Astronomas juodosios skylės atradėjas 6 raidžių kryžiažodis Juodųjų skylių istorija. Labai paviršutiniška entropija

Juodosios skylės, tamsioji medžiaga, tamsioji medžiaga... Tai neabejotinai keisčiausi ir paslaptingiausi objektai erdvėje. Jų keistos savybės gali mesti iššūkį Visatos fizikos dėsniams ir net esamos tikrovės prigimtį. Norėdami suprasti, kas yra juodosios skylės, mokslininkai siūlo „pakeisti orientyrus“, išmokti mąstyti už dėžutės ribų ir pritaikyti šiek tiek vaizduotės. Juodosios skylės susidaro iš itin masyvių žvaigždžių šerdies, kurią galima apibūdinti kaip erdvės regioną, kuriame tuštumose telkiasi didžiulė masė, ir niekas, net šviesa, negali išvengti gravitacinio traukos. Tai sritis, kurioje antrasis kosminis greitis viršija šviesos greitį: Ir kuo judėjimo objektas masyvesnis, tuo greičiau jis turi judėti, kad atsikratytų gravitacijos. Tai žinoma kaip antrasis erdvės greitis.

Collier enciklopedija juodosiomis skylėmis vadina erdvę erdvėje, atsiradusią dėl visiško gravitacinio materijos griūties, kurioje gravitacinė trauka tokia didelė, kad nei materija, nei šviesa, nei kiti informacijos nešėjai negali iš jos išeiti. Todėl juodosios skylės vidus nėra priežastiniu ryšiu susijęs su likusia visatos dalimi; fiziniai procesai, vykstantys juodosios skylės viduje, negali turėti įtakos procesams už jos ribų. Juodąją skylę supa paviršius, turintis vienkryptės membranos savybę: pro ją medžiaga ir spinduliuotė laisvai patenka į juodąją skylę, tačiau iš ten niekas negali ištrūkti. Šis paviršius vadinamas „įvykių horizontu“.

Atradimų istorija

Juodąsias skyles, kurias numatė bendroji reliatyvumo teorija (1915 m. Einšteino pasiūlyta gravitacijos teorija) ir kitas modernesnes gravitacijos teorijas, matematiškai pagrindė R. Oppenheimeris ir H. Snyderis 1939 m. Tačiau erdvės ir laiko savybes šalia jų objektai pasirodė tokie neįprasti, kad astronomai ir fizikai į juos rimtai nežiūrėjo jau 25 metus. Tačiau dėl astronominių atradimų septintojo dešimtmečio viduryje juodosios skylės atrodė kaip galima fizinė realybė. Nauji atradimai ir tyrinėjimai gali iš esmės pakeisti mūsų supratimą apie erdvę ir laiką, atskleisti milijardus kosminių paslapčių.

Juodųjų skylių susidarymas

Nors termobranduolinės reakcijos vyksta žvaigždės viduje, jos palaiko aukštą temperatūrą ir slėgį, neleidžiant žvaigždei susitraukti veikiant savo gravitacijai. Tačiau laikui bėgant branduolinis kuras išsenka ir žvaigždė pradeda trauktis. Skaičiavimai rodo, kad jei žvaigždės masė neviršys trijų Saulės masių, ji laimės „kovą su gravitacija“: jos gravitacinį kolapsą sustabdys „išsigimusios“ materijos slėgis, o žvaigždė amžinai virs baltoji nykštukė arba neutroninė žvaigždė. Bet jei žvaigždės masė yra didesnė nei trys Saulės masės, niekas negali sustabdyti jos katastrofiško žlugimo ir ji greitai pateks po įvykių horizontu, tapdama juodąja skyle.

Ar juodoji skylė yra spurgos skylė?

Nelengva pastebėti tai, kas neskleidžia šviesos. Vienas iš būdų rasti juodąją skylę yra ieškoti masyvių ir tamsioje erdvėje esančių sričių. Ieškodami tokio tipo objektų, astronomai juos rado dviejuose pagrindiniuose regionuose: galaktikų centruose ir dvinarių žvaigždžių sistemose mūsų galaktikoje. Iš viso, kaip teigia mokslininkai, tokių objektų yra dešimtys milijonų.

Juodųjų skylių istorija

Aleksejus Levinas

Mokslinis mąstymas kartais konstruoja objektus, pasižyminčius tokiomis paradoksaliomis savybėmis, kad net įžvalgiausi mokslininkai iš pradžių atsisako juos atpažinti. Pats vaizdingiausias pavyzdys šiuolaikinės fizikos istorijoje – ilgalaikis nesidomėjimas juodosiomis skylėmis – ekstremaliomis gravitacinio lauko būsenomis, prognozuotas beveik prieš 90 metų. Ilgą laiką jie buvo laikomi grynai teorine abstrakcija ir tik septintajame ir aštuntajame dešimtmečiuose jie patikėjo jų tikrove. Tačiau pagrindinė juodųjų skylių teorijos lygtis buvo gauta daugiau nei prieš du šimtus metų.

Johno Michello įkvėpimas

John Michell, fizikas, astronomas ir geologas, profesorius, vardas Kembridžo universitetas ir Anglijos bažnyčios pastorius, visiškai nepelnytai pasiklydęs tarp Anglijos mokslo žvaigždžių XVIII amžiuje. Michelis padėjo seismologijos, žemės drebėjimų mokslo, pagrindus, atliko puikų magnetizmo tyrimą ir dar gerokai prieš tai, kai Kulonas išrado sukimo balansą, kurį naudojo gravimetriniams matavimams. 1783 m. jis bandė sujungti du puikius Niutono kūrinius – mechaniką ir optiką. Niutonas šviesą laikė mažų dalelių srautu. Michell pasiūlė, kad lengvieji korpusai, kaip ir įprasta medžiaga, paklustų mechanikos dėsniams. Šios hipotezės pasekmė pasirodė labai nebanali – dangaus kūnai gali virsti šviesos spąstais.

Kaip Michell samprotavo? Patrankos sviedinys, paleistas iš planetos paviršiaus, visiškai įveiks savo trauką tik tuo atveju, jei jo pradinis greitis viršys reikšmę, dabar vadinamą antruoju kosminiu greičiu ir pabėgimo greičiu. Jei planetos gravitacija yra tokia stipri, kad pabėgimo greitis viršija šviesos greitį, šviesos korpusai, išleisti į zenitą, negali patekti į begalybę. Tas pats atsitiks ir su atspindėta šviesa. Vadinasi, labai toli esančiam stebėtojui planeta bus nematoma. Michelis apskaičiavo tokios planetos R cr spindulio kritinę reikšmę, priklausomai nuo jos masės M, sumažintos iki mūsų Saulės masės M s: R cr = 3 km x M / M s.

Johnas Michellas patikėjo savo formulėmis ir manė, kad kosmoso gelmės slepia daugybę žvaigždžių, kurių jokiu teleskopu negalima pamatyti iš Žemės. Vėliau didysis prancūzų matematikas, astronomas ir fizikas Pierre'as Simonas Laplasas priėjo prie tos pačios išvados, įtraukdamas ją ir į pirmąjį (1796 m.), ir į antrąjį (1799 m.) savo Pasaulio sistemos ekspozicijos leidimus. Tačiau trečiasis leidimas buvo išleistas 1808 m., kai dauguma fizikų šviesą jau laikė eterio svyravimais. „Nematomų“ žvaigždžių egzistavimas prieštaravo šviesos bangų teorijai, todėl Laplasas manė, kad geriausia jų neminėti. Vėlesniais laikais ši idėja buvo laikoma įdomybe, verta pristatyti tik fizikos istorijos veikaluose.

Schwarzschild modelis

1915 m. lapkritį Albertas Einšteinas paskelbė gravitacijos teoriją, kurią pavadino bendrąja reliatyvumo teorija (GTR). Šis kūrinys iš karto susirado dėkingą skaitytoją – jo kolegą iš Berlyno mokslų akademijos Karlą Schwarzschildą. Būtent Schwarzschildas pirmasis pasaulyje panaudojo bendrąjį reliatyvumą, spręsdamas konkrečią astrofizinę problemą, apskaičiuodamas erdvės ir laiko metriką nesisukančio sferinio kūno išorėje ir viduje (dėl konkretumo pavadinsime jį žvaigžde). .

Iš Schwarzschildo skaičiavimų išplaukia, kad žvaigždės gravitacija per daug neiškreipia Niutono erdvės ir laiko struktūros tik tuo atveju, jei jos spindulys yra daug didesnis už tą pačią reikšmę, kurią apskaičiavo Johnas Michellas! Šis parametras pirmą kartą buvo vadinamas Schwarzschild spinduliu, o dabar vadinamas gravitaciniu spinduliu. Pagal bendrąją reliatyvumo teoriją gravitacija neturi įtakos šviesos greičiui, bet sumažina šviesos virpesių dažnį ta pačia proporcija, kaip ir lėtina laiką. Jei žvaigždės spindulys yra 4 kartus didesnis už gravitacinį spindulį, tai laiko tėkmė jos paviršiuje sulėtėja 15%, o erdvė įgauna apčiuopiamą kreivumą. Su dvigubu pertekliumi jis labiau lenkia, o laikas sulėtina jo važiavimą 41%. Pasiekus gravitacinį spindulį, laikas žvaigždės paviršiuje visiškai sustoja (visi dažniai nuliniai, spinduliuotė sustingsta, o žvaigždė užgęsta), tačiau erdvės kreivumas ten vis tiek yra baigtinis. Toli nuo žvaigždės geometrija vis dar išlieka euklido, o laikas nekeičia savo greičio.

Nepaisant to, kad Michell ir Schwarzschild gravitacinio spindulio reikšmės yra vienodos, patys modeliai neturi nieko bendro. Michelle erdvė ir laikas nesikeičia, bet šviesa sulėtėja. Žvaigždė, kurios dydis yra mažesnis už gravitacinį spindulį, ir toliau šviečia, tačiau ją mato tik ne per tolimas stebėtojas. Schwarzschildui šviesos greitis yra absoliutus, tačiau erdvės ir laiko struktūra priklauso nuo gravitacijos. Žvaigždė, patenkanti po gravitaciniu spinduliu, dingsta bet kuriam stebėtojui, kad ir kur jis būtų (tiksliau, ją galima aptikti gravitaciniais efektais, bet jokiu būdu ne spinduliuote).

Nuo netikėjimo iki patvirtinimo

Schwarzschildas ir jo amžininkai manė, kad tokių keistų kosminių objektų gamtoje nėra. Pats Einšteinas ne tik laikėsi tokio požiūrio, bet ir klaidingai manė, kad jam pavyko matematiškai pagrįsti savo nuomonę.

1930-aisiais jaunas indų astrofizikas Chandrasekharas įrodė, kad branduolinį kurą išnaudojusi žvaigždė nusimeta savo apvalkalą ir virsta lėtai vėstančia balta nykštuke tik tada, kai jos masė yra mažesnė nei 1,4 Saulės masės. Netrukus amerikietis Fritzas Zwicky suprato, kad supernovos sprogimai sukuria itin tankius neutroninės medžiagos kūnus; vėliau Levas Landau padarė tokią pačią išvadą. Po Chandrasekhar darbo buvo akivaizdu, kad tokią evoliuciją gali patirti tik žvaigždės, kurių masė didesnė nei 1,4 Saulės masės. Todėl iškilo natūralus klausimas – ar yra viršutinė masės riba supernovoms, kurios po savęs palieka neutronines žvaigždes?

Trečiojo dešimtmečio pabaigoje būsimasis amerikiečių atominės bombos tėvas Robertas Oppenheimeris nustatė, kad tokia riba tikrai egzistuoja ir neviršija kelių saulės masių. Tikslesnio įvertinimo tuo metu nebuvo galima; dabar žinoma, kad neutroninių žvaigždžių masės turi būti 1,5–3 M s intervale. Tačiau net iš apytikslių Oppenheimerio ir jo absolvento George'o Volkovo skaičiavimų išplaukė, kad masyviausi supernovų palikuonys netampa neutroninėmis žvaigždėmis, o pereina į kokią nors kitą būseną. 1939 m. Oppenheimeris ir Hartlandas Snyderis, naudodami idealizuotą modelį, įrodė, kad didžiulė griūvanti žvaigždė traukiasi iki gravitacinio spindulio. Iš jų formulių iš tikrųjų išplaukia, kad žvaigždė tuo nesibaigia, tačiau bendraautoriai nuo tokios radikalios išvados susilaikė.

Galutinis atsakymas buvo rastas XX amžiaus antroje pusėje visos genialių teorinių fizikų galaktikos, įskaitant sovietų, pastangomis. Paaiškėjo, kad panašus griūtis visada suspaudžia žvaigždę „iki galo“, visiškai sunaikindama jos substanciją. Dėl to atsiranda singuliarumas, gravitacinio lauko „superkoncentratas“, uždarytas be galo mažame tūryje. Stacionariai skylei tai yra taškas, besisukančiai - žiedas. Erdvės-laiko kreivumas ir, atitinkamai, gravitacinė jėga, esanti šalia singuliarumo, linksta į begalybę. 1967 metų pabaigoje amerikiečių fizikas Johnas Archibaldas Wheeleris pirmasis tokią žvaigždžių griūties pabaigą pavadino juodąja skyle. Naujasis terminas pamilo fizikus ir sužavėjo jį visame pasaulyje paskleidžiusius žurnalistus (nors prancūzams jis iš pradžių nepatiko, nes posakis trou noir kėlė abejotinų asociacijų).

Ten, už horizonto

Juodoji skylė nėra materija ar spinduliuotė. Turėdami tam tikrą vaizdingumą, galime pasakyti, kad tai yra savaime išsilaikantis gravitacinis laukas, sutelktas stipriai išlenktoje erdvės-laiko srityje. Jo išorinę ribą apibrėžia uždaras paviršius, įvykių horizontas. Jei žvaigždė prieš griūtį nesisuko, šis paviršius pasirodo esantis taisyklingas rutulys, kurio spindulys sutampa su Schwarzschildo spinduliu.

Fizinė horizonto prasmė labai aiški. Šviesos signalas, siunčiamas iš išorinės aplinkos, gali nukeliauti be galo ilgą atstumą. Tačiau signalai, siunčiami iš vidinio regiono, ne tik neperžengs horizonto, bet ir neišvengiamai „pateks“ į singuliarumą. Horizontas yra erdvinė riba tarp įvykių, kurie gali tapti žinomi žemiškiems (ir bet kokiems kitiems) astronomams, ir įvykių, apie kuriuos informacija nepasireikš jokiomis aplinkybėmis.

Kaip turėtų būti „pagal Schwarzschildą“, toli nuo horizonto, skylės trauka yra atvirkščiai proporcinga atstumo kvadratui, todėl tolimam stebėtojui ji pasireiškia kaip įprastas sunkus kūnas. Be masės, skylė paveldi žlugusios žvaigždės inercijos momentą ir jos elektros krūvį. O visos kitos pirmtakės žvaigždės charakteristikos (struktūra, kompozicija, spektrinis tipas ir kt.) nueina į užmarštį.

Į skylę nusiųsime zondą su radijo stotimi, kuri laive kartą per sekundę siunčia signalą. Tolimam stebėtojui, zondui artėjant prie horizonto, laiko intervalai tarp signalų padidės – iš esmės neribotą laiką. Kai tik laivas kirs nematomą horizontą, jis visiškai užsidarys „supra-hole“ pasauliui. Tačiau šis dingimas nebus be pėdsakų, nes zondas duos skylei savo masę, krūvį ir sukimo momentą.

Juodosios skylės spinduliuotė

Visi ankstesni modeliai buvo sukurti remiantis tik bendruoju reliatyvumu. Tačiau mūsų pasaulį valdo kvantinės mechanikos dėsniai, kurie taip pat neignoruoja juodųjų skylių. Šie dėsniai neleidžia centrinio singuliarumo laikyti matematiniu tašku. Kvantiniame kontekste jo skersmuo pateikiamas pagal Planck-Wheeler ilgį, maždaug lygų 10–33 centimetrų. Šioje srityje įprasta erdvė nustoja egzistuoti. Visuotinai pripažįstama, kad skylės centras yra užpildytas įvairiomis topologinėmis struktūromis, kurios atsiranda ir miršta pagal kvantinių tikimybių dėsnius. Tokios burbuliuojančios kvazierdvės, kurią Wheeleris pavadino kvantinėmis putomis, savybės vis dar menkai suprantamos.

Kvantinio singuliarumo buvimas yra tiesiogiai susijęs su materialių kūnų, patenkančių giliai į juodąją skylę, likimu. Artėjant prie skylės centro, bet koks objektas, pagamintas iš šiuo metu žinomų medžiagų, bus sutraiškytas ir suplėšytas potvynio jėgų. Tačiau net jei būsimi inžinieriai ir technologai sukuria kažkokius itin tvirtus lydinius ir kompozitus, turinčius precedento neturinčių savybių, jie visi yra pasmerkti išnykti: juk singuliarumo zonoje nėra nei įprasto laiko, nei įprastos erdvės.

Dabar apsvarstykite skylės horizontą kvantiniame mechaniniame didintuve. Tuščia erdvė – fizinis vakuumas – iš tikrųjų nėra tuščia. Dėl įvairių laukų kvantinių svyravimų vakuume nuolat gimsta ir sunaikinama daugybė virtualių dalelių. Kadangi gravitacija šalia horizonto yra labai stipri, jos svyravimai sukuria itin stiprius gravitacijos pliūpsnius. Įsibėgėję tokiuose laukuose naujagimiai „virtualai“ įgyja papildomos energijos ir kartais tampa įprastomis ilgaamžėmis dalelėmis.

Virtualios dalelės visada gimsta poromis, kurios juda priešingomis kryptimis (to reikalauja impulso tvermės dėsnis). Jei gravitacinis svyravimas iš vakuumo ištraukia porą dalelių, gali atsitikti taip, kad viena iš jų materializuojasi už horizonto, o antroji (pirmosios antidalelė) – viduje. „Vidinė“ dalelė pateks į skylę, tačiau „išorinė“ dalelė gali išeiti palankiomis sąlygomis. Dėl to skylė virsta spinduliuotės šaltiniu ir dėl to praranda energiją, taigi ir masę. Todėl juodosios skylės iš esmės yra nestabilios.

Šis reiškinys vadinamas Hokingo efektu žymaus anglų teorinio fiziko, atradusio jį aštuntojo dešimtmečio viduryje, vardu. Visų pirma Stephenas Hawkingas įrodė, kad juodosios skylės horizontas skleidžia fotonus taip pat, kaip absoliučiai juodas kūnas, įkaitintas iki T = 0,5 x 10–7 x M s / M. Iš to išplaukia, kad skylutei plonėjant jos temperatūra pakyla, natūraliai didėja „garavimas“. Šis procesas yra labai lėtas, o M masės skylės tarnavimo laikas yra apie 10 65 x (M / M s) 3 metai. Kai jos dydis tampa lygus Planck-Wheeler ilgiui, skylė tampa nestabili ir sprogsta, išskirdama tokią pat energiją, kaip tuo pačiu metu sprogstant milijonui dešimties megatonų vandenilinių bombų. Įdomu tai, kad skylės masė jos išnykimo metu vis dar yra gana didelė – 22 mikrogramai. Pagal kai kuriuos modelius skylė neišnyksta be pėdsakų, o palieka stabilų tokios pat masės relikviją, vadinamą maksimoną.

Maksimonas gimė prieš 40 metų – kaip terminas ir kaip fizinė idėja. 1965 metais akademikas M.A.Markovas pasiūlė, kad yra viršutinė elementariųjų dalelių masės riba. Jis pasiūlė šią ribinę vertę laikyti masės matmeniu, kurį galima derinti iš trijų pagrindinių fizinių konstantų – Planko konstantos h, šviesos greičio C ir gravitacinės konstantos G (mėgstantiems smulkmenas: norint tai padaryti, reikia padauginkite h ir C, gautą rezultatą padalinkite iš G ir ištraukite Kvadratinė šaknis). Tai tie patys straipsnyje minimi 22 mikrogramai, ši reikšmė vadinama Planko mase. Tos pačios konstantos gali būti naudojamos norint sudaryti dydį su ilgio matmenimis (išeis Planck-Wheeler ilgis 10–33 cm) ir laiko matmenimis (10–43 sek.).
Markovas samprotavo toliau. Pagal jo hipotezes e, juodosios skylės išgaravimas lemia „sausos liekanos“ – maksimono – susidarymą. Markovas tokias struktūras pavadino elementariomis juodosiomis skylėmis. Kiek ši teorija atitinka tikrovę, vis dar atviras klausimas. Bet kuriuo atveju Markovo maksimonų analogai buvo atgaivinti kai kuriuose juodųjų skylių modeliuose, paremtuose superstygų teorija.

Erdvės gyliai

Juodosios skylės nedraudžiamos fizikos dėsniais, bet ar jos egzistuoja gamtoje? Visiškai griežtų bent vieno tokio objekto buvimo kosmose įrodymų dar nerasta. Tačiau labai tikėtina, kad žvaigždžių juodosios skylės yra kai kurių dvejetainių elementų rentgeno spindulių šaltiniai. Ši spinduliuotė turėtų atsirasti dėl įprastos žvaigždės atmosferos įsiurbimo gretimo skylės gravitaciniu lauku. Dujoms judant link įvykių horizonto jos stipriai įkaista ir skleidžia rentgeno kvantus. Ne mažiau kaip dvi dešimtys rentgeno spindulių šaltinių dabar laikomi tinkamais kandidatais į juodųjų skylių vaidmenį. Be to, žvaigždžių statistikos duomenys rodo, kad vien mūsų galaktikoje yra apie dešimt milijonų žvaigždžių kilmės skylių.

Juodosios skylės taip pat gali susidaryti gravitacinio medžiagos sutirštėjimo procese galaktikos branduoliuose. Taip atsiranda milžiniškos skylės, kurių masė siekia milijonus ir milijardus saulės masių, kurios, greičiausiai, egzistuoja daugelyje galaktikų. Matyt, Paukščių tako centre, uždengtame dulkių debesimis, yra skylė, kurios masė siekia 3-4 milijonus Saulės masių.

Stephenas Hawkingas padarė išvadą, kad savavališkos masės juodosios skylės gali atsirasti iškart po Didžiojo sprogimo, dėl kurio atsirado mūsų Visata. Pirminės skylės, sveriančios iki milijardo tonų, jau išgaravo, tačiau sunkesnės dabar gali pasislėpti kosmoso gelmėse ir laiku surengti kosminius fejerverkus galingų gama spinduliuotės pliūpsnių pavidalu. Tačiau tokių sprogimų iki šiol nebuvo pastebėta.

Juodosios skylės gamykla

Ar įmanoma pagreitinti daleles greitintuve iki tokios didelės energijos ir kad jas susidūrus atsiras juodoji skylė? Iš pirmo žvilgsnio ši mintis tiesiog beprotiška – skylės sprogimas sunaikins visą gyvybę Žemėje. Be to, tai nėra techniškai įmanoma. Jei minimali skylės masė tikrai lygi 22 mikrogramams, tai energijos vienetais ji yra 10 28 elektronvoltai. Ši riba yra 15 dydžių kategorijų didesnė už galingiausio pasaulyje greitintuvo – didelio hadronų greitintuvo (LHC), kuris bus paleistas CERN 2007 m., galimybes.

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

Tačiau gali būti, kad standartinis minimalios skylės masės įvertinimas yra gerokai pervertintas. Bet kokiu atveju, taip teigia fizikai, kurdami superstygų teoriją, kuri apima ir kvantinę gravitacijos teoriją (nors toli gražu nebaigta). Remiantis šia teorija, erdvė turi ne tris, o bent devynis matmenis. Mes nepastebime papildomų matmenų, nes jie yra tokio mažo mastelio, kad mūsų instrumentai jų nesuvokia. Tačiau gravitacija yra visur ir prasiskverbia į paslėptus matmenis. Trimatėje erdvėje gravitacijos jėga yra atvirkščiai proporcinga atstumo kvadratui, o devynių matmenų erdvėje – aštuntam laipsniui. Todėl daugiamačiame pasaulyje gravitacinio lauko stiprumas mažėjant atstumui didėja daug greičiau nei trimačiame. Tokiu atveju Plancko ilgis padidėja daug kartų, o minimali skylės masė smarkiai sumažėja.

Stygų teorija numato, kad devynių matmenų erdvėje gali gimti tik 10–20 g masės juodoji skylė, CERN superakceleratoriuje pagreitintų protonų skaičiuojama reliatyvistinė masė yra maždaug tokia pati. Pagal patį optimistiškiausią scenarijų, kas sekundę jis galės padaryti po vieną skylę, kuri gyvuos apie 10–26 sekundes. Jo garinimo procese gims visokios elementarios dalelės, kurias bus nesunku užregistruoti. Skylės išnykimas sukels energijos išsiskyrimą, kurios neužtenka net vienam mikrogramui vandens pašildyti tūkstantajai laipsnio daliai. Todėl yra vilties, kad LHC pavirs nekenksmingų juodųjų skylių gamykla. Jei šie modeliai bus teisingi, tai tokiose skylėse bus galima registruoti naujos kartos orbitinius kosminių spindulių detektorius.

Visa tai, kas išdėstyta pirmiau, taikoma stacionarioms juodosioms skylėms. Tuo tarpu yra besisukančių skylių, turinčių krūvą įdomių savybių. Juodosios skylės spinduliuotės teorinės analizės rezultatai taip pat paskatino rimtai permąstyti entropijos sampratą, kuri taip pat nusipelno atskiros diskusijos.

Kosminiai super smagračiai

Statinės elektriškai neutralios juodosios skylės, apie kurias kalbėjome, visiškai nebūdingos realus pasaulis... Griūvančios žvaigždės linkusios suktis ir taip pat gali būti įkraunamos elektra.

Plikos galvos teorema

Milžiniškos skylės galaktikos šerdyje, greičiausiai, susidaro iš pirminių gravitacijos kondensacijos centrų – vienos „požvaigždės“ skylės arba kelių skylių, kurios susijungė dėl susidūrimų. Tokios gemalo skylės praryja šalia esančias žvaigždes ir tarpžvaigždines dujas ir taip padaugina jų masę. Po horizontu patenkanti materija vėlgi turi ir elektros krūvį (kosminės dujos ir dulkių dalelės lengvai jonizuojasi), ir sukimo momentą (kritimas vyksta sukant, spirale). Bet kuriame fiziniame procese išsaugomas inercijos ir krūvio momentas, todėl natūralu manyti, kad juodųjų skylių susidarymas nėra išimtis.

Tačiau teisingas ir dar stipresnis teiginys, kurio konkretus atvejis buvo suformuluotas pirmoje straipsnio dalyje (žr. A. Levin, The Amazing History of Black Holes, "Popular Mechanics" Nr. 11, 2005). Kad ir kokie buvo makroskopinės juodosios skylės protėviai, ji iš jų gauna tik masę, sukimosi momentą ir elektros krūvį. Pasak Johno Wheelerio, „juodoji skylė neturi plaukų“. Teisingiau būtų teigti, kad iš kurios nors skylės horizonto kabo ne daugiau kaip trys „plaukeliai“, ką įrodė kelių teorinių fizikų bendromis pastangomis praėjusio amžiaus aštuntajame dešimtmetyje. Tiesa, skylė turi išlaikyti ir magnetinį krūvį, kurio hipotetinius nešiklius, magnetinius monopolius, 1931 metais numatė Paulas Diracas. Tačiau šios dalelės dar neaptiktos, o apie ketvirtąjį „plauką“ kalbėti dar anksti. Iš esmės gali būti papildomų "plaukelių", susijusių su kvantiniais laukais, tačiau makroskopinėje skylėje jie yra visiškai nematomi.

Ir vis dėlto jie sukasi

Jei statinė žvaigždė įkraunama, erdvės ir laiko metrika pasikeis, tačiau įvykių horizontas vis tiek išliks sferinis. Tačiau žvaigždžių ir galaktikos juodosios skylės dėl daugelio priežasčių negali turėti didelio krūvio, todėl astrofizikos požiūriu šis atvejis nėra labai įdomus. Tačiau skylės sukimasis sukelia rimtesnių pasekmių. Pirma, pasikeičia horizonto forma. Išcentrinės jėgos suspaudžia jį išilgai sukimosi ašies ir ištempia pusiaujo plokštumoje, todėl sfera pavirsta į elipsoidą. Iš esmės su horizontu vyksta tas pats, kas su bet kuriuo besisukančiu kūnu, ypač su mūsų planeta - juk Žemės pusiaujo spindulys yra 21,5 km ilgesnis už poliarinį. Antra, sukimasis sumažina tiesinius horizonto matmenis. Prisiminkite, kad horizontas yra sąsaja tarp įvykių, kurie gali siųsti signalus į tolimus pasaulius arba ne. Jei skylės gravitacija patraukia šviesos kvantus, tai išcentrinės jėgos, priešingai, prisideda prie jų pabėgimo į kosmosą. Todėl besisukančios skylės horizontas turėtų būti arčiau jos centro nei tokios pat masės statinės žvaigždės horizontas.

Bet tai dar ne viskas. Jo sukimosi skylė nuneša aplinkinę erdvę. Netoli skylės įtraukimas yra baigtas, periferijoje palaipsniui silpnėja. Todėl skylės horizontas yra panardintas į ypatingą erdvės sritį – ergosferą. Ergosferos riba ties ašigaliais liečia horizontą ir nutolsta toliausiai nuo jo pusiaujo plokštumoje. Šiame paviršiuje erdvės tempimo greitis lygus šviesos greičiui; jo viduje jis didesnis už šviesos greitį, o išorėje mažesnis. Todėl bet koks materialus kūnas, ar tai būtų dujų molekulė, kosminių dulkių dalelė ar žvalgybinis zondas, patekęs į ergosferą, neišvengiamai ima suktis aplink skylę, ir ta pačia kryptimi, kaip ir jis pats.

Žvaigždžių generatoriai

Ergosferos buvimas iš esmės leidžia skylę naudoti kaip energijos šaltinį ir. Tegul koks nors objektas prasiskverbia į ergosferą ir ten suyra į du fragmentus. Gali pasirodyti, kad vienas iš jų pateks po horizontu, o kitas paliks ergosferą, o jo kinetinė energija I viršys pradinę viso kūno energiją! Ergosfera taip pat turi galimybę sustiprinti elektromagnetinę spinduliuotę, kuri patenka į ją ir išsklaido atgal į erdvę (šis reiškinys vadinamas superradiacija).

Tačiau energijos tvermės dėsnis taip pat nepajudinamas – amžinųjų variklių nėra. Kai skylė jai tiekia dalelių ar spinduliuotės energiją, jos pačios sukimosi energija sumažėja. Kosmoso super smagratis pamažu lėtėja, o galiausiai gali net sustoti. Paskaičiuota, kad tokiu būdu į energiją galima paversti iki 29% skylės masės. Tik medžiagos ir antimedžiagos sunaikinimas yra efektyvesnis už šį procesą, nes tokiu atveju masė visiškai paverčiama spinduliuote. Tačiau saulės termobranduolinis kuras išdega daug mažesniu efektyvumu – apie 0,6%.

Vadinasi, greitai besisukanti juodoji skylė yra kone idealus energijos generatorius kosminėms supercivilizacijoms (jei tokios, žinoma, egzistuoja). Bet kokiu atveju gamta šį išteklį naudojo nuo neatmenamų laikų. Kvazarai – galingiausios kosminės „radijo stotys“ (elektromagnetinių bangų šaltiniai) minta milžiniškų besisukančių skylių, esančių galaktikų šerdyje, energija. Šią hipotezę dar 1964 m. iškėlė Edvinas Salpeteris ir Jakovas Zeldovičius, ir nuo tada ji tapo visuotinai priimta. Medžiaga, artėjanti prie skylės, sudaro žiedą primenančią struktūrą, vadinamąjį akrecinį diską. Kadangi erdvė šalia skylės yra stipriai susukta jos sukimosi, vidinė disko zona laikoma pusiaujo plokštumoje ir lėtai nusėda link įvykių horizonto. Dujos šioje zonoje stipriai įkaista dėl vidinės trinties ir sukuria infraraudonuosius, šviesą, ultravioletinius ir rentgeno spindulius, o kartais net gama kvantus. Kvazarai taip pat skleidžia nešiluminę radijo spinduliuotę, kurią daugiausia lemia sinchrotrono efektas.

Labai paviršutiniška entropija

Plikos skylės teorema slepia labai klastingą spąstą. Griūvanti žvaigždė – tai gravitacinių jėgų suspaustas itin karštų dujų dėmė. Kuo didesnis žvaigždžių plazmos tankis ir temperatūra, tuo mažiau tvarkos ir daugiau chaoso joje. Chaoso laipsnis išreiškiamas labai specifiniu fizikiniu dydžiu – entropija. Laikui bėgant bet kurio izoliuoto objekto entropija didėja – tokia yra antrojo termodinamikos dėsnio esmė. Žvaigždės entropija prieš griūties pradžią yra pernelyg didelė, o skylės entropija atrodo labai maža, nes norint vienareikšmiškai apibūdinti skylę, reikia tik trijų parametrų. Ar gravitacinio kolapso metu pažeidžiamas antrasis termodinamikos dėsnis?

Ar galima daryti prielaidą, kad kai žvaigždė virsta supernova, jos entropija nunešama kartu su išmestu apvalkalu? Deja, ne. Pirma, apvalkalo masė negali būti lyginama su žvaigždės mase, todėl entropijos praradimas bus mažas. Antra, nesunku sugalvoti dar įtikinamesnį antrojo termodinamikos dėsnio mintinį „paneigimą“. Tegul nulinės temperatūros kūnas, turintis tam tikrą entropiją, patenka į paruoštos skylės traukos zoną. Patekęs po įvykių horizontu, jis išnyks kartu su entropijos atsargomis, o skylės entropija, greičiausiai, visai nepadidės. Kyla pagunda ginčytis, kad ateivio entropija nedingsta, o persikelia į skylės vidų, tačiau tai tik žodinis triukas. Fizikos dėsniai įgyvendinami mums ir mūsų prietaisams prieinamame pasaulyje, o plotas po įvykių horizontu bet kuriam išoriniam stebėtojui yra terra incognita.

Šį paradoksą išsprendė Wheelerio absolventas Jacobas Bekensteinas. Termodinamika turi labai galingą intelektualinį resursą – idealių šiluminių variklių teorinį tyrimą. Bekensteinas sugalvojo psichikos įrenginį, kuris šilumą paverčia naudingu darbu, naudodamas juodąją skylę kaip šildytuvą. Naudodamas šį modelį, jis apskaičiavo juodosios skylės entropiją, kuris pasirodė proporcingas įvykio horizonto plotui... Šis plotas yra proporcingas skylės spindulio kvadratui, kuris, prisiminus, yra proporcingas jos masei. Užfiksavus bet kurį išorinį objektą, skylės masė didėja, spindulys pailgėja, horizonto plotas didėja ir atitinkamai didėja entropija. Skaičiavimai parodė, kad skylės, prarijusios svetimkūnį, entropija viršija bendrą šio objekto ir skylės entropiją prieš jiems susitinkant. Panašiai ir griūvančios žvaigždės entropija yra daug dydžių mažesnė už įpėdinės skylės entropiją. Tiesą sakant, iš Bekenšteino samprotavimų matyti, kad skylės paviršiaus temperatūra yra nulinė, todėl turi tiesiog skleisti šiluminius fotonus (ir, jei pakankamai šildomas, ir kitas daleles). Tačiau Bekensteinas taip toli eiti neišdrįso (šį žingsnį žengė Stephenas Hawkingas).

Prie ko priėjome? Juodųjų skylių atspindžiai ne tik palieka nepajudinamą antrąjį termodinamikos dėsnį, bet ir leidžia praturtinti entropijos sampratą. Įprasto entropija fizinis kūnas yra daugiau ar mažiau proporcinga jos tūriui, o skylės entropija yra proporcinga horizonto paviršiui. Galima griežtai įrodyti, kad ji yra didesnė už bet kurio materialaus objekto, turinčio tuos pačius linijinius matmenis, entropiją. Tai reiškia kad maksimalus uždaros erdvės entropiją lemia tik jos išorinės ribos plotas! Kaip matome, juodųjų skylių savybių teorinė analizė leidžia daryti labai gilias bendro fizikinio pobūdžio išvadas.

Žvelgiant į visatos gelmes

Kaip vykdoma juodųjų skylių paieška kosmoso gelmėse? Šį klausimą „Popular Mechanics“ uždavė garsiam astrofizikui, Harvardo universiteto profesoriui Rameshui Narayanui.

„Juodųjų skylių atradimas turėtų būti laikomas vienu didžiausių šiuolaikinės astronomijos ir astrofizikos laimėjimų. Pastaraisiais dešimtmečiais kosmose buvo identifikuota tūkstančiai rentgeno šaltinių, kurių kiekvienas susideda iš normalios žvaigždės ir labai mažo nešviečiančio objekto, apsupto akrecinio disko. Tamsūs kūnai, kurių masė svyruoja nuo pusantros iki trijų saulės masių, greičiausiai yra neutroninės žvaigždės. Tačiau tarp šių nematomų objektų yra mažiausiai dvi dešimtys praktiškai šimtaprocentinių kandidatų į juodosios skylės vaidmenį. Be to, mokslininkai sutarė, kad galaktikos branduoliuose slypi mažiausiai dvi milžiniškos juodosios skylės. Vienas iš jų yra mūsų Galaktikos centre; pagal pernai paskelbtą JAV ir Vokietijos astronomų publikaciją, jos masė siekia 3,7 mln. Saulės masių (M s). Prieš keletą metų mano kolegos iš Harvardo-Smithsonian astrofizikos centro Jamesas Moranas ir Linkolnas Greenhillas labai prisidėjo prie Seiferto galaktikos NGC 4258 centre esančios skylės, kuri ištraukė 35 mln. Tikėtina, kad daugelio galaktikų branduoliuose yra skylių, kurių masė nuo vieno milijono iki kelių milijardų Ms.

Kol kas niekaip nepavyksta ištaisyti tikrai unikalaus juodosios skylės požymio iš Žemės – įvykių horizonto. Tačiau mes jau žinome, kaip įsitikinti jo nebuvimu. Neutroninės žvaigždės spindulys yra 10 kilometrų; ta pati eilė ir spindulys skylių, atsiradusių dėl žvaigždžių griūties. Tačiau neutroninė žvaigždė turi kietą paviršių, o skylė – ne. Medžiagos kritimas ant neutroninės žvaigždės paviršiaus sukelia termobranduolinius sprogimus, kurie generuoja periodinius antrosios trukmės rentgeno spindulius. O kai dujos pasiekia juodosios skylės horizontą, jos patenka po ja ir nepasireiškia jokia spinduliuote. Todėl trumpų rentgeno spindulių nebuvimas yra galingas objekto skylės pobūdžio patvirtinimas. Visos dvi dešimtys dvejetainių sistemų, kuriose tikriausiai yra juodųjų skylių, tokių blyksnių neskleidžia.

Reikia pripažinti, kad dabar esame priversti tenkintis neigiamais juodųjų skylių egzistavimo įrodymais. Objektai, kuriuos skelbiame skylėmis, negali būti niekuo kitu visuotinai pripažintų teorinių modelių požiūriu. Kitaip tariant, mes laikome juos skylėmis vien todėl, kad negalime jų pagrįstai laikyti niekuo kitu. Tikimės, kad kitoms astronomų kartoms pasiseks šiek tiek labiau.

Prie profesoriaus Narayano žodžių galime pridurti, kad astronomai jau seniai tikėjo juodųjų skylių egzistavimo tikrove. Istoriškai pirmasis patikimas kandidatas į šią poziciją buvo tamsus labai ryškiai mėlyno supermilžino HDE 226868 palydovas, esantis 6500 šviesmečių atstumu nuo mūsų. Jis buvo aptiktas aštuntojo dešimtmečio pradžioje Cygnus X-1 rentgeno dvejetainėje sistemoje. Naujausiais duomenimis, jo masė yra apie 20 M s. Verta paminėti, kad šių metų rugsėjo 20 dieną buvo paskelbti duomenys, kurie beveik visiškai išsklaidė abejones dėl dar vienos galaktikos masto skylės, kurios egzistavimą astronomai pirmą kartą įtarė prieš 17 metų, realumu. Jis yra M31 galaktikos, geriau žinomos kaip Andromedos ūkas, centre. Galaxy M31 yra labai senas, maždaug 12 milijardų metų. Skylė taip pat gana didelė – 140 milijonų saulės masių. 2005 m. rudenį astronomai ir astrofizikai pagaliau buvo įsitikinę, kad egzistuoja trys supermasyvios juodosios skylės ir dar pora dešimčių kuklesnių jų palydovų.

Teoretikų verdiktas

Populiariesiems mechanikams taip pat pavyko pasikalbėti su dviem autoritetingiausiais gravitacijos teorijos ekspertais, kurie juodųjų skylių tyrimams skyrė dešimtmečius. Paprašėme išvardinti svarbiausius pasiekimus šioje srityje. Štai ką mums pasakė Kalifornijos technologijos instituto teorinės fizikos profesorius Kipas Thorne'as:

„Jei kalbame apie makroskopines juodąsias skyles, kurias gerai apibūdina bendrosios reliatyvumo lygtys, tai jų teorijos srityje pagrindiniai rezultatai buvo gauti dar XX amžiaus 60–80-aisiais. Kalbant apie naujausius darbus, įdomiausias iš jų leido geriau suprasti procesus, vykstančius juodosios skylės viduje senstant. Pastaraisiais metais daug dėmesio buvo skiriama juodųjų skylių modeliams daugiamatėse erdvėse, kurie natūraliai atsiranda stygų teorijoje. Bet šie tyrimai susiję jau ne su klasikinėmis, o su kvantinėmis skylėmis, kurios dar nebuvo atrastos. Pagrindinis pastarųjų metų rezultatas – labai įtikinamas astrofizinis kelių Saulės masių masės skylių, taip pat supermasyvių skylių galaktikų centruose egzistavimo tikrovės patvirtinimas. Šiandien nebėra jokių abejonių, kad šios skylės tikrai egzistuoja ir kad mes gerai suprantame jų formavimosi procesus.

Kanados Alberto provincijos universiteto profesoriaus akademiko Markovo studentas Valerijus Frolovas atsakė į tą patį klausimą:

„Pirmiausia pavadinčiau juodosios skylės atradimą mūsų Galaktikos centre. Taip pat labai įdomūs teoriniai skylių, esančių papildomų matmenų erdvėse, tyrimai, iš kurių matyti, kad atliekant eksperimentus su greitintuvais ir kosminių spindulių sąveikos su antžemine medžiaga procesuose galima susidaryti mažąsias skyles. Neseniai Stephenas Hawkingas išsiuntė išankstinį kūrinio atspaudą, iš kurio matyti, kad šiluminė spinduliuotė iš juodosios skylės visiškai grąžina išoriniam pasauliui informaciją apie po jos horizontu patekusių objektų būklę. Anksčiau jis manė, kad ši informacija negrįžtamai dingsta, o dabar priėjo priešingos išvados. Nepaisant to, reikia pabrėžti, kad ši problema gali būti galutinai išspręsta tik remiantis kvantine gravitacijos teorija, kuri dar nėra sukurta.

Hokingo darbas nusipelno atskiro komentaro. Iš bendrųjų kvantinės mechanikos principų išplaukia, kad jokia informacija nedingsta be pėdsakų, o galbūt pereina į mažiau „skaitomą“ formą. Tačiau juodosios skylės negrįžtamai sunaikina materiją ir, matyt, taip pat griežtai elgiasi su informacija. 1976 m. Hawkingas paskelbė straipsnį, kuriame šią išvadą patvirtino matematinis aparatas. Kai kurie teoretikai jam pritarė, kiti – ne; ypač stygų teoretikai tikėjo, kad informacija yra nesunaikinama. Praėjusią vasarą Dubline vykusioje konferencijoje Hawkingas sakė, kad informacija vis dar saugoma ir palieka garuojančios skylės paviršių kartu su šilumine spinduliuote. Šiame susitikime Hawkingas pateikė tik savo naujų skaičiavimų diagramą, pažadėdamas laikui bėgant juos paskelbti. Ir dabar, kaip sakė Valerijus Frolovas, šis kūrinys tapo išankstiniu spaudiniu.

Galiausiai mes paprašėme profesoriaus Frolovo paaiškinti, kodėl jis mano, kad juodosios skylės yra vienas iš fantastiškiausių žmogaus intelekto išradimų.

„Astronomai ilgą laiką atranda objektus, kuriems suprasti nereikėjo iš esmės naujų fizinių idėjų. Tai taikoma ne tik planetoms, žvaigždėms ir galaktikoms, bet ir egzotiškiems kūnams, tokiems kaip baltosios nykštukės ir neutroninės žvaigždės. Tačiau juodoji skylė yra visai kas kita, tai proveržis į nežinomybę. Kažkas pasakė, kad jos vidus geriausia vieta kad apgyvendintų požemį. Skylių, ypač singuliarumo, tyrimas tiesiog verčia naudoti tokias nestandartines sąvokas ir modelius, kurie iki šiol fizikoje praktiškai nebuvo aptariami – pavyzdžiui, kvantinės gravitacijos ir stygų teorijos. Čia iškyla daug fizikai neįprastų, net skausmingų, bet, kaip dabar aišku, absoliučiai realių problemų. Todėl skylių tyrimas nuolat reikalauja iš esmės naujų teorinių metodų, įskaitant tuos, kurie yra ant mūsų žinių apie fizinį pasaulį slenksčio.

Tarp prancūzų ir britų kartais kyla pusiau juokai, o kartais rimtas ginčas: kas turėtų būti laikomas nematomų žvaigždžių egzistavimo galimybės atradėju? prancūzas P. Laplasas arba anglas J. Michell? 1973 m. garsūs anglų fizikai teoretikai S. Hawkingas ir G. Ellis knygoje, skirtoje šiuolaikinėms specialioms erdvės ir laiko struktūros matematinėms problemoms, citavo prancūzo P. Laplaso darbą, įrodydami, kad gali juodųjų žvaigždžių buvimas; tada J. Michell kūryba dar nebuvo žinoma. 1984 metų rudenį garsus anglų astrofizikas M. Rice'as, kalbėdamas konferencijoje Tulūzoje, sakė, kad nors Prancūzijos teritorijoje kalbėti nėra labai patogu, jis turi pabrėžti, kad anglas J. Michellas pirmasis išpranašavo. nematomos žvaigždės ir parodė pirmojo atitinkamo darbo puslapio momentinę nuotrauką. Ši istorinė pastaba susirinkusiųjų buvo sutikta plojimais ir šypsenomis.

Kaip neprisiminsime prancūzų ir britų diskusijų apie tai, kas, remdamasis Urano judėjimo sutrikimais, numatė Neptūno planetos padėtį: prancūzas W. Le Verrier ar anglas J. Adamsas? Kaip žinote, abu mokslininkai savarankiškai teisingai nurodė naujosios planetos padėtį. Tada labiau pasisekė prancūzui W. Le Verrier. Tai daugelio atradimų likimas. Neretai juos beveik vienu metu ir savarankiškai atlieka skirtingi žmonės.Dažniausiai pirmenybė teikiama tiems, kurie giliau įsiskverbė į problemos esmę, tačiau kartais tai tėra laimės užgaidos.

Tačiau P. Laplaso ir J. Michilo prognozė dar nebuvo tikra juodosios skylės prognozė. Kodėl?

Faktas yra tas, kad Laplaso laikais dar nebuvo žinoma, kad gamtoje niekas negali judėti greičiau už šviesą. Tuštumoje šviesos aplenkti neįmanoma! Tai A Einšteinas nustatė specialiojoje reliatyvumo teorijoje jau mūsų amžiuje. Todėl P. Laplasui jo svarstoma žvaigždė buvo tik juoda (nesviečianti), ir jis negalėjo žinoti, kad tokia žvaigždė apskritai praranda gebėjimą „bendrauti“ su išoriniu pasauliu, „bendrauti“ su bet kuo. tolimi pasauliai apie jame vykstančius įvykius... Kitaip tariant, jis dar nežinojo, kad tai ne tik „juoda“, bet ir „skylė“, į kurią galima įkristi, bet išlipti neįmanoma. Dabar mes žinome, kad jei šviesa negali išeiti iš tam tikros erdvės srities, tai reiškia, kad išvis nieko negali išeiti, ir tokį objektą vadiname juodąja skyle.

Kita priežastis, kodėl Laplaso samprotavimai negali būti laikomi griežtais, yra ta, kad jis laikė milžiniško stiprumo garvitacinius laukus, kuriuose krintantys kūnai pagreitinami iki šviesos greičio, o pati išeinanti šviesa gali būti atidėta, ir tuo pačiu taikė dėsnį. gravitacijos Niutonas.

A. Einšteinas parodė, „kad tokiems laukams Niutono gravitacijos teorija netaikytina, ir sukūrė naują teoriją, kuri galioja tiek superstipriems, tiek greitai besikeičiantiems laukams (kuriems Niutono teorija irgi netaikoma!), Ir. pavadino ją bendrąja reliatyvumo teorija. Būtent šios teorijos išvadomis reikia remtis įrodant juodųjų skylių egzistavimo galimybę ir tiriant jų savybes.

Bendroji reliatyvumo teorija yra nuostabi teorija. Jis toks gilus ir lieknas, kad kiekvienam jį pažįstančiam sukelia estetinio malonumo jausmą. Sovietų fizikai L. Landau ir E. Lifshits savo vadovėlyje „Lauko teorija“ pavadino ją „gražiausia iš visų egzistuojančių fizinių teorijų“. Vokiečių fizikas Maksas Bornas apie reliatyvumo teorijos atradimą pasakė: „Žaviuosi juo kaip meno kūriniu“. A sovietų fizikas V. Ginzburgas rašė, kad tai sukelia „... jausmą... panašų į tą, kuris patiriamas žvelgiant į iškiliausius tapybos, skulptūros ar architektūros šedevrus“.

Daugybė bandymų populiariai išdėstyti Einšteino teoriją, žinoma, gali sudaryti bendrą įspūdį apie ją. Bet, tiesą pasakius, tai lygiai taip pat mažai panašu į paėmimą nuo pačios teorijos pažinimo, kaip ir pažintis su „Siksto Madonos“ reprodukcija skiriasi nuo patirties, kuri kyla, kai svarstomas Rafaelio genijaus sukurtas originalas. .

Ir vis dėlto, kai nėra galimybės grožėtis originalu, galima (ir būtina!) susipažinti su turimomis reprodukcijomis, geresnių gerų (o yra visokių).

Novikovas I.D.

Balandžio 10 d. grupė astrofizikų iš projekto Event Horizon Telescope išleido pirmąją juodosios skylės nuotrauką. Šie milžiniški, bet nematomi kosminiai objektai vis dar yra vieni paslaptingiausių ir labiausiai intriguojančių mūsų Visatoje.

Skaitykite apačioje

Kas yra juodoji skylė?

Juodoji skylė yra objektas (erdvės laiko sritis), kurio gravitacija yra tokia didelė, kad pritraukia visus žinomus objektus, įskaitant tuos, kurie juda šviesos greičiu. Patys šviesos kvantai taip pat negali palikti šio regiono, todėl juodoji skylė yra nematoma. Galite stebėti tik elektromagnetines bangas, spinduliuotę ir erdvės iškraipymus aplink juodąją skylę. Paskelbtas įvykių horizonto teleskopas vaizduoja juodosios skylės įvykių horizontą – supergravitacijos srities kraštą, įrėmintą akreciniu disku – šviečiančia medžiaga, kurią „įsiurbia“ skylė.

Terminas „juodoji skylė“ atsirado XX amžiaus viduryje, jį įvedė amerikiečių fizikas teoretikas Johnas Archibaldas Wheeleris. Pirmą kartą šį terminą jis pavartojo mokslinėje konferencijoje 1967 m.

Tačiau prielaidos apie tokių masyvių objektų egzistavimą, kad net šviesa negali įveikti jų traukos jėgos, buvo iškeltos dar XVIII a. Šiuolaikinė juodųjų skylių teorija pradėjo formuotis bendrosios reliatyvumo teorijos rėmuose. Įdomu tai, kad pats Albertas Einšteinas netikėjo juodųjų skylių egzistavimu.

Iš kur atsiranda juodosios skylės?

Mokslininkai mano, kad juodosios skylės yra skirtingos kilmės. Didžiulės žvaigždės savo gyvavimo pabaigoje tampa juodąja skyle: per milijardus metų keičiasi dujų sudėtis ir temperatūra jose, dėl to atsiranda disbalansas tarp žvaigždės gravitacijos ir karštų dujų slėgio. Tada žvaigždė griūva: jos tūris mažėja, bet kadangi masė nekinta, tankis didėja. Tipiškos žvaigždžių masės juodosios skylės spindulys yra 30 kilometrų, o tankis – daugiau nei 200 milijonų tonų kubiniame centimetre. Palyginimui: kad Žemė taptų juodąja skyle, jos spindulys turi būti 9 milimetrai.

Yra dar vienas juodųjų skylių tipas – supermasyvios juodosios skylės, kurios sudaro daugumos galaktikų branduolius. Jų masė milijardą kartų viršija žvaigždžių juodųjų skylių masę. Supermasyvių juodųjų skylių kilmė nežinoma, spėjama, kad kažkada jos buvo žvaigždžių masės juodosios skylės, kurios augo, rydamos kitas žvaigždes.

Taip pat yra prieštaringa idėja apie pirminių juodųjų skylių, kurios gali atsirasti suspaudus bet kokią masę visatos pradžioje, egzistavimą. Be to, yra prielaida, kad didžiajame hadronų greitintuve susidaro labai mažos juodosios skylės, kurių masė artima elementariųjų dalelių masei. Tačiau šios versijos patvirtinimo kol kas nėra.

Ar juodoji skylė praris mūsų galaktiką?

Paukščių Tako galaktikos centre yra juodoji skylė - Šaulys A *. Jo masė keturis milijonus kartų viršija Saulės masę, o dydis – 25 milijonai kilometrų – maždaug lygus 18 saulių skersmeniui. Toks mastas verčia susimąstyti: ar juodoji skylė nekelia grėsmės visai mūsų galaktikai? Tokios prielaidos turi pagrindo ne tik mokslinės fantastikos rašytojai: prieš keletą metų mokslininkai pranešė apie galaktiką W2246-0526, esančią 12,5 mlrd. šviesmečių nuo mūsų planetos. Remiantis astronomų aprašymu, W2246-0526 centre esanti supermasyvi juodoji skylė ją pamažu drasko, o atsiradusi spinduliuotė į visas puses išsklaido karštus milžiniškus dujų debesis. Juodosios skylės išdraskyta galaktika šviečia ryškiau nei 300 trilijonų saulės.

Tačiau mūsų namų galaktikai negresia (bent jau trumpuoju laikotarpiu). Dauguma Paukščių Tako objektų, įskaitant Saulės sistemą, yra per toli nuo juodosios skylės, kad pajustų jos trauką. Be to, „mūsų“ juodoji skylė neįsiurbia visos medžiagos, kaip dulkių siurblys, o veikia tik kaip gravitacinis inkaras aplink ją skriejančių žvaigždžių grupei – kaip Saulė planetoms.

Tačiau net jei kada nors pateksime už juodosios skylės įvykių horizonto, greičiausiai to net nepastebėsime.

Kas atsitiks, jei „įkrisite“ į juodąją skylę?

Juodosios skylės pritrauktas objektas, greičiausiai, negalės iš ten sugrįžti. Norint įveikti juodosios skylės gravitaciją, reikia išvystyti didesnį nei šviesos greitį, tačiau žmonija dar nežino, kaip tai padaryti.

Gravitacinis laukas aplink juodąją skylę yra labai stiprus ir nevienalytis, todėl visi šalia jos esantys objektai keičia formą ir struktūrą. Ta objekto pusė, kuri yra arčiau įvykių horizonto, traukiama didesne jėga ir krenta didesniu pagreičiu, todėl visas objektas išsitempia, tampa panašus į makaronus. Jis aprašė šį reiškinį savo knygoje " Apsakymas laiku “, garsus teorinis fizikas Stephenas Hawkingas. Dar prieš Hokingą astrofizikai šį reiškinį vadino spagetifikavimu.

Jei apibūdinsite spagečių susidarymą astronauto, kuris pirmiausia nuskrido į juodąją skylę, pėdų požiūriu, tada gravitacinis laukas įtemps jo kojas, o tada ištemps ir suplėšys kūną, paversdamas jį subatominių dalelių srautu.

Neįmanoma pamatyti kritimo į juodąją skylę iš išorės, nes ji sugeria šviesą. Išorinis stebėtojas matys tik tai, kad objektas, artėjantis prie juodosios skylės, palaipsniui sulėtėja, o tada visai sustoja. Po to objekto siluetas vis labiau neryškės, įgaus raudoną spalvą ir galiausiai tiesiog išnyks amžiams.

Remiantis Stepheno Hawkingo prielaida, visi objektai, kuriuos traukia juodoji skylė, lieka įvykių horizonte. Iš reliatyvumo teorijos išplaukia, kad šalia juodosios skylės laikas sulėtėja iki sustojimo, todėl tam, kuris nukrenta, pats kritimas į juodąją skylę gali niekada ir neįvykti.

Kas viduje?

Dėl akivaizdžių priežasčių patikimo atsakymo į šį klausimą dabar nėra. Tačiau mokslininkai sutinka, kad juodojoje skylėje fizikos dėsniai, prie kurių esame įpratę, nebeveikia. Remiantis viena įdomiausių ir egzotiškiausių hipotezių, erdvės-laiko kontinuumas aplink juodąją skylę yra taip iškreiptas, kad pačioje realybėje susidaro skylė, kuri galėtų būti portalu į kitą visatą – arba vadinamąją kirmgraužą.

Juodosios skylės: paslaptingiausi objektai visatoje

Dėl palyginti neseniai išaugusio susidomėjimo kurti populiariuosius mokslinius filmus kosmoso tyrinėjimo tema, šiuolaikinis žiūrovas daug girdėjo apie tokius reiškinius kaip singuliarumas arba juodoji skylė. Tačiau filmai, be abejo, neatskleidžia visos šių reiškinių prigimties, o kartais net iškreipia konstruojamas mokslines teorijas, siekdamos didesnio efektyvumo. Dėl šios priežasties atstovavimas daugeliui šiuolaikiniai žmonės apie šiuos reiškinius arba visiškai paviršutiniškai, arba visiškai klaidingai. Vienas iš problemos sprendimo būdų – šis straipsnis, kuriame pabandysime suprasti esamus tyrimų rezultatus ir atsakyti į klausimą – kas yra juodoji skylė?

1784 m. anglų kunigas ir gamtininkas Johnas Michellas laiške Karališkajai draugijai pirmą kartą paminėjo kokį nors hipotetinį masyvų kūną, turintį tokį stiprų gravitacinį potraukį, kad antrasis kosminis greitis viršys šviesos greitį. Antrasis kosminis greitis yra greitis, kurio prireiks santykinai mažam objektui, kad įveiktų dangaus kūno gravitacinę trauką ir išeitų už uždaros orbitos aplink šį kūną. Jo skaičiavimais, kūno, kurio tankis yra Saulės ir kurio spindulys yra 500 saulės spindulių, paviršiuje bus antrasis kosminis greitis, lygus šviesos greičiui. Tokiu atveju net šviesa nepaliks tokio kūno paviršiaus, todėl šis kūnas tik sugers įeinančią šviesą ir liks nematomas stebėtojui – savotiška juoda dėmė tamsios erdvės fone.

Tačiau Michell supermasyvaus kūno koncepcija nesulaukė didelio susidomėjimo iki pat Einšteino darbo. Prisiminkime, kad pastarasis šviesos greitį apibrėžė kaip ribojantį informacijos perdavimo greitį. Be to, Einšteinas išplėtė gravitacijos teoriją greičiui, artimam šviesos greičiui (). Dėl to juodosioms skylėms taikyti Niutono teoriją nebebuvo aktualu.

Einšteino lygtis

Pritaikius juodosioms skylėms bendrąjį reliatyvumą ir išsprendus Einšteino lygtis, buvo atskleisti pagrindiniai juodosios skylės parametrai, kurių yra tik trys: masė, elektros krūvis ir kampinis momentas. Pažymėtina reikšmingas indų astrofiziko Subramaniano Čandrasekharo indėlis, sukūręs pagrindinę monografiją „Juodųjų skylių matematinė teorija“.

Taigi Einšteino lygčių sprendimas pateikiamas keturiais keturių galimų juodųjų skylių tipų variantais:

BH be sukimosi ir be įkrovimo – Schwarzschildo sprendimas. Vienas pirmųjų juodosios skylės aprašymų (1916 m.), naudojant Einšteino lygtis, tačiau neatsižvelgiant į du iš trijų kūno parametrų. Vokiečių fiziko Karlo Schwarzschildo sprendimas leidžia apskaičiuoti sferinio masyvaus kūno išorinį gravitacinį lauką. Vokiečių mokslininko BH sampratos ypatumas yra įvykių horizonto buvimas ir už jo paslėptas dalykas. Be to, Schwarzschildas pirmasis apskaičiavo gravitacinį spindulį, kuris gavo savo pavadinimą, kuris nustato sferos spindulį, ant kurio būtų įvykio horizontas tam tikros masės kūnui.
BH be sukimosi su įkrovimu - Reisner-Nordström sprendimas. 1916–1918 m. pasiūlytas sprendimas, atsižvelgiant į galimą juodosios skylės elektros krūvį. Šis krūvis negali būti savavališkai didelis ir yra ribotas dėl atsirandančio elektrinio atstūmimo. Pastarąjį turėtų kompensuoti gravitacinė trauka.
BH su sukimu ir be krūvio – Kerro tirpalas (1963). Besisukanti Kero juodoji skylė nuo statinės skiriasi tuo, kad yra vadinamoji ergosfera (apie šią ir kitus juodosios skylės komponentus skaitykite toliau).
BH su sukimu ir įkrovimu - Kerr - Newman sprendimas. Šis sprendimas buvo apskaičiuotas 1965 m. ir šiuo metu yra pats išsamiausias, nes jame atsižvelgiama į visus tris BH parametrus. Tačiau vis dar manoma, kad gamtoje juodosios skylės turi nereikšmingą krūvį.

Juodosios skylės susidarymas

Yra keletas teorijų apie tai, kaip susidaro ir atsiranda juodoji skylė, iš kurių žinomiausia yra pakankamai masės žvaigždės susidarymas dėl gravitacinio kolapso. Šis suspaudimas gali užbaigti žvaigždžių, kurių masė viršija tris saulės mases, evoliuciją. Pasibaigus termobranduolinėms reakcijoms tokių žvaigždžių viduje, jos pradeda greitai subyrėti į supertankias. Jei neutroninės žvaigždės dujų slėgis negali kompensuoti gravitacinių jėgų, tai yra žvaigždės masė įveikia vadinamąją. Oppenheimerio-Volkovo riba, tada žlugimas tęsiasi, todėl materija suspaudžiama į juodąją skylę.

Antrasis scenarijus, apibūdinantis juodosios skylės gimimą, yra protogalaktinių dujų, tai yra tarpžvaigždinių dujų, kurios yra transformacijos į galaktiką ar tam tikrą spiečius, suspaudimas. Jei vidinio slėgio nepakanka, kad kompensuotų tas pačias gravitacijos jėgas, gali atsirasti juodoji skylė.

Kiti du scenarijai lieka hipotetiniai:

BH atsiradimas dėl to - vadinamasis. pirmapradžių juodųjų skylių.
Atsiradimas dėl branduolinių reakcijų esant didelei energijai. Tokių reakcijų pavyzdys yra greitintuvo eksperimentai.

Juodųjų skylių struktūra ir fizika

Schwarzschild juodosios skylės struktūra apima tik du elementus, kurie buvo paminėti anksčiau: juodosios skylės singuliarumą ir įvykių horizontą. Trumpai kalbant apie singuliarumą, galima pastebėti, kad per jį neįmanoma nubrėžti tiesios linijos, be to, dauguma egzistuojančių fizinių teorijų jame neveikia. Taigi singuliarumo fizika šiandien mokslininkams tebėra paslaptis. juodoji skylė yra tam tikra siena, kurią peržengęs fizinis objektas praranda galimybę grįžti atgal už savo ribų ir būtinai „pateks“ į juodosios skylės išskirtinumą.

Juodosios skylės struktūra tampa šiek tiek sudėtingesnė Kerr tirpalo atveju, būtent esant BH sukimuisi. Kerro sprendimas daro prielaidą, kad skylė turi ergosferą. Ergosfera – tam tikra sritis už įvykių horizonto, kurios viduje visi kūnai juda juodosios skylės sukimosi kryptimi. Ši sritis dar neįdomi ir ją galima palikti, skirtingai nei įvykių horizonte. Ergosfera tikriausiai yra savotiškas akrecinio disko, kuris sukasi aplink masyvius kūnus, analogas. Jei statinė Schwarzschildo juodoji skylė vaizduojama kaip juoda sfera, tai Kerry BH dėl ergosferos buvimo turi pailgo elipsoido formą, kurios formoje BH dažnai matėme piešiniuose, senuose filmuose ar Kompiuteriniai žaidimai.

Kiek sveria juodoji skylė? - Didžiausia teorinė medžiaga apie juodosios skylės kilmę yra jos atsiradimo scenarijui, kaip žvaigždės griūties rezultatas. Šiuo atveju didžiausią neutroninės žvaigždės masę ir mažiausią juodosios skylės masę lemia Oppenheimerio-Volkovo riba, pagal kurią apatinė BH masės riba yra 2,5 - 3 Saulės masės. Sunkiausios kada nors atrastos juodosios skylės (galaktikoje NGC 4889) masė siekia 21 milijardą Saulės masių. Tačiau nereikėtų pamiršti apie BH, hipotetiškai atsirandančius dėl branduolinių reakcijų esant didelei energijai, pavyzdžiui, susidūrimo įrenginiuose. Tokių kvantinių juodųjų skylių, kitaip tariant, „Planko juodųjų skylių“, masė yra 2 · 10–5 g.
Juodosios skylės dydis. Minimalus BH spindulys gali būti apskaičiuojamas iš minimalios masės (2,5 - 3 saulės masės). Jei Saulės gravitacinis spindulys, tai yra sritis, kurioje būtų įvykių horizontas, yra apie 2,95 km, tai minimalus 3 saulės masių BH spindulys bus apie devynis kilometrus. Toks palyginti mažas dydis netelpa į galvą, kai ateina apie masyvius objektus, kurie traukia viską aplinkui. Tačiau kvantinių juodųjų skylių spindulys yra – 10–35 m.
Vidutinis juodosios skylės tankis priklauso nuo dviejų parametrų: masės ir spindulio. Juodosios skylės, kurios masė yra maždaug trys saulės masės, tankis yra apie 6 · 10 26 kg / m³, o vandens tankis yra 1000 kg / m³. Tačiau tokių mažų juodųjų skylių mokslininkai nerado. Daugumos aptiktų BH masė yra didesnė nei 10 5 saulės masės. Yra įdomus modelis, pagal kurį kuo masyvesnė juodoji skylė, tuo mažesnis jos tankis. Šiuo atveju masės pokytis 11 dydžių lemia tankio pasikeitimą 22 dydžiais. Taigi juodosios skylės, kurios masė yra 1 · 10 9 saulės masės, tankis yra 18,5 kg / m³, tai yra vienu vienetu mažesnis už aukso tankį. O BH, kurių masė didesnė nei 10 10 saulės masių, vidutinis tankis gali būti mažesnis už oro tankį. Remiantis šiais skaičiavimais, logiška manyti, kad juodoji skylė susidaro ne dėl medžiagos suspaudimo, o dėl didelio medžiagos kiekio susikaupimo tam tikrame tūryje. Kvantinių BH atveju jų tankis gali būti apie 1094 kg / m³.
Juodosios skylės temperatūra taip pat yra atvirkščiai proporcinga jos masei. Ši temperatūra yra tiesiogiai susijusi su. Šios spinduliuotės spektras sutampa su absoliučiai juodo kūno spektru, tai yra kūno, kuris sugeria visą krintančią spinduliuotę. Absoliučiai juodo kūno spinduliuotės spektras priklauso tik nuo jo temperatūros, tada BH temperatūrą galima nustatyti iš Hokingo spinduliuotės spektro. Kaip minėta aukščiau, kuo mažesnė juodoji skylė, tuo ši spinduliuotė yra galingesnė. Šiuo atveju Hokingo spinduliuotė lieka hipotetinė, nes astronomai jos dar nepastebėjo. Iš to išplaukia, kad jei Hokingo spinduliuotė egzistuoja, tai stebimų BH temperatūra yra tokia žema, kad neleidžia registruoti nurodytos spinduliuotės. Remiantis skaičiavimais, net skylės, kurios masė yra panaši į Saulės masę, temperatūra yra nereikšminga (1 · 10 -7 K arba -272 ° C). Kvantinių juodųjų skylių temperatūra gali siekti apie 10 12 K, o joms greitai išgaruojant (apie 1,5 min.), tokie BH gali skleisti dešimties milijonų atominių bombų energijos. Tačiau, laimei, tokių hipotetinių objektų sukūrimui reikės 10 14 kartų didesnės energijos nei šiandien gaunama Didžiajame hadronų greitintuve. Be to, tokių reiškinių astronomai niekada nepastebėjo.

Iš ko susideda juodoji skylė?

Kitas klausimas neramina ir mokslininkus, ir tuos, kurie tiesiog mėgsta astrofiziką – iš ko susideda juodoji skylė? Vienareikšmiško atsakymo į šį klausimą nėra, nes neįmanoma pažvelgti už bet kurią juodąją skylę supančio įvykių horizonto. Be to, kaip minėta anksčiau, teoriniai juodosios skylės modeliai numato tik 3 jos komponentus: ergosferą, įvykių horizontą ir singuliarumą. Logiška manyti, kad ergosferoje yra tik tie objektai, kuriuos patraukė juodoji skylė ir kurie dabar sukasi aplink ją – įvairūs kosminiai kūnai ir kosminės dujos. Įvykių horizontas yra tik plonytė numanoma riba, kurią užkritus tie patys kosminiai kūnai negrįžtamai traukia prie paskutinio pagrindinio BH komponento – singuliarumo. Singuliarumo prigimtis šiandien netirta ir apie jo sudėtį kalbėti dar anksti.

Remiantis kai kuriomis prielaidomis, juodoji skylė gali būti sudaryta iš neutronų. Jei laikysimės juodosios skylės scenarijaus dėl žvaigždės susitraukimo į neutroninę žvaigždę ir jos vėlesnį susitraukimą, tada tikriausiai didžiąją juodosios skylės dalį sudaro neutronai, iš kurių susideda pati neutroninė žvaigždė. Paprastais žodžiais tariant: kai žvaigždė žlunga, jos atomai susitraukia taip, kad elektronai susijungia su protonais ir taip susidaro neutronai. Panaši reakcija iš tikrųjų vyksta gamtoje, o neutrinų emisija vyksta susidarant neutronui. Tačiau tai tik prielaidos.

Kas atsitiks, jei pateksite į juodąją skylę?

Įkritimas į astrofizinę juodąją skylę ištempia kūną. Apsvarstykite hipotetinį savižudį astronautą, kuris žengia į juodąją skylę tik su skafandru, kojomis pirmiau. Kirtęs įvykių horizontą, astronautas nepastebės jokių pokyčių, nepaisant to, kad nebeturi galimybės išlipti. Tam tikru momentu astronautas pasieks tašką (šiek tiek už įvykių horizonto), kuriame prasidės jo kūno deformacija. Kadangi juodosios skylės gravitacinis laukas yra nehomogeniškas ir jį vaizduoja jėgos gradientas, didėjantis link centro, astronauto kojos bus veikiamos žymiai didesnio gravitacinio poveikio nei, pavyzdžiui, galva. Tada dėl gravitacijos, tiksliau, potvynio jėgų, kojos „nukris“ greičiau. Taigi kūnas pradeda palaipsniui tempti ilgį. Šiam reiškiniui apibūdinti astrofizikai sugalvojo gana kūrybišką terminą – spagetifikacija. Tolesnis kūno tempimas greičiausiai suskaidys jį į atomus, kurie anksčiau ar vėliau pasieks singuliarumą. Ką žmogus jaus šioje situacijoje, gali spėlioti. Verta paminėti, kad kūno tempimo efektas yra atvirkščiai proporcingas juodosios skylės masei. Tai yra, jei trijų Saulių masės BH akimirksniu ištempia / sulaužys kūną, tada supermasyvi juodoji skylė turės mažesnes potvynio jėgas ir yra pasiūlymų, kad kai kurios fizinės medžiagos gali „ištverti“ tokią deformaciją neprarasdamos savo struktūros.

Kaip žinia, prie masyvių objektų laikas teka lėčiau, vadinasi, savižudžio astronauto laikas tekės daug lėčiau nei žemiečiams. Tokiu atveju galbūt jis pergyvens ne tik savo draugus, bet ir pačią Žemę. Reikės atlikti skaičiavimus norint nustatyti, kiek laiko astronautas sulėtės, tačiau iš to, kas išdėstyta aukščiau, galima daryti prielaidą, kad astronautas į juodąją skylę kris labai lėtai ir galbūt tiesiog nesulauks to momento, kai jo kūnas pradeda deformuotis.

Pastebėtina, kad stebėtojui lauke visi kūnai, atskridę iki įvykių horizonto, liks šio horizonto pakraštyje, kol jų vaizdas išnyks. To priežastis – gravitacinis raudonasis poslinkis. Šiek tiek supaprastinus galima teigti, kad šviesa, krintanti ant įvykio horizonte „užšalusio“ savižudžio kosmonauto kūno, dėl sulėtėjusio laiko keis savo dažnį. Laikui bėgant lėčiau, šviesos dažnis mažės, o bangos ilgis padidės. Dėl šio reiškinio prie išėjimo, tai yra išoriniam stebėtojui, šviesa palaipsniui pasislinks žemo dažnio - raudonos - link. Vyks šviesos poslinkis išilgai spektro, nes savižudis astronautas, nors ir beveik nepastebimai, vis labiau tolsta nuo stebėtojo, o jo laikas slenka vis lėčiau. Taigi, jo kūno atspindima šviesa greitai išeis už matomo spektro ribų (vaizdas išnyks), o ateityje astronauto kūną bus galima pagauti tik infraraudonųjų spindulių srityje, o vėliau ir radijo dažnyje, ir dėl to spinduliuotė bus visiškai nepagaunama.

Nepaisant to, kas išdėstyta pirmiau, daroma prielaida, kad labai didelėse supermasyviose juodosiose skylėse potvynių ir atoslūgių jėgos taip nesikeičia atsižvelgiant į atstumą ir beveik vienodai veikia krintantį kūną. Tokiu atveju krintantis erdvėlaivis išlaikytų savo struktūrą. Kyla pagrįstas klausimas – kur veda juodoji skylė? Į šį klausimą gali atsakyti kai kurių mokslininkų darbai, susiejantys du tokius reiškinius kaip kirmgraužos ir juodosios skylės.

Dar 1935 m. Albertas Einšteinas ir Nathanas Rosenas, atsižvelgdami į tai, iškėlė hipotezę apie vadinamųjų kirmgraužų egzistavimą, jungiančių du erdvėlaikio taškus keliu reikšmingo pastarojo kreivumo vietose - Einšteino-Roseno. tiltas ar kirmgrauža. Tokiam galingam erdvės kreivumui reikės milžiniškos masės kūnų, su kurių vaidmeniu puikiai susidorotų juodosios skylės.

Einšteino-Rozeno tiltas laikomas nepravažiuojama kirmgrauža, nes yra mažas ir nestabilus.

Juodųjų ir baltųjų skylių teorijos rėmuose galima peržengti kirmgraužą. Kai baltoji skylė yra juodojoje skylėje įstrigusios informacijos išvestis. Baltoji skylė aprašyta bendrosios reliatyvumo teorijos rėmuose, tačiau šiandien ji tebėra hipotetinė ir nebuvo atrasta. Kitas kirmgraužos modelis, kurį pasiūlė amerikiečių mokslininkai Kipas Thorne'as ir jo absolventas Mike'as Morrisas, gali būti vaikščioti. Tačiau, kaip ir Moriso-Thorne'o kirmgraužos atveju, ir juodųjų ir baltųjų skylių atveju, norint keliauti, būtina egzotiška vadinamoji egzotinė medžiaga, kuri turi neigiamą energiją ir taip pat lieka hipotetinė.

Juodosios skylės visatoje

Juodųjų skylių egzistavimas buvo patvirtintas palyginti neseniai (2015 m. rugsėjį), tačiau iki tol jau buvo nemažai teorinės medžiagos apie BH prigimtį, taip pat daug objektų, galinčių atlikti juodosios skylės vaidmenį. Visų pirma, reikia atsižvelgti į BH dydį, nes nuo jų priklauso pats reiškinio pobūdis:

Žvaigždžių masės juodoji skylė... Tokie objektai susidaro dėl žvaigždės griūties. Kaip minėta anksčiau, minimali kūno, galinčio suformuoti tokią juodąją skylę, masė yra 2,5–3 saulės masės.
Vidutinės masės juodosios skylės... Sąlyginis tarpinis juodųjų skylių tipas, išaugęs dėl netoliese esančių objektų, pvz., dujų kaupimosi, netoliese esančios žvaigždės (dviejų žvaigždžių sistemose) ir kitų kosminių kūnų, absorbcijos.
Supermasyvi juodoji skylė... Kompaktiški objektai su 10 5 -10 10 saulės masių. Išskirtinės tokių BH savybės yra paradoksaliai mažas tankis, taip pat silpnos potvynio jėgos, kurios buvo paminėtos anksčiau. Tai tokia supermasyvi juodoji skylė mūsų Paukščių Tako galaktikos (Sagittarius A *, Sgr A *), kaip ir daugumos kitų galaktikų, centre.

Kandidatai į Juoduosius namus

Artimiausia juodoji skylė, tiksliau, kandidatas į BH vaidmenį, yra objektas (V616 Unicorn), esantis 3000 šviesmečių atstumu nuo Saulės (mūsų galaktikoje). Jį sudaro du komponentai: žvaigždė, kurios masė yra pusė saulės masės, taip pat nematomas mažas kūnas, kurio masė yra 3–5 saulės masės. Jei šis objektas pasirodys esanti maža žvaigždžių masės juodoji skylė, tada dešinėje jis bus artimiausias BH.

Po šio objekto antra artimiausia juodoji skylė yra Cyg X-1 objektas, kuris buvo pirmasis kandidatas į BH vaidmenį. Atstumas iki jo yra maždaug 6070 šviesmečių. Jis yra gerai ištirtas: jo masė yra 14,8 saulės masės, o įvykių horizonto spindulys yra apie 26 km.

Kai kurių šaltinių teigimu, dar vienas artimiausias kandidatas į BH vaidmenį gali būti žvaigždžių sistemos V4641 Sagittarii (V4641 Sgr) kūnas, kuris, 1999 m. skaičiavimais, buvo 1600 šviesmečių atstumu. Tačiau vėlesni tyrimai padidino šį atstumą mažiausiai 15 kartų.

Kiek juodųjų skylių yra mūsų galaktikoje?

Tikslaus atsakymo į šį klausimą nėra, nes juos stebėti gana sunku, o per visą dangaus tyrimo laiką mokslininkams Paukščių Tako viduje pavyko rasti apie tuziną juodųjų skylių. Nesileidžiant į skaičiavimus, pastebime, kad mūsų galaktikoje yra apie 100–400 milijardų žvaigždžių ir maždaug kiekviena tūkstantoji žvaigždė turi pakankamai masės, kad susidarytų juodoji skylė. Tikėtina, kad per Paukščių Tako egzistavimą galėjo susidaryti milijonai juodųjų skylių. Kadangi didžiules juodąsias skyles registruoti lengviau, logiška manyti, kad dauguma mūsų galaktikos BH greičiausiai nėra supermasyvios. Pastebėtina, kad 2005 metų NASA tyrimai rodo, kad aplink galaktikos centrą skrieja juodųjų skylių būrys (10-20 tūkst.). Be to, 2016 m. japonų astrofizikai netoli objekto aptiko didžiulį palydovą * – juodąją skylę, Paukščių Tako šerdį. Dėl mažo šio kūno spindulio (0,15 šviesmečio) ir didžiulės masės (100 000 Saulės masių) mokslininkai teigia, kad šis objektas taip pat yra supermasyvi juodoji skylė.

Mūsų galaktikos šerdis, Paukščių Tako juodoji skylė (Sagittarius A *, Sgr A * arba Sagittarius A *) yra supermasyvi, jos masė yra 4,31 10 6 Saulės masės, o spindulys – 0,00071 šviesmečio (6,25 šviesmečio). arba 6,75 milijardo km). Šaulio A * temperatūra kartu su spiečiumi aplink jį yra apie 1 · 10 7 K.

Didžiausia juodoji skylė

Didžiausia juodoji skylė Visatoje, kurią atrado mokslininkai, yra supermasyvi juodoji skylė FSRQ blazar, esanti galaktikos S5 0014 + 81 centre, 1,2 · 10 10 šviesmečių atstumu nuo Žemės. Autorius preliminarūs rezultatai Stebėjimus naudojant Swift kosminę observatoriją, BH masė siekė 40 milijardų (40 · 10 9) Saulės masių, o tokios skylės Schwarzschildo spindulys buvo 118,35 milijardo kilometrų (0,013 šviesmečių). Taip pat manoma, kad jis atsirado prieš 12,1 milijardo metų (1,6 milijardo metų po Didžiojo sprogimo). Jei ši milžiniška juodoji skylė nesugers aplinkinės medžiagos, ji išliks iki juodųjų skylių eros – vienos iš Visatos raidos epochų, kurios metu joje vyraus juodosios skylės. Jei galaktikos S5 0014 + 81 branduolys ir toliau augs, tada jis taps viena iš paskutinių juodųjų skylių, kurios egzistuos Visatoje.

Kitos dvi žinomos juodosios skylės, nors ir neturi savo pavadinimų, turi didžiausią reikšmę juodųjų skylių tyrimams, nes patvirtino jų egzistavimą eksperimentiškai, taip pat davė svarbių rezultatų tiriant gravitaciją. Kalbame apie įvykį GW150914, kuris vadinamas dviejų juodųjų skylių susidūrimu į vieną. Šis renginys suteikė galimybę užsiregistruoti.

Juodųjų skylių aptikimas

Prieš svarstant juodųjų skylių aptikimo būdus, reikėtų atsakyti į klausimą – kodėl juodoji skylė yra juoda? - atsakymas į jį nereikalauja gilių astrofizikos ir kosmologijos žinių. Faktas yra tas, kad juodoji skylė sugeria visą į ją patenkančią spinduliuotę ir visiškai neišspinduliuoja, jei neatsižvelgsime į hipotetinę. Jei panagrinėsime šį reiškinį išsamiau, galime daryti prielaidą, kad procesai, lemiantys energijos išsiskyrimą elektromagnetinės spinduliuotės pavidalu, nevyksta juodųjų skylių viduje. Tada, jei BH spinduliuoja, tada jis yra Hokingo spektre (kuris sutampa su įkaitusio, visiškai juodo kūno spektru). Tačiau, kaip minėta anksčiau, ši spinduliuotė nebuvo aptikta, o tai rodo visiškai žemą juodųjų skylių temperatūrą.

Kita visuotinai pripažinta teorija yra ta elektromagnetinė radiacija ir visiškai nepajėgi palikti įvykių horizonto. Labiausiai tikėtina, kad fotonų (šviesos dalelių) netraukia masyvūs objektai, nes, remiantis teorija, jie patys neturi masės. Tačiau juodoji skylė vis tiek „pritraukia“ šviesos fotonus, iškreipdama erdvėlaikį. Jei juodąją skylę erdvėje įsivaizduosime kaip savotišką įdubimą lygiame erdvėlaikio paviršiuje, tai nuo juodosios skylės centro yra tam tikras atstumas, prie kurio artėjant šviesa nebegalės tolti. Tai yra, grubiai tariant, šviesa pradeda „kristi“ į „duobę“, kuri net neturi „dugno“.

Be to, jei atsižvelgsime į gravitacinio raudonojo poslinkio poveikį, gali būti, kad šviesa juodojoje skylėje praranda savo dažnį ir pasislenka išilgai spektro į žemo dažnio ilgos bangos spinduliuotės sritį, kol praranda energiją. iš viso.

Taigi juodoji skylė yra juoda, todėl ją sunku aptikti erdvėje.

Aptikimo metodai

Apsvarstykite metodus, kuriuos astronomai naudoja juodajai skylei aptikti:

Be minėtų metodų, mokslininkai dažnai sieja tokius objektus kaip juodosios skylės ir. Kvazarai yra tam tikros kosminių kūnų ir dujų sankaupos, kurios yra vienas ryškiausių astronominių objektų Visatoje. Kadangi jie turi didelį liuminescencijos intensyvumą esant santykinai mažiems dydžiams, yra pagrindo manyti, kad šių objektų centras yra supermasyvi juodoji skylė, kuri pritraukia aplinkinę medžiagą. Dėl tokios galingos gravitacinės traukos pritraukta medžiaga yra tokia karšta, kad spinduliuoja intensyviai. Tokių objektų radimas paprastai lyginamas su juodosios skylės radimu. Kartais kvazarai gali spinduliuoti dviem kryptimis įkaitintos plazmos sroves – reliatyvistines. Tokių čiurkšlių (purkštukų) atsiradimo priežastys nėra iki galo aiškios, tačiau greičiausiai jas sukelia BH ir akrecinio disko magnetinių laukų sąveika, o ne tiesioginė juodoji skylė.

Srautas galaktikoje M87, atsitrenkęs iš BH centro

Apibendrinant tai, kas išdėstyta, iš arti galima įsivaizduoti: tai sferinis juodas objektas, aplink kurį sukasi stipriai įkaitusi medžiaga, sudarydama šviečiantį akrecinį diską.

Juodųjų skylių susiliejimas ir susidūrimas

Vienas įdomiausių astrofizikos reiškinių – juodųjų skylių susidūrimas, kuris taip pat leidžia aptikti tokius masyvius astronominius kūnus. Tokie procesai domina ne tik astrofizikus, nes fizikų menkai ištirti reiškiniai tampa jų pasekmėmis. Ryškiausias pavyzdys – anksčiau minėtas įvykis pavadinimu GW150914, kai dvi juodosios skylės priartėjo tiek, kad dėl abipusės gravitacinės traukos susiliejo į vieną. Svarbi šio susidūrimo pasekmė buvo gravitacinių bangų atsiradimas.

Pagal gravitacinių bangų apibrėžimą, tai gravitacinio lauko pokyčiai, sklindantys panašiu būdu iš masyvių judančių objektų. Kai du tokie objektai priartėja vienas prie kito, jie pradeda suktis aplink bendrą svorio centrą. Kai jie artėja vienas prie kito, jų sukimasis aplink savo ašį didėja. Tokie kintami gravitacinio lauko svyravimai tam tikru momentu gali sudaryti vieną galingą gravitacinę bangą, kuri gali sklisti erdvėje milijonus šviesmečių. Taigi 1,3 milijardo šviesmečių atstumu susidūrė dvi juodosios skylės, suformuodamos galingą gravitacinę bangą, kuri Žemę pasiekė 2015 metų rugsėjo 14 dieną ir buvo užfiksuota LIGO ir VIRGO detektorių.

Kaip miršta juodosios skylės?

Akivaizdu, kad juodoji skylė nustotų egzistuoti, ji turės prarasti visą savo masę. Tačiau pagal jos apibrėžimą niekas negali palikti juodosios skylės ribų, jei ji peržengė įvykių horizontą. Žinoma, kad sovietų teorinis fizikas Vladimiras Gribovas pirmasis paminėjo dalelių išmetimo iš juodosios skylės galimybę diskutuodamas su kitu sovietų mokslininku Jakovu Zeldovičiumi. Jis teigė, kad kvantinės mechanikos požiūriu juodoji skylė gali išmesti daleles per tunelio efektą. Vėliau, pasitelkęs kvantinę mechaniką, anglų fizikas teorinis Stephenas Hawkingas sukūrė savo, kiek kitokią teoriją. Daugiau apie šis reiškinys Galite perskaityti. Trumpai tariant, vakuume yra vadinamosios virtualios dalelės, kurios nuolat gimsta poromis ir naikina viena su kita, kartu nesąveikdamos su aplinkiniu pasauliu. Bet jei tokios poros atsiranda juodosios skylės įvykių horizonte, tada stipri gravitacija hipotetiškai gali jas atskirti, kai viena dalelė patenka į BH vidų, o kita pasitraukia iš juodosios skylės. O kadangi iš skylės išbėgančią dalelę galima stebėti, todėl jos energija yra teigiama, tai į skylę patenkanti dalelė turi turėti neigiamą energiją. Taigi juodoji skylė praras savo energiją ir atsiras efektas, vadinamas juodosios skylės išgaravimu.

Pagal turimus juodosios skylės modelius, kaip minėta anksčiau, mažėjant jos masei, jos spinduliavimas tampa intensyvesnis. Tada, paskutiniame BH egzistavimo etape, kai jis gali sumažėti iki kvantinės juodosios skylės dydžio, jis išskirs didžiulį energijos kiekį spinduliuotės pavidalu, kuris gali prilygti tūkstančiams ar net milijonams atominės bombos. Šis įvykis kažkuo primena juodosios skylės sprogimą, tarsi ta pati bomba. Skaičiavimu, dėl Didžiojo sprogimo galėjo atsirasti pirmapradžių juodųjų skylių, o tos iš jų, kurių masė yra apie 10 12 kg, maždaug mūsų laikais turėjo išgaruoti ir sprogti. Kad ir kaip būtų, tokių sprogimų astronomai niekada nepastebėjo.

Nepaisant Hawkingo pasiūlyto juodųjų skylių naikinimo mechanizmo, Hokingo spinduliuotės savybės kvantinės mechanikos sistemoje sukelia paradoksą. Jei juodoji skylė sugeria kūną, o po to praranda masę, susidariusią dėl šio kūno sugėrimo, tada, nepaisant kūno pobūdžio, juodoji skylė nesiskirs nuo tos, kuri buvo prieš kūno absorbciją. Tokiu atveju informacija apie kūną prarandama visam laikui. Teorinių skaičiavimų požiūriu, pradinės grynos būsenos transformacija į gautą mišrią („terminę“) būseną neatitinka dabartinės kvantinės mechanikos teorijos. Šis paradoksas kartais vadinamas informacijos išnykimu juodojoje skylėje. Galutinis šio paradokso sprendimas nerastas. Žinomos paradokso sprendimo galimybės:

Hokingo teorijos nenuoseklumas. Tai reiškia, kad neįmanoma sunaikinti juodosios skylės ir jos nuolat augti.
Baltųjų skylių buvimas. Tokiu atveju sugerta informacija nedingsta, o tiesiog išmetama į kitą Visatą.
Visuotinai priimtos kvantinės mechanikos teorijos nenuoseklumas.

Neišspręstos juodosios skylės fizikos problemos

Matyt, kas buvo aprašyta anksčiau, nors juodosios skylės tyrinėtos gana ilgai, jos vis dar turi daug bruožų, kurių veikimo mechanizmai mokslininkams dar nežinomi.

1970 metais anglų mokslininkas suformulavo vadinamąją. „Kosminės cenzūros principas“ – „Gamta bjaurisi nuogo singuliarumo“. Tai reiškia, kad singuliarumas susidaro tik nuo akių paslėptose vietose, pavyzdžiui, juodosios skylės centre. Tačiau šis principas dar neįrodytas. Taip pat yra teorinių skaičiavimų, pagal kuriuos gali atsirasti „nuogas“ singuliarumas.
Taip pat nebuvo įrodyta teorema „be plaukų“, pagal kurią juodosios skylės turi tik tris parametrus.
Visiška juodosios skylės magnetosferos teorija nebuvo sukurta.
Gravitacinio singuliarumo prigimtis ir fizika nebuvo tirti.
Nėra tiksliai žinoma, kas nutinka paskutiniame juodosios skylės egzistavimo etape ir kas lieka po kvantinio skilimo.

Įdomūs faktai apie juodąsias skyles

Apibendrinant tai, kas išdėstyta pirmiau, yra keletas įdomių ir neįprastų juodųjų skylių prigimties bruožų:

BH turi tik tris parametrus: masę, elektros krūvį ir kampinį momentą. Dėl tokio mažo skaičiaus šio kūno charakteristikų teorema, kuri tai teigia, vadinama „neplaukų teorema“. Taip pat atsirado posakis „juodoji skylė neturi plaukų“, reiškianti, kad dvi juodosios skylės yra absoliučiai identiškos, trys paminėti jų parametrai yra vienodi.
BH tankis gali būti mažesnis už oro tankį, o temperatūra artima absoliutus nulis... Iš to galima daryti prielaidą, kad juodoji skylė susidaro ne dėl medžiagos suspaudimo, o dėl to, kad tam tikrame tūryje susikaupia didelis kiekis medžiagos.
BH absorbuotų kūnų laikas bėga daug lėčiau nei išorinio stebėtojo. Be to, absorbuoti kūnai yra gerokai ištempti juodosios skylės viduje, kurią mokslininkai pavadino – spagetifikacija.
Mūsų galaktikoje gali būti apie milijonas juodųjų skylių.
Tikriausiai kiekvienos galaktikos centre yra supermasyvi juodoji skylė.
Ateityje, pagal teorinį modelį, visata pasieks vadinamąją juodųjų skylių erą, kai juodosios skylės taps dominuojančiais kūnais visatoje.