шешімі ешқашан табылған жоқ. Парадоксты шешудің белгілі нұсқалары:

Хокинг теориясының сәйкес келмеуі. Бұл қара тесікті жоюдың мүмкін еместігіне және оның үнемі өсуіне әкеледі.
Ақ тесіктердің болуы. Бұл жағдайда алынған ақпарат жоғалмайды, тек басқа Әлемге лақтырылады.
Кванттық механиканың жалпы қабылданған теориясының сәйкес келмеуі.

Қара тесік физикасының шешілмеген мәселелері

Шамасы, бұрын сипатталған нәрсе, қара тесіктер салыстырмалы түрде ұзақ уақыт зерттелгенімен, олардың әлі де көптеген ерекшеліктері бар, олардың механизмдері ғалымдарға әлі белгісіз.

1970 жылы ағылшын ғалымы деп аталатын тұжырым жасады. «Ғарыштық цензура принципі» - «Табиғат жалаңаш бірегейлікті жек көреді». Бұл сингулярлық қара тесіктің центрі сияқты көзге көрінбейтін жерлерде ғана қалыптасатынын білдіреді. Алайда бұл принцип әлі дәлелденбеген. Сонымен қатар теориялық есептеулер бар, оларға сәйкес «жалаңаш» сингулярлық пайда болуы мүмкін.
Қара шаштың тек үш параметрі бар «шаш теоремасы» дәлелденбеген.
Қара тесік магнитосферасының толық теориясы әзірленбеген.
Гравитациялық сингулярлықтың табиғаты мен физикасы зерттелмеген.
Қара тесіктің пайда болуының соңғы сатысында не болатыны және оның кванттық ыдырауынан кейін не қалатыны белгісіз.

Қара тесіктер туралы қызықты деректер

Жоғарыда айтылғандарды қорытындылай келе, қара тесіктердің табиғатының бірнеше қызықты және ерекше ерекшеліктері бар:

BH тек үш параметрге ие: масса, электр заряды және бұрыштық импульс. Бұл дененің сипаттамаларының аз болуының нәтижесінде мұны растайтын теорема «шашсыз теорема» деп аталады. Бұл сондай -ақ «қара тесіктің түктері жоқ» деген сөзді тудырды, яғни екі қара тесік бірдей, олардың үш параметрі бірдей.
BH тығыздығы ауа тығыздығынан аз болуы мүмкін, ал температура абсолютті нөлге жақын. Бұдан қара тесіктің пайда болуы заттың сығылуынан емес, белгілі бір көлемде көп мөлшерде заттың жиналуының нәтижесінде пайда болады деп болжауға болады.
ВГ жұтатын денелердің уақыты сыртқы бақылаушыға қарағанда әлдеқайда баяу өтеді. Сонымен қатар, сіңірілген денелер ғалымдар спагеттизация деп атаған қара тесіктің ішінде айтарлықтай созылады.
Біздің галактикада миллионға жуық қара тесік болуы мүмкін.
Әр галактиканың ортасында өте үлкен қара тесік бар шығар.
Болашақта теориялық модельге сәйкес, ғалам қара тесіктердің дәуіріне жетеді, сол кезде қара тесіктер ғаламдағы үстем денелерге айналады.