Astronom, odkrywca czarnej dziury, 6 liter, krzyżówka Historia czarnych dziur. Bardzo powierzchowna entropia

Czarne dziury, ciemna materia, ciemna materia... To bez wątpienia najdziwniejsze i najbardziej tajemnicze obiekty w kosmosie. Ich dziwaczne właściwości mogą kwestionować prawa fizyki Wszechświata, a nawet naturę istniejącej rzeczywistości. Aby zrozumieć, czym są czarne dziury, naukowcy proponują „zmianę punktów orientacyjnych”, nauczenie się myślenia nieszablonowego i zastosowanie odrobiny wyobraźni. Czarne dziury powstają z jąder supermasywnych gwiazd, które można scharakteryzować jako obszar przestrzeni, w którym ogromna masa jest skupiona w pustce i nic, nawet światło, nie jest w stanie uciec przed przyciąganiem grawitacyjnym. Jest to obszar, w którym druga prędkość kosmiczna przekracza prędkość światła: A im bardziej masywny obiekt ruchu, tym szybciej musi się poruszać, aby pozbyć się swojej grawitacji. Jest to znane jako druga prędkość kosmiczna.

Encyklopedia Colliera nazywa czarne dziury regionem przestrzeni, który powstał w wyniku całkowitego grawitacyjnego załamania się materii, w którym przyciąganie grawitacyjne jest tak duże, że ani materia, ani światło, ani inne nośniki informacji nie mogą go opuścić. Dlatego wnętrze czarnej dziury nie jest powiązane przyczynowo z resztą wszechświata; procesy fizyczne zachodzące wewnątrz czarnej dziury nie mogą wpływać na procesy poza nią. Czarna dziura jest otoczona powierzchnią o właściwości jednokierunkowej membrany: materia i promieniowanie swobodnie przez nią wpadają do czarnej dziury, ale nic nie może stamtąd uciec. Ta powierzchnia nazywana jest „horyzontem zdarzeń”.

Historia odkryć

Czarne dziury przewidziane przez ogólną teorię względności (teorię grawitacji zaproponowaną przez Einsteina w 1915) i inne, bardziej nowoczesne teorie grawitacji zostały matematycznie potwierdzone przez R. Oppenheimera i H. Snydera w 1939. Jednak własności przestrzeni i czasu w ich pobliżu obiekty okazały się na tyle niezwykłe, że astronomowie i fizycy nie traktowali ich poważnie od 25 lat. Jednak odkrycia astronomiczne w połowie lat 60. sprawiły, że czarne dziury wyglądały jak możliwa fizyczna rzeczywistość. Nowe odkrycia i badania mogą fundamentalnie zmienić nasze rozumienie przestrzeni i czasu, rzucając światło na miliardy kosmicznych tajemnic.

Powstawanie czarnych dziur

Podczas gdy reakcje termojądrowe zachodzą we wnętrzu gwiazdy, utrzymują wysoką temperaturę i ciśnienie, zapobiegając kurczeniu się gwiazdy pod wpływem jej własnej grawitacji. Z czasem jednak paliwo jądrowe się wyczerpuje, a gwiazda zaczyna się kurczyć. Z obliczeń wynika, że jeśli masa gwiazdy nie przekroczy trzech mas Słońca, to wygra „bitwę z grawitacją”: jej grawitacyjny kolaps zostanie zatrzymany przez ciśnienie „zdegenerowanej” materii, a gwiazda na zawsze zmieni się w biały karzeł lub gwiazda neutronowa. Ale jeśli masa gwiazdy jest większa niż trzy masy Słońca, nic nie może powstrzymać jej katastrofalnego kolapsu i szybko zniknie pod horyzontem zdarzeń, stając się czarną dziurą.

Czy czarna dziura to dziura w pączku?

Niełatwo zauważyć to, co nie emituje światła. Jednym ze sposobów na znalezienie czarnej dziury jest poszukiwanie obszarów w przestrzeni kosmicznej, które są masywne iw ciemnej przestrzeni. Szukając tego typu obiektów, astronomowie znaleźli je w dwóch głównych regionach: w centrach galaktyk oraz w układach podwójnych gwiazd naszej Galaktyki. W sumie, jak sugerują naukowcy, takich obiektów jest kilkadziesiąt milionów.

Historia czarnych dziur

Aleksiej Levin

Myślenie naukowe czasami konstruuje przedmioty o tak paradoksalnych właściwościach, że nawet najbardziej przenikliwi naukowcy początkowo nie chcą ich rozpoznać. Najbardziej obrazowym przykładem w historii współczesnej fizyki jest przewidywany prawie 90 lat temu długotrwały brak zainteresowania czarnymi dziurami, ekstremalnymi stanami pola grawitacyjnego. Przez długi czas uważano je za czysto teoretyczną abstrakcję i dopiero w latach 60. i 70. wierzyły w swoją rzeczywistość. Jednak podstawowe równanie teorii czarnych dziur zostało wyprowadzone ponad dwieście lat temu.

Inspiracja Johna Michella

Nazwisko Johna Michella, fizyka, astronoma i geologa, profesora Uniwersytet Cambridge i pastor Kościoła anglikańskiego, całkowicie niezasłużenie zagubiony wśród gwiazd angielskiej nauki XVIII wieku. Michell położył podwaliny pod sejsmologię, naukę o trzęsieniach ziemi, przeprowadził doskonałe badania magnetyzmu i na długo przed wynalezieniem przez Coulomba równowagi torsyjnej, której używał do pomiarów grawimetrycznych. W 1783 próbował połączyć dwa wielkie dzieła Newtona - mechanikę i optykę. Newton uważał światło za strumień maleńkich cząstek. Michell zasugerował, że ciałka świetlne, podobnie jak zwykła materia, podlegają prawom mechaniki. Konsekwencja tej hipotezy okazała się bardzo nietrywialna – ciała niebieskie mogą zamienić się w pułapki na światło.

Jak rozumował Michell? Kula armatnia wystrzelona z powierzchni planety całkowicie pokona swoje przyciąganie tylko wtedy, gdy jej początkowa prędkość przekroczy wartość zwaną obecnie drugą prędkością kosmiczną i prędkością ucieczki. Jeśli grawitacja planety jest tak silna, że prędkość ucieczki przekracza prędkość światła, ciałka świetlne wypuszczone w zenit nie mogą iść w nieskończoność. To samo stanie się ze światłem odbitym. W konsekwencji dla bardzo odległego obserwatora planeta będzie niewidoczna. Michell obliczył wartość krytyczną promienia takiej planety R cr w zależności od jej masy M, sprowadzonej do masy naszego Słońca M s: R cr = 3 km x M / M s.

John Michell wierzył w swoje formuły i zakładał, że głębiny kosmosu skrywają wiele gwiazd, których nie można zobaczyć z Ziemi przez żaden teleskop. Później do tego samego wniosku doszedł wielki francuski matematyk, astronom i fizyk Pierre Simon Laplace, włączając go zarówno w pierwszym (1796), jak i drugim (1799) wydaniu swojej Wystawy systemu świata. Ale trzecia edycja została opublikowana w 1808 roku, kiedy większość fizyków uważała już światło za oscylacje eteru. Istnienie „niewidzialnych” gwiazd zaprzeczało falowej teorii światła i Laplace uznał, że najlepiej o nich nie wspominać. W późniejszych czasach pomysł ten uznano za ciekawostkę, wartą przedstawienia jedynie w pracach z historii fizyki.

Modelka Schwarzschilda

W listopadzie 1915 Albert Einstein opublikował teorię grawitacji, którą nazwał ogólną teorią względności (GR). Ta praca natychmiast znalazła wdzięcznego czytelnika w osobie jego kolegi z Berlińskiej Akademii Nauk Karla Schwarzschilda. To Schwarzschild jako pierwszy na świecie zastosował ogólną teorię względności do rozwiązania konkretnego problemu astrofizycznego, obliczając metrykę czasoprzestrzeni na zewnątrz i wewnątrz nieobrotowego ciała kulistego (ze względu na konkretność nazwiemy go gwiazdą) .

Z obliczeń Schwarzschilda wynika, że grawitacja gwiazdy nie zniekształca nadmiernie newtonowskiej struktury przestrzeni i czasu tylko wtedy, gdy jej promień jest znacznie większy niż ta sama wartość, którą obliczył John Michell! Ten parametr został po raz pierwszy nazwany promieniem Schwarzschilda, a teraz jest nazywany promieniem grawitacyjnym. Zgodnie z ogólną teorią względności grawitacja nie wpływa na prędkość światła, ale zmniejsza częstotliwość drgań światła w takim samym stopniu, w jakim spowalnia czas. Jeśli promień gwiazdy jest 4 razy większy od promienia grawitacyjnego, to upływ czasu na jej powierzchni zwalnia o 15%, a przestrzeń nabiera namacalnej krzywizny. Z dwukrotnym nadmiarem ugina się mocniej, a czas spowalnia bieg o 41%. Po osiągnięciu promienia grawitacyjnego czas na powierzchni gwiazdy całkowicie się zatrzymuje (wszystkie częstotliwości są zerowane, promieniowanie jest zamrożone, a gwiazda wygaszana), ale krzywizna przestrzeni nadal jest skończona. Daleko od gwiazdy geometria nadal pozostaje euklidesowa, a czas nie zmienia swojej prędkości.

Pomimo tego, że wartości promienia grawitacyjnego dla Michella i Schwarzschilda są takie same, same modele nie mają ze sobą nic wspólnego. W Michell przestrzeń i czas się nie zmieniają, ale światło zwalnia. Gwiazda, której rozmiar jest mniejszy niż jej promień grawitacyjny, nadal świeci, ale jest widoczna tylko dla niezbyt odległego obserwatora. Dla Schwarzschilda prędkość światła jest absolutna, ale struktura czasu i przestrzeni zależy od grawitacji. Gwiazda znajdująca się w promieniu grawitacyjnym znika dla każdego obserwatora, gdziekolwiek się znajduje (dokładniej, można ją wykryć za pomocą efektów grawitacyjnych, ale w żadnym wypadku za pomocą promieniowania).

Od niewiary do afirmacji

Schwarzschild i jemu współcześni wierzyli, że takie dziwne obiekty kosmiczne nie istnieją w naturze. Sam Einstein nie tylko podzielał ten punkt widzenia, ale także błędnie wierzył, że udało mu się matematycznie uzasadnić swoją opinię.

W latach trzydziestych młody indyjski astrofizyk Chandrasekhar udowodnił, że gwiazda, która wypaliła paliwo jądrowe, zrzuca swoją powłokę i zamienia się w powoli stygnącego białego karła tylko wtedy, gdy jej masa jest mniejsza niż 1,4 masy Słońca. Wkrótce Amerykanin Fritz Zwicky zdał sobie sprawę, że wybuchy supernowych wytwarzają niezwykle gęste ciała materii neutronowej; później Lew Landau doszedł do tego samego wniosku. Po pracach Chandrasekhara było oczywiste, że tylko gwiazdy o masie większej niż 1,4 mas Słońca mogą przejść taką ewolucję. W związku z tym pojawiło się naturalne pytanie - czy istnieje górna granica masy dla supernowych, które pozostawiają gwiazdy neutronowe?

Pod koniec lat 30. przyszły ojciec amerykańskiej bomby atomowej, Robert Oppenheimer, ustalił, że taka granica istnieje i nie przekracza kilku mas Słońca. W tym czasie nie było możliwe dokładniejsze oszacowanie; obecnie wiadomo, że masy gwiazd neutronowych muszą mieścić się w zakresie 1,5–3 Ms. Ale nawet z przybliżonych obliczeń Oppenheimera i jego doktoranta George'a Volkova wynikało, że najmasywniejsi potomkowie supernowych nie stają się gwiazdami neutronowymi, ale przechodzą w inny stan. W 1939 roku Oppenheimer i Hartland Snyder, używając wyidealizowanego modelu, wykazali, że masywna zapadająca się gwiazda kurczy się do swojego promienia grawitacyjnego. Z ich formuł faktycznie wynika, że gwiazda na tym się nie kończy, ale współautorzy powstrzymali się od tak radykalnego wniosku.

Ostateczna odpowiedź została znaleziona w drugiej połowie XX wieku dzięki wysiłkom całej galaktyki błyskotliwych fizyków teoretycznych, w tym radzieckich. Okazało się, że podobny upadek zawsześciska gwiazdę „do końca”, całkowicie niszcząc jej substancję. W efekcie powstaje osobliwość, „superkoncentrat” pola grawitacyjnego, zamknięty w nieskończenie małej objętości. Dla otworu stacjonarnego jest to punkt, dla obrotowego pierścień. Krzywizna czasoprzestrzeni, a w konsekwencji siła grawitacji w pobliżu osobliwości, dąży do nieskończoności. Pod koniec 1967 roku amerykański fizyk John Archibald Wheeler jako pierwszy nazwał takie ostateczne zapadnięcie się gwiazdy czarną dziurą. Nowy termin zakochał się w fizykach i zachwycił dziennikarzy, którzy rozpowszechniali go na całym świecie (choć początkowo Francuzom się to nie podobało, gdyż określenie trou noir sugerowało wątpliwe skojarzenia).

Tam, za horyzontem

Czarna dziura nie jest materią ani promieniowaniem. Z pewną dozą metaforyczności możemy powiedzieć, że jest to samopodtrzymujące się pole grawitacyjne, skoncentrowane w silnie zakrzywionym obszarze czasoprzestrzeni. Jej zewnętrzną granicę wyznacza zamknięta powierzchnia, horyzont zdarzeń. Jeśli gwiazda nie obróciła się przed zapadnięciem się, ta powierzchnia okazuje się być regularną kulą, której promień pokrywa się z promieniem Schwarzschilda.

Fizyczne znaczenie horyzontu jest bardzo jasne. Sygnał świetlny wysłany z zewnętrznego otoczenia może przebyć nieskończenie dużą odległość. Ale sygnały wysyłane z obszaru wewnętrznego nie tylko nie przekroczą horyzontu, ale nieuchronnie „wpadną” w osobliwość. Horyzont to przestrzenna granica między zdarzeniami, które mogą stać się znane ziemskim (i wszystkim innym) astronomom, a zdarzeniami, o których informacje w żadnych okolicznościach nie wyjdą na jaw.

Jak powinno być „według Schwarzschilda”, daleko od horyzontu przyciąganie dziury jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości, więc dla odległego obserwatora objawia się ona jako zwykłe ciężkie ciało. Oprócz masy dziura dziedziczy moment bezwładności zapadniętej gwiazdy i jej ładunek elektryczny. A wszystkie inne cechy poprzedniej gwiazdy (struktura, skład, typ spektralny itp.) odchodzą w niepamięć.

Wyślijmy do dziury sondę ze stacją radiową, która daje sygnał raz na sekundę według czasu na pokładzie. Dla odległego obserwatora, w miarę zbliżania się sondy do horyzontu, odstępy czasowe między sygnałami będą się zwiększać - w zasadzie w nieskończoność. Gdy tylko statek przekroczy niewidzialny horyzont, całkowicie zamknie się przed światem „supradziurki”. Jednak to zniknięcie nie pozostanie bez śladu, ponieważ sonda przekaże otworowi swoją masę, ładunek i moment obrotowy.

Promieniowanie czarnej dziury

Wszystkie poprzednie modele zostały zbudowane wyłącznie w oparciu o ogólną teorię względności. Jednak naszym światem rządzą prawa mechaniki kwantowej, które również nie ignorują czarnych dziur. Prawa te zapobiegają uznawaniu centralnej osobliwości za punkt matematyczny. W kontekście kwantowym jego średnica jest podana przez długość Plancka-Wheelera, w przybliżeniu równą 10-33 centymetrom. W tym obszarze zwyczajna przestrzeń przestaje istnieć. Powszechnie przyjmuje się, że środek dziury jest wypełniony różnymi topologicznymi strukturami, które pojawiają się i umierają zgodnie z kwantowymi prawami probabilistycznymi. Właściwości takiej bulgoczącej quasiprzestrzeni, którą Wheeler nazwał pianką kwantową, są wciąż słabo poznane.

Obecność osobliwości kwantowej jest bezpośrednio związana z losem ciał materialnych wpadających głęboko w czarną dziurę. Zbliżając się do środka otworu, każdy obiekt wykonany z obecnie znanych materiałów zostanie zmiażdżony i rozerwany przez siły pływowe. Jednak nawet jeśli przyszli inżynierowie i technolodzy stworzą jakiś rodzaj ultrawytrzymałych stopów i kompozytów o niespotykanych dotąd właściwościach, to wszystkie one skazane są na zniknięcie: wszak w strefie osobliwości nie ma ani zwykłego czasu, ani zwykłej przestrzeni.

Rozważmy teraz horyzont dziur w kwantowo-mechanicznej lupie. Pusta przestrzeń – fizyczna próżnia – w rzeczywistości wcale nie jest pusta. Z powodu fluktuacji kwantowych różnych pól w próżni, wiele wirtualnych cząstek nieustannie rodzi się i ulega zniszczeniu. Ponieważ grawitacja jest bardzo silna w pobliżu horyzontu, jej fluktuacje powodują niezwykle silne wybuchy grawitacyjne. Przyspieszone w takich polach noworodki „wirtualne” zyskują dodatkową energię i czasami stają się normalnymi, długożyciowymi cząstkami.

Cząstki wirtualne rodzą się zawsze w parach poruszających się w przeciwnych kierunkach (wymaga tego prawo zachowania pędu). Jeśli fluktuacja grawitacyjna wyciąga z próżni parę cząstek, może się zdarzyć, że jedna z nich materializuje się poza horyzontem, a druga (antycząstka pierwszej) wewnątrz. Cząstka „wewnętrzna” wpadnie do dziury, podczas gdy cząstka „zewnętrzna” może uciec w sprzyjających warunkach. W efekcie dziura zamienia się w źródło promieniowania i tym samym traci energię, a co za tym idzie masę. Dlatego czarne dziury są w zasadzie niestabilne.

Zjawisko to nazywa się efektem Hawkinga, od nazwiska wybitnego angielskiego fizyka teoretycznego, który odkrył je w połowie lat siedemdziesiątych. W szczególności Stephen Hawking udowodnił, że horyzont czarnej dziury emituje fotony w taki sam sposób, jak całkowicie czarne ciało podgrzane do temperatury T = 0,5 x 10 –7 x M s/M. Wynika z tego, że im cieńszy otwór, tym wzrasta jego temperatura i naturalnie wzrasta „parowanie”. Proces ten jest niezwykle powolny, a żywotność dziury o masie M wynosi około 10 65 x (M/M s) 3 lata. Kiedy jej rozmiar staje się równy długości Plancka-Wheelera, dziura staje się niestabilna i eksploduje, uwalniając tę samą energię, co równoczesny wybuch miliona dziesięciomegatonowych bomb wodorowych. Co ciekawe, masa dziury w momencie jej zniknięcia jest nadal dość duża, 22 mikrogramy. Według niektórych modeli dziura nie znika bez śladu, ale pozostawia po sobie stabilny relikt o tej samej masie, tzw. maksimona.

Maximon narodził się 40 lat temu - jako termin i jako fizyczna idea. W 1965 roku akademik M.A.Markov zasugerował, że istnieje górna granica masy cząstek elementarnych. Zaproponował rozważenie tej wartości granicznej wymiarowości masy, którą można połączyć z trzech podstawowych stałych fizycznych - stałej Plancka h, prędkości światła C i stałej grawitacyjnej G (dla tych, którzy lubią szczegóły: w tym celu należy pomnożyć h i C, podziel wynik przez G i wyodrębnij Pierwiastek kwadratowy). To te same 22 mikrogramy wymienione w artykule, wartość ta nazywana jest masą Plancka. Z tych samych stałych można skonstruować wielkość o wymiarze długości (długość Plancka-Wheelera, 10 -33 cm) io wymiarze czasu (10 -43 s).
Markov poszedł dalej w swoim rozumowaniu. Zgodnie z jego hipotezami e, parowanie czarnej dziury prowadzi do powstania „suchej pozostałości” – maksymy. Markow nazwał takie struktury elementarnymi czarnymi dziurami. Na ile ta teoria odpowiada rzeczywistości, pozostaje kwestią otwartą. W każdym razie, w niektórych modelach czarnych dziur opartych na teorii superstrun, przywrócono analogie maksimów Markowa.

Głębokość przestrzeni

Czarne dziury nie są zabronione przez prawa fizyki, ale czy istnieją w naturze? Absolutnie rygorystyczne dowody na obecność co najmniej jednego takiego obiektu w kosmosie nie zostały jeszcze znalezione. Jest jednak wysoce prawdopodobne, że w niektórych układach podwójnych źródłem promieniowania rentgenowskiego są gwiezdne czarne dziury. Promieniowanie to powinno powstać w wyniku zasysania atmosfery zwykłej gwiazdy przez pole grawitacyjne sąsiedniej dziury. Gdy gaz porusza się w kierunku horyzontu zdarzeń, silnie się nagrzewa i emituje kwanty promieniowania rentgenowskiego. Co najmniej dwa tuziny źródeł promieniowania rentgenowskiego są obecnie uważane za odpowiednich kandydatów do roli czarnych dziur. Co więcej, dane statystyczne dotyczące gwiazd sugerują, że w samej naszej Galaktyce znajduje się około dziesięciu milionów dziur pochodzenia gwiezdnego.

Czarne dziury mogą również powstawać w procesie grawitacyjnego zagęszczania materii w jądrach galaktyk. Tak powstają gigantyczne dziury o masie milionów i miliardów mas Słońca, które najprawdopodobniej istnieją w wielu galaktykach. Podobno w centrum Drogi Mlecznej, pokryta chmurami pyłu, znajduje się dziura o masie 3-4 milionów mas Słońca.

Stephen Hawking doszedł do wniosku, że czarne dziury o dowolnej masie mogą narodzić się natychmiast po Wielkim Wybuchu, który dał początek naszemu Wszechświatowi. Pierwotne dziury ważące nawet miliard ton już wyparowały, ale te cięższe mogą teraz ukrywać się w głębinach kosmosu i w odpowiednim czasie urządzać kosmiczne fajerwerki w postaci potężnych wybuchów promieniowania gamma. Jednak takich wybuchów do tej pory nie zaobserwowano.

Fabryka czarnych dziur

Czy możliwe jest rozpędzanie cząstek w akceleratorze do tak dużej energii i aby ich zderzenie stworzyło czarną dziurę? Na pierwszy rzut oka ten pomysł jest po prostu szalony - eksplozja dziury zniszczy całe życie na Ziemi. Co więcej, nie jest to wykonalne technicznie. Jeśli minimalna masa dziury jest rzeczywiście równa 22 mikrogramom, to w jednostkach energii jest to 10 28 elektronowoltów. Ten próg jest o 15 rzędów wielkości większy niż możliwości najpotężniejszego na świecie akceleratora, Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), który zostanie wystrzelony w CERN w 2007 roku.

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

Jednak możliwe jest, że standardowe oszacowanie minimalnej masy otworu jest znacznie zawyżone. W każdym razie tak mówią fizycy, którzy opracowują teorię superstrun, która obejmuje kwantową teorię grawitacji (choć daleką od ukończenia). Zgodnie z tą teorią przestrzeń ma nie trzy wymiary, ale co najmniej dziewięć. Nie zauważamy dodatkowych wymiarów, ponieważ są one zapętlone w tak małej skali, że nasze instrumenty nie są w stanie ich dostrzec. Jednak grawitacja jest wszechobecna, a także przenika do ukrytych wymiarów. W przestrzeni trójwymiarowej siła grawitacji jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości, aw przestrzeni dziewięciowymiarowej do ósmego stopnia. Dlatego w wielowymiarowym świecie siła pola grawitacyjnego rośnie znacznie szybciej wraz ze zmniejszaniem się odległości niż w trójwymiarowym. W takim przypadku długość Plancka wzrasta wielokrotnie, a minimalna masa otworu gwałtownie spada.

Teoria strun przewiduje, że w dziewięciowymiarowej przestrzeni może narodzić się czarna dziura o masie 10–20 g. Obliczona relatywistyczna masa protonów przyspieszanych w superakceleratorze CERN jest w przybliżeniu taka sama. Według najbardziej optymistycznego scenariusza będzie w stanie wyprodukować co sekundę jeden otwór, który będzie żył około 10–26 sekund. W procesie jego parowania powstaną wszelkiego rodzaju cząstki elementarne, które będą łatwe do zarejestrowania. Zniknięcie dziury doprowadzi do uwolnienia energii, a to nie wystarczy nawet do podgrzania jednego mikrograma wody na tysięczną stopnia. Dlatego jest nadzieja, że LHC zamieni się w fabrykę nieszkodliwych czarnych dziur. Jeśli te modele są poprawne, to takie dziury będą również mogły rejestrować orbitalne detektory promieni kosmicznych nowej generacji.

Wszystko to dotyczy stacjonarnych czarnych dziur. Tymczasem istnieją obrotowe otwory o wielu ciekawych właściwościach. Wyniki analizy teoretycznej promieniowania czarnej dziury doprowadziły również do poważnego przemyślenia pojęcia entropii, co również zasługuje na osobną dyskusję.

Kosmiczne super koła zamachowe

Statyczne elektrycznie obojętne czarne dziury, o których mówiliśmy, wcale nie są typowe dla realny świat... Zapadające się gwiazdy mają tendencję do obracania się i mogą być również naładowane elektrycznie.

Twierdzenie o łysej głowie

Gigantyczne dziury w galaktycznych jądrach najprawdopodobniej powstają z pierwotnych centrów kondensacji grawitacyjnej - pojedynczej dziury „postgwiazdowej” lub kilku dziur, które połączyły się w wyniku zderzeń. Takie dziury zarodkowe pochłaniają pobliskie gwiazdy i gaz międzygwiazdowy, zwiększając w ten sposób ich masę. Materia opadająca pod horyzont ma ponownie zarówno ładunek elektryczny (cząstki kosmiczne i pyłowe łatwo ulegają jonizacji), jak i moment obrotowy (spadek następuje po skręceniu, w spirali). W każdym procesie fizycznym moment bezwładności i ładunek są zachowywane, dlatego naturalnym jest założenie, że powstawanie czarnych dziur nie jest wyjątkiem.

Ale prawdziwe jest jeszcze mocniejsze stwierdzenie, którego szczególny przypadek został sformułowany w pierwszej części artykułu (zob. A. Levin, The Amazing History of Black Holes, Popular Mechanics, nr 11, 2005). Czymkolwiek byli przodkowie makroskopowej czarnej dziury, otrzymuje od nich tylko masę, moment obrotu i ładunek elektryczny. Według Johna Wheelera „czarna dziura nie ma włosów”. Bardziej poprawne byłoby stwierdzenie, że nie więcej niż trzy „włoski” zwisają z horyzontu każdej dziury, co zostało udowodnione połączonymi wysiłkami kilku fizyków teoretycznych w latach 70. XX wieku. To prawda, że ładunek magnetyczny musi być również zachowany w otworze, którego hipotetyczne nośniki, monopole magnetyczne, przewidział Paul Dirac w 1931 roku. Jednak te cząstki nie zostały jeszcze znalezione i jest za wcześnie, aby mówić o czwartym „włosie”. W zasadzie mogą istnieć dodatkowe „włoski” związane z polami kwantowymi, ale są one całkowicie niewidoczne w makroskopowej dziurze.

A jednak kręcą się

Jeśli statyczna gwiazda zostanie ponownie naładowana, metryka czasoprzestrzeni ulegnie zmianie, ale horyzont zdarzeń nadal pozostanie kulisty. Jednak gwiezdne i galaktyczne czarne dziury z wielu powodów nie mogą przenosić dużego ładunku, dlatego z punktu widzenia astrofizyki przypadek ten nie jest zbyt interesujący. Ale obrót dziury pociąga za sobą poważniejsze konsekwencje. Po pierwsze, zmienia się kształt horyzontu. Siły odśrodkowe ściskają go wzdłuż osi obrotu i rozciągają w płaszczyźnie równikowej, tak że kula przekształca się w coś na kształt elipsoidy. W gruncie rzeczy to samo dzieje się z horyzontem, jak z każdym wirującym ciałem, w szczególności z naszą planetą - w końcu promień równikowy Ziemi jest o 21,5 km dłuższy niż promień polarny. Po drugie, rotacja zmniejsza liniowe wymiary horyzontu. Przypomnijmy, że horyzont jest interfejsem między zdarzeniami, które mogą, ale nie muszą, wysyłać sygnały do odległych światów. Jeśli grawitacja dziury zniewala kwanty światła, to przeciwnie, siły odśrodkowe przyczyniają się do ich ucieczki w przestrzeń kosmiczną. Dlatego horyzont wirującej dziury powinien znajdować się bliżej jej środka niż horyzont gwiazdy statycznej o tej samej masie.

Ale to nie wszystko. Dziura w jej obrocie unosi otaczającą przestrzeń. W bezpośrednim sąsiedztwie dziury porywanie jest całkowite, na obrzeżach stopniowo słabnie. Dlatego horyzont dziury zanurzony jest w specjalnym obszarze przestrzeni – ergosferze. Granica ergosfery dotyka horyzontu na biegunach i oddala się od niego najdalej na płaszczyźnie równikowej. Na tej powierzchni prędkość przeciągania przestrzeni jest równa prędkości światła; wewnątrz jest większa niż prędkość światła, a na zewnątrz jest mniejsza. Dlatego każde materialne ciało, czy to cząsteczka gazu, cząsteczka kosmicznego pyłu, czy sonda rozpoznawcza, wchodząc w ergosferę, nieuchronnie zaczyna obracać się wokół dziury i to w tym samym kierunku, co ono samo.

Generatory gwiazd

Obecność ergosfery w zasadzie pozwala na wykorzystanie dziury jako źródła energii i. Niech jakiś przedmiot wniknie w ergosferę i tam rozpadnie się na dwa fragmenty. Może się okazać, że jeden z nich spadnie pod horyzont, a drugi opuści ergosferę, a jego energia kinetyczna przekroczy energię początkową całego ciała! Ergosfera ma również zdolność wzmacniania promieniowania elektromagnetycznego, które na nią pada i rozprasza się z powrotem w kosmos (zjawisko to nazywa się superpromieniowaniem).

Jednak prawo zachowania energii też jest niewzruszone – maszyny perpetuum mobile nie istnieją. Kiedy dziura zasila ją energią cząstek lub promieniowania, jej własna energia obrotowa maleje. Kosmiczne koło zamachowe stopniowo zwalnia, a na końcu może nawet się zatrzymać. Oblicza się, że w ten sposób można zamienić na energię do 29% masy otworu. Tylko anihilacja materii i antymaterii jest skuteczniejsza od tego procesu, ponieważ w tym przypadku masa zostaje całkowicie zamieniona w promieniowanie. Ale słoneczne paliwo termojądrowe wypala się ze znacznie mniejszą wydajnością - około 0,6%.

W konsekwencji szybko obracająca się czarna dziura jest niemal idealnym generatorem energii dla kosmicznych supercywilizacji (jeśli oczywiście takie istnieją). W każdym razie natura korzysta z tego zasobu od niepamiętnych czasów. Kwazary, najpotężniejsze kosmiczne „stacje radiowe” (źródła fal elektromagnetycznych), żywią się energią gigantycznych wirujących dziur znajdujących się w jądrach galaktyk. Hipoteza ta została wysunięta przez Edwina Salpetera i Jakowa Zeldowicza w 1964 roku i od tego czasu jest powszechnie akceptowana. Materiał zbliżający się do otworu tworzy strukturę pierścieniową, tzw. dysk akrecyjny. Ponieważ przestrzeń w pobliżu dziury jest silnie skręcona przez jej obrót, wewnętrzna strefa dysku jest utrzymywana w płaszczyźnie równikowej i powoli opada w kierunku horyzontu zdarzeń. Gaz w tej strefie jest silnie nagrzewany przez tarcie wewnętrzne i generuje podczerwień, światło, ultrafiolet i promieniowanie rentgenowskie, a czasem nawet kwanty gamma. Kwazary emitują również nietermiczną emisję radiową, co wynika głównie z efektu synchrotronowego.

Bardzo powierzchowna entropia

Twierdzenie o łysej dziurze kryje w sobie bardzo podstępną pułapkę. Zapadająca się gwiazda to kropla supergorącego gazu sprężonego przez siły grawitacyjne. Im wyższa gęstość i temperatura plazmy gwiezdnej, tym mniej w niej porządku i więcej chaosu. Stopień chaosu wyraża bardzo konkretna wielkość fizyczna - entropia. Z biegiem czasu entropia każdego izolowanego obiektu wzrasta - to jest istota drugiej zasady termodynamiki. Entropia gwiazdy przed zapadnięciem się jest zaporowo wysoka, a entropia dziury wydaje się bardzo mała, ponieważ do jednoznacznego opisania dziury potrzebne są tylko trzy parametry. Czy druga zasada termodynamiki jest naruszona podczas grawitacyjnego kolapsu?

Czy można założyć, że gdy gwiazda zamienia się w supernową, jej entropia jest przenoszona wraz z wyrzuconą powłoką? Niestety nie. Po pierwsze, masy otoczki nie można porównać z masą gwiazdy, dlatego utrata entropii będzie niewielka. Po drugie, łatwo jest wymyślić jeszcze bardziej przekonujące mentalne „obalenie” drugiej zasady termodynamiki. Niech ciało o niezerowej temperaturze, posiadające pewną entropię, wpadnie w strefę przyciągania gotowej dziury. Znajdując się pod horyzontem zdarzeń, zniknie wraz ze swoimi rezerwami entropii, a entropia dziury najprawdopodobniej w ogóle nie wzrośnie. Istnieje pokusa, aby argumentować, że entropia kosmity nie znika, ale przenosi się do wnętrza dziury, ale to tylko słowna sztuczka. Prawa fizyki są spełnione w świecie dostępnym nam i naszym instrumentom, a obszar pod horyzontem zdarzeń dla każdego obserwatora z zewnątrz to terra incognita.

Ten paradoks został rozwiązany przez absolwenta Wheelera, Jacoba Bekensteina. Termodynamika ma bardzo potężny zasób intelektualny - teoretyczne studium idealnych silników cieplnych. Bekenstein wymyślił urządzenie umysłowe, które zamienia ciepło w użyteczną pracę, używając czarnej dziury jako grzejnika. Korzystając z tego modelu, obliczył entropię czarnej dziury, która okazała się proporcjonalna do obszaru horyzontu zdarzeń... Obszar ten jest proporcjonalny do kwadratu promienia dziury, który, przypominam, jest proporcjonalny do jej masy. Po uchwyceniu dowolnego obiektu zewnętrznego masa otworu wzrasta, promień wydłuża się, zwiększa się powierzchnia horyzontu i odpowiednio zwiększa się entropia. Obliczenia wykazały, że entropia dziury, która połknęła obcy obiekt, przekracza całkowitą entropię tego obiektu i dziury przed ich spotkaniem. Podobnie entropia zapadającej się gwiazdy jest o wiele rzędów wielkości mniejsza niż entropia dziury spadkowej. W rzeczywistości z rozumowania Bekensteina wynika, że powierzchnia dziury ma niezerową temperaturę i dlatego po prostu musi emitować fotony termiczne (a przy wystarczającym ogrzaniu również inne cząstki). Jednak Bekenstein nie odważył się posunąć tak daleko (ten krok wykonał Stephen Hawking).

Do czego doszliśmy? Refleksje nad czarnymi dziurami nie tylko pozostawiają niewzruszoną drugą zasadę termodynamiki, ale także umożliwiają wzbogacenie pojęcia entropii. Entropia zwyczajna ciało fizyczne jest mniej więcej proporcjonalna do jej objętości, a entropia dziury jest proporcjonalna do powierzchni horyzontu. Można ściśle dowieść, że jest ona większa niż entropia dowolnego obiektu materialnego o tych samych wymiarach liniowych. To znaczy, że maksymalny entropia zamkniętego obszaru przestrzeni jest określona wyłącznie obszarem jej zewnętrznej granicy! Jak widać, teoretyczna analiza właściwości czarnych dziur pozwala na wyciągnięcie bardzo głębokich wniosków o charakterze ogólnofizycznym.

Patrząc w głąb wszechświata

Jak przebiega poszukiwanie czarnych dziur w głębinach kosmosu? To pytanie zostało zadane przez Popular Mechanics słynnemu astrofizykowi, profesorowi Uniwersytetu Harvarda, Rameshowi Narayanowi.

„Odkrycie czarnych dziur należy uznać za jedno z największych osiągnięć współczesnej astronomii i astrofizyki. W ostatnich dziesięcioleciach w kosmosie zidentyfikowano tysiące źródeł promieniowania rentgenowskiego, z których każde składało się ze zwykłej gwiazdy i bardzo małego nieświecącego obiektu otoczonego dyskiem akrecyjnym. Ciemne ciała o masach od półtora do trzech mas Słońca to najprawdopodobniej gwiazdy neutronowe. Jednak wśród tych niewidzialnych obiektów jest co najmniej dwa tuziny praktycznie stuprocentowych kandydatów do roli czarnej dziury. Ponadto naukowcy doszli do konsensusu, że w jądrach galaktyk kryją się co najmniej dwie gigantyczne czarne dziury. Jeden z nich znajduje się w centrum naszej Galaktyki; według ubiegłorocznej publikacji astronomów ze Stanów Zjednoczonych i Niemiec jego masa wynosi 3,7 mln mas Słońca (M s). Kilka lat temu moi koledzy z Harvard-Smithsonian Astrophysical Center James Moran i Lincoln Greenhill wnieśli duży wkład w zważenie dziury w centrum galaktyki Seyferta NGC 4258, która pociągnęła 35 milionów Ms. Najprawdopodobniej jądra wielu galaktyk zawierają dziury o masach od miliona do kilku miliardów M s.

Jak dotąd nie ma sposobu na naprawienie naprawdę unikalnej sygnatury czarnej dziury z Ziemi - obecności horyzontu zdarzeń. Wiemy już jednak, jak przekonać się o jego braku. Promień gwiazdy neutronowej wynosi 10 kilometrów; ten sam rząd wielkości i promień dziur powstałych w wyniku kolapsu gwiazdy. Jednak gwiazda neutronowa ma twardą powierzchnię, podczas gdy dziura nie. Upadek materii na powierzchnię gwiazdy neutronowej pociąga za sobą wybuchy termojądrowe, które generują okresowe rozbłyski rentgenowskie o drugim czasie trwania. A kiedy gaz dociera do horyzontu czarnej dziury, przechodzi pod nią i nie objawia się żadnym promieniowaniem. Dlatego brak krótkich rozbłysków rentgenowskich jest potężnym potwierdzeniem dziurawego charakteru obiektu. Wszystkie dwa tuziny układów podwójnych, prawdopodobnie zawierających czarne dziury, nie emitują takich rozbłysków.

Trzeba przyznać, że teraz jesteśmy zmuszeni zadowalać się negatywnymi dowodami na istnienie czarnych dziur. Obiekty, które deklarujemy jako dziury, nie mogą być niczym innym z punktu widzenia ogólnie przyjętych modeli teoretycznych. Innymi słowy, uważamy je za dziury tylko dlatego, że nie możemy racjonalnie uznać ich za coś innego. Mam nadzieję, że kolejne pokolenia astronomów będą miały trochę więcej szczęścia.”

Do słów profesora Narayana możemy dodać, że astronomowie od dawna wierzyli w realność istnienia czarnych dziur. Historycznie pierwszym wiarygodnym kandydatem na tę pozycję był ciemny satelita bardzo jasnego niebieskiego nadolbrzyma HDE 226868, oddalony od nas o 6500 lat świetlnych. Został odkryty na początku lat 70. w układzie podwójnym rentgenowskim Łabędzia X-1. Według najnowszych danych jego masa wynosi około 20 M s. Warto zauważyć, że 20 września br. opublikowano dane, które prawie całkowicie rozwiały wątpliwości co do realności kolejnej dziury w skali galaktycznej, której istnienie astronomowie po raz pierwszy podejrzewali 17 lat temu. Znajduje się w centrum galaktyki M31, lepiej znanej jako Mgławica Andromedy. Galaktyka M31 jest bardzo stara, ma około 12 miliardów lat. Dziura jest też dość duża - 140 milionów mas Słońca. Jesienią 2005 roku astronomowie i astrofizycy byli wreszcie przekonani o istnieniu trzech supermasywnych czarnych dziur i kilkudziesięciu innych ich skromniejszych towarzyszy.

Werdykt teoretyków

Popular Mechanics udało się również porozmawiać z dwoma najbardziej autorytatywnymi ekspertami w dziedzinie teorii grawitacji, którzy poświęcili dziesięciolecia badań w dziedzinie czarnych dziur. Poprosiliśmy ich o wymienienie najważniejszych osiągnięć w tej dziedzinie. Oto, co powiedział nam Kip Thorne, profesor fizyki teoretycznej w California Institute of Technology:

„Jeśli mówimy o makroskopowych czarnych dziurach, które są dobrze opisane równaniami ogólnej teorii względności, to w dziedzinie ich teorii główne wyniki uzyskano już w latach 60-80 XX wieku. W odniesieniu do ostatnich prac, najciekawsze z nich pozwoliły lepiej zrozumieć procesy zachodzące wewnątrz czarnej dziury w miarę jej starzenia. W ostatnich latach dużą uwagę zwrócono na modele czarnych dziur w przestrzeniach wielowymiarowych, które naturalnie pojawiają się w teorii strun. Ale te badania nie są już klasycznymi, ale dziurami kwantowymi, które nie zostały jeszcze odkryte. Głównym rezultatem ostatnich lat jest bardzo przekonujące astrofizyczne potwierdzenie prawdziwości istnienia dziur o masie kilku mas Słońca, a także supermasywnych dziur w centrach galaktyk. Dziś nie ma już wątpliwości, że te dziury naprawdę istnieją i że dobrze rozumiemy procesy ich powstawania.”

Na to samo pytanie odpowiedział student akademika Markowa, profesora Uniwersytetu Prowincji Kanadyjskiej Albert Valery Frolov:

„Przede wszystkim nazwałbym odkrycie czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki. Bardzo interesujące są również badania teoretyczne dziur w przestrzeniach o dodatkowych wymiarach, z których wynika możliwość narodzin minhole w eksperymentach przy akceleratorach zderzających oraz w procesach oddziaływania promieni kosmicznych z materią ziemską. Niedawno Stephen Hawking wysłał wstępny wydruk pracy, z którego wynika, że promieniowanie cieplne z czarnej dziury całkowicie powraca do świata zewnętrznego informacje o stanie obiektów, które znalazły się pod jej horyzontem. Wcześniej uważał, że ta informacja nieodwracalnie znika, ale teraz doszedł do przeciwnego wniosku. Niemniej jednak należy podkreślić, że problem ten można ostatecznie rozwiązać dopiero na podstawie kwantowej teorii grawitacji, która nie została jeszcze zbudowana.”

Na osobny komentarz zasługuje praca Hawkinga. Z ogólnych zasad mechaniki kwantowej wynika, że żadna informacja nie znika bez śladu, ale być może przechodzi w mniej „czytelną” formę. Jednak czarne dziury nieodwracalnie niszczą materię i najwyraźniej równie surowo radzą sobie z informacjami. W 1976 roku Hawking opublikował artykuł, w którym wniosek ten został poparty aparatem matematycznym. Niektórzy teoretycy się z nim zgadzali, inni nie; w szczególności teoretycy strun uważali, że informacje są niezniszczalne. Hawking powiedział na konferencji w Dublinie zeszłego lata, że informacje są nadal przechowywane i wraz z promieniowaniem cieplnym opuszczają powierzchnię dziury parowania. Na tym spotkaniu Hawking przedstawił jedynie schemat swoich nowych obliczeń, obiecując, że z czasem je w całości opublikuje. A teraz, jak powiedział Valery Frolov, ta praca stała się dostępna jako preprint.

Na koniec poprosiliśmy profesora Frolowa o wyjaśnienie, dlaczego uważa czarne dziury za jeden z najbardziej fantastycznych wynalazków ludzkiego intelektu.

„Astronomowie od dawna odkrywają obiekty, których zrozumienie nie wymagało zasadniczo nowych pomysłów fizycznych. Dotyczy to nie tylko planet, gwiazd i galaktyk, ale także ciał egzotycznych, takich jak białe karły i gwiazdy neutronowe. Ale czarna dziura to coś zupełnie innego, to przełom w nieznane. Ktoś powiedział, że jej wnętrzności Najlepsze miejsce by pomieścić podziemia. Badanie dziur, zwłaszcza osobliwości, po prostu wymusza stosowanie takich niestandardowych pojęć i modeli, które do niedawna praktycznie nie były omawiane w fizyce - na przykład grawitacja kwantowa i teoria strun. Pojawia się tu wiele problemów, które są niezwykłe dla fizyki, a nawet bolesne, ale, jak teraz widać, są absolutnie realne. Dlatego badanie dziur nieustannie wymaga fundamentalnie nowych podejść teoretycznych, w tym tych, które są na skraju naszej wiedzy o świecie fizycznym.”

Między Francuzami a Brytyjczykami toczy się czasem półżart, a czasem poważna kontrowersja: kogo należy uważać za odkrywcę możliwości istnienia niewidzialnych gwiazd – Francuz P. Laplace czy Anglik J. Michell? W 1973 roku słynni angielscy fizycy teoretycy S. Hawking i G. Ellis, w książce poświęconej współczesnym specjalnym zagadnieniom matematycznym dotyczącym struktury przestrzeni i czasu, przytoczyli pracę Francuza P. Laplace'a z dowodem na możliwość istnienie czarnych gwiazd; wówczas dzieło J. Michella nie było jeszcze znane. Jesienią 1984 roku słynny angielski astrofizyk M. Rice, przemawiając na konferencji w Tuluzie, powiedział, że chociaż nie jest to zbyt wygodne przemawiać we Francji, musi podkreślić, że Anglik J. Michell był pierwszym, który przewidział niewidzialne gwiazdy, i pokazał migawkę pierwszej strony swojej odpowiedniej pracy. Ta historyczna uwaga spotkała się z aplauzem i uśmiechem publiczności.

Jak możemy nie przypomnieć dyskusji między Francuzami a Brytyjczykami o tym, kto przewidział położenie planety Neptun na podstawie zakłóceń w ruchu Urana: Francuza W. Le Verriera czy Anglika J. Adamsa? Jak wiecie, obaj naukowcy niezależnie prawidłowo wskazali pozycję nowej planety. Wtedy więcej szczęścia miał Francuz W. Le Verrier. Taki jest los wielu odkryć. Często są one wykonywane niemal jednocześnie i niezależnie przez różne osoby, zwykle pierwszeństwo mają ci, którzy wniknęli głębiej w istotę problemu, ale czasami są to tylko kaprysy losu.

Ale przepowiednia P. Laplace'a i J. Michilla nie była jeszcze prawdziwą przepowiednią czarnej dziury. Czemu?

Faktem jest, że w czasach Laplace'a nie było jeszcze wiadomo, że nic nie może poruszać się szybciej niż światło w naturze. Nie da się wyprzedzić światła w pustce! Zostało to ustalone przez A Einsteina w szczególnej teorii względności już w naszym stuleciu. Dlatego dla P. Laplace'a rozważana przez niego gwiazda była tylko czarna (nieświecąca) i nie mógł wiedzieć, że taka gwiazda traci w ogóle zdolność „komunikowania się” ze światem zewnętrznym, „komunikowania się” czegokolwiek odległe światy o rozgrywających się na nim wydarzeniach.... Innymi słowy, nie wiedział jeszcze, że to nie tylko „czarna”, ale także „dziura”, w którą można wpaść, ale nie można się wydostać. Teraz wiemy, że jeśli światło nie może wyjść z określonego obszaru przestrzeni, oznacza to, że nic nie może w ogóle wyjść i taki obiekt nazywamy czarną dziurą.

Innym powodem, dla którego rozumowania Laplace'a nie można uznać za rygorystyczne jest to, że rozważał on pola garwitacyjne o ogromnej sile, w których spadające ciała są przyspieszane do prędkości światła, a samo światło wychodzące może być opóźnione, a jednocześnie zastosował prawo grawitacji Newtona.

A. Einstein wykazał, że dla takich pól teoria grawitacji Newtona nie ma zastosowania i stworzył nową teorię, która jest ważna dla supersilnych, a także dla szybko zmieniających się pól (dla których teoria Newtona również nie ma zastosowania!) I. nazwał to ogólną teorią względności. To właśnie wnioski z tej teorii należy wykorzystać do udowodnienia możliwości istnienia czarnych dziur i zbadania ich właściwości.

Ogólna teoria względności to niesamowita teoria. Jest tak głęboki i smukły, że wywołuje u każdego, kto go pozna, poczucie estetycznej przyjemności. Radzieccy fizycy L. Landau i E. Lifshits w swoim podręczniku „Teoria pola” nazwali ją „najpiękniejszą ze wszystkich istniejących teorii fizycznych”. Niemiecki fizyk Max Born powiedział o odkryciu teorii względności: „Podziwiam go jako dzieło sztuki”. A radziecki fizyk V. Ginzburg pisał, że wywołuje „...uczucie...podobne do tego, jakiego doświadczamy patrząc na najwybitniejsze arcydzieła malarstwa, rzeźby czy architektury”.

Liczne próby popularnego przedstawienia teorii Einsteina mogą oczywiście wywrzeć na nią ogólne wrażenie. Ale, szczerze mówiąc, to tak samo jak zachwyt nad samą znajomością teorii, tak jak znajomość reprodukcji „Madonny Sykstyńskiej” różni się od doświadczenia, jakie pojawia się przy rozważaniu oryginału stworzonego przez geniusza Rafaela. .

A jednak, gdy nie ma możliwości podziwiania oryginału, można (i trzeba!) zapoznać się z dostępnymi reprodukcjami, lepszymi dobrymi (a jest ich wszelkiego rodzaju).

Nowikow ID.

10 kwietnia grupa astrofizyków z projektu Event Horizon Telescope opublikowała pierwszą w historii migawkę czarnej dziury. Te gigantyczne, ale niewidoczne obiekty kosmiczne są nadal jednymi z najbardziej tajemniczych i intrygujących w naszym wszechświecie.

Czytaj poniżej

Czym jest czarna dziura?

Czarna dziura to obiekt (obszar w czasoprzestrzeni), którego grawitacja jest tak duża, że przyciąga wszystkie znane obiekty, w tym te poruszające się z prędkością światła. Kwanty samego światła również nie mogą opuścić tego obszaru, więc czarna dziura jest niewidoczna. Wokół czarnej dziury można zaobserwować tylko fale elektromagnetyczne, promieniowanie i zniekształcenia przestrzeni. Opublikowany Teleskop Event Horizon przedstawia horyzont zdarzeń czarnej dziury – krawędź obszaru supergrawitacji otoczonego dyskiem akrecyjnym – świetlistą materią, która jest „wsysana” przez dziurę.

Termin „czarna dziura” pojawił się w połowie XX wieku, wprowadził go amerykański fizyk teoretyk John Archibald Wheeler. Po raz pierwszy użył tego terminu na konferencji naukowej w 1967 roku.

Jednak założenia o istnieniu obiektów tak masywnych, że nawet światło nie jest w stanie pokonać siły ich grawitacji, wysunięto już w XVIII wieku. Nowoczesna teoria czarnych dziur zaczęła kształtować się w ramach ogólnej teorii względności. Co ciekawe, sam Albert Einstein nie wierzył w istnienie czarnych dziur.

Skąd pochodzą czarne dziury?

Naukowcy uważają, że czarne dziury mają różne pochodzenie. Masywne gwiazdy pod koniec swojego życia stają się czarną dziurą: w ciągu miliardów lat zmienia się w nich skład gazów i temperatura, co prowadzi do braku równowagi między grawitacją gwiazdy a ciśnieniem gorących gazów. Następnie gwiazda zapada się: jej objętość maleje, ale ponieważ masa się nie zmienia, gęstość wzrasta. Typowa czarna dziura o masie gwiazdowej ma promień 30 kilometrów i gęstość ponad 200 milionów ton na centymetr sześcienny. Dla porównania: aby Ziemia stała się czarną dziurą, jej promień musi wynosić 9 milimetrów.

Istnieje inny rodzaj czarnych dziur - supermasywne czarne dziury, które tworzą jądra większości galaktyk. Ich masa jest miliard razy większa od masy gwiezdnych czarnych dziur. Pochodzenie supermasywnych czarnych dziur jest nieznane, przypuszcza się, że kiedyś były to czarne dziury o masie gwiazdowej, które rosły, pożerając inne gwiazdy.

Istnieje również kontrowersyjny pomysł na istnienie pierwotnych czarnych dziur, które mogły powstać w wyniku kompresji dowolnej masy na początku wszechświata. Ponadto istnieje założenie, że w Wielkim Zderzaczu Hadronów powstają bardzo małe czarne dziury o masie zbliżonej do masy cząstek elementarnych. Jednak nie ma jeszcze potwierdzenia tej wersji.

Czy czarna dziura połknie naszą galaktykę?

W centrum galaktyki Drogi Mlecznej znajduje się czarna dziura - Strzelec A*. Jego masa jest cztery miliony razy większa od masy Słońca, a jej wielkość - 25 milionów kilometrów - jest w przybliżeniu równa średnicy 18 słońc. Taka skala sprawiła, że niektórzy zaczęli się zastanawiać: czy czarna dziura nie zagraża całej naszej galaktyce? Nie tylko pisarze science fiction mają podstawy do takich założeń: kilka lat temu naukowcy donosili o galaktyce W2246-0526, która znajduje się 12,5 miliarda lat świetlnych od naszej planety. Zgodnie z opisem astronomów, znajdującym się w centrum W2246-0526, supermasywna czarna dziura stopniowo ją rozrywa, a powstałe promieniowanie przyspiesza we wszystkich kierunkach rozżarzone gigantyczne obłoki gazu. Rozdarta przez czarną dziurę galaktyka świeci jaśniej niż 300 bilionów słońc.

Jednak naszej rodzimej galaktyce nic w tym rodzaju nie zagraża (przynajmniej na krótką metę). Większość obiektów w Drodze Mlecznej, w tym Układ Słoneczny, jest zbyt daleko od czarnej dziury, aby wyczuć jej przyciąganie. W dodatku „nasza” czarna dziura nie zasysa całego materiału, jak odkurzacz, a jedynie działa jako grawitacyjna kotwica dla grupy gwiazd krążących wokół niej – jak Słońce dla planet.

Jednak nawet jeśli kiedykolwiek wyjdziemy poza horyzont zdarzeń czarnej dziury, najprawdopodobniej nawet tego nie zauważymy.

Co się stanie, jeśli „wpadniesz” w czarną dziurę?

Obiekt przyciągany przez czarną dziurę najprawdopodobniej nie będzie mógł stamtąd wrócić. Aby pokonać grawitację czarnej dziury, musisz rozwinąć prędkość większą niż prędkość światła, ale ludzkość jeszcze nie wie, jak to zrobić.

Pole grawitacyjne wokół czarnej dziury jest bardzo silne i niejednorodne, więc wszystkie znajdujące się w pobliżu obiekty zmieniają kształt i strukturę. Strona obiektu znajdująca się bliżej horyzontu zdarzeń jest przyciągana z większą siłą i opada z większym przyspieszeniem, przez co cały obiekt rozciąga się, stając się jak makaron. Opisał to zjawisko w swojej książce” Krótka historia czas ”słynny fizyk teoretyczny Stephen Hawking. Jeszcze przed Hawkingiem astrofizycy nazywali to zjawisko spaghettyfikacją.

Jeśli opiszemy spaghetyzację z punktu widzenia astronauty, który najpierw podleciał na stopę czarnej dziury, to pole grawitacyjne zaciśnie jego nogi, a następnie rozciągnie i rozerwie ciało, zamieniając je w strumień cząstek subatomowych.

Z zewnątrz nie można zobaczyć upadku do czarnej dziury, ponieważ pochłania ona światło. Zewnętrzny obserwator zobaczy tylko, że obiekt zbliżający się do czarnej dziury stopniowo zwalnia, a następnie całkowicie się zatrzymuje. Następnie sylwetka obiektu będzie coraz bardziej rozmyta, nabierze czerwonego koloru, a w końcu po prostu zniknie na zawsze.

Zgodnie z założeniem Stephena Hawkinga wszystkie obiekty przyciągane przez czarną dziurę pozostają w horyzoncie zdarzeń. Z teorii względności wynika, że w pobliżu czarnej dziury czas zwalnia aż do zatrzymania, więc dla kogoś, kto wpada, sam wpadnięcie do czarnej dziury może nigdy nie nastąpić.

Co jest w środku?

Z oczywistych względów nie ma obecnie wiarygodnej odpowiedzi na to pytanie. Jednak naukowcy są zgodni, że w czarnej dziurze prawa fizyki, do których jesteśmy przyzwyczajeni, już nie działają. Zgodnie z jedną z najbardziej ekscytujących i egzotycznych hipotez, kontinuum czasoprzestrzenne wokół czarnej dziury jest tak zniekształcone, że w samej rzeczywistości powstaje dziura, która może być portalem do innego wszechświata – lub tak zwaną wormhole.

Czarne dziury: najbardziej tajemnicze obiekty we wszechświecie

Ze względu na stosunkowo niedawny wzrost zainteresowania robieniem filmów popularnonaukowych na temat eksploracji kosmosu, współczesny widz dużo słyszał o takich zjawiskach jak osobliwość, czy czarna dziura. Jednak filmy oczywiście nie odsłaniają całej natury tych zjawisk, a czasem nawet zniekształcają konstruowane teorie naukowe dla większej skuteczności. Z tego powodu reprezentacja wielu współcześni ludzie o tych zjawiskach albo całkowicie powierzchownie, albo całkowicie błędnie. Jednym z rozwiązań problemu jest ten artykuł, w którym postaramy się zrozumieć dotychczasowe wyniki badań i odpowiedzieć na pytanie – czym jest czarna dziura?

W 1784 roku angielski ksiądz i przyrodnik John Michell po raz pierwszy wspomniał w liście do Royal Society o jakimś hipotetycznym, masywnym ciele, które ma tak silne przyciąganie grawitacyjne, że druga kosmiczna prędkość dla niego przekroczy prędkość światła. Druga prędkość kosmiczna to prędkość, jaką stosunkowo mały obiekt będzie potrzebował, aby przezwyciężyć przyciąganie grawitacyjne ciała niebieskiego i wyjść poza zamkniętą orbitę wokół tego ciała. Według jego obliczeń ciało o gęstości Słońca i promieniu 500 promieni słonecznych będzie miało na swojej powierzchni drugą prędkość kosmiczną równą prędkości światła. W takim przypadku nawet światło nie opuści powierzchni takiego ciała, a zatem ciało to pochłonie tylko światło wpadające i pozostanie niewidoczne dla obserwatora - rodzaj czarnej plamy na tle ciemnej przestrzeni.

Jednak koncepcja supermasywnego ciała Michella nie wzbudziła większego zainteresowania, aż do prac Einsteina. Przypomnijmy, że ci ostatni określili prędkość światła jako graniczną prędkość przesyłania informacji. Ponadto Einstein rozszerzył teorię grawitacji o prędkości zbliżone do prędkości światła (). W rezultacie stosowanie teorii Newtona do czarnych dziur nie było już istotne.

równanie Einsteina

W wyniku zastosowania ogólnej teorii względności do czarnych dziur i rozwiązania równań Einsteina ujawniono główne parametry czarnej dziury, z których są tylko trzy: masa, ładunek elektryczny i moment pędu. Należy zauważyć znaczący wkład indyjskiego astrofizyka Subramaniana Chandrasekhara, który stworzył podstawową monografię: „The Mathematical Theory of Black Holes”.

Zatem rozwiązanie równań Einsteina jest reprezentowane przez cztery opcje dla czterech możliwych typów czarnych dziur:

BH bez rotacji i bez ładowania - rozwiązanie Schwarzschilda. Jeden z pierwszych opisów czarnej dziury (1916) z wykorzystaniem równań Einsteina, ale bez uwzględnienia dwóch z trzech parametrów ciała. Rozwiązanie niemieckiego fizyka Karla Schwarzschilda umożliwia obliczenie zewnętrznego pola grawitacyjnego masywnego ciała kulistego. Osobliwością koncepcji BH przez niemieckiego naukowca jest obecność horyzontu zdarzeń i tego, który się za nim kryje. Również Schwarzschild najpierw obliczył promień grawitacyjny, który otrzymał jego imię, który określa promień kuli, na której znajdowałby się horyzont zdarzeń dla ciała o danej masie.
BH bez rotacji z doładowaniem - rozwiązanie Reisner-Nordström. Rozwiązanie zaproponowano w latach 1916-1918, biorąc pod uwagę możliwy ładunek elektryczny czarnej dziury. Ładunek ten nie może być tak duży, jak jest to pożądane i jest ograniczony ze względu na wynikające z tego odpychanie elektryczne. Te ostatnie powinny być skompensowane przez przyciąganie grawitacyjne.
BH z rotacją i bez ładunku - rozwiązanie Kerra (1963). Obracająca się czarna dziura Kerra różni się od statycznej obecnością tzw. ergosfery (o tym i innych składnikach czarnej dziury - czytaj dalej).
BH z obrotem i ładowaniem - rozwiązanie Kerr - Newman. To rozwiązanie zostało obliczone w 1965 roku i jest obecnie najbardziej kompletne, ponieważ uwzględnia wszystkie trzy parametry BH. Jednak nadal zakłada się, że w naturze czarne dziury mają znikomy ładunek.

Powstanie czarnej dziury

Istnieje kilka teorii na temat powstawania i pojawiania się czarnej dziury, z których najsłynniejszą jest powstawanie gwiazdy o wystarczającej masie w wyniku kolapsu grawitacyjnego. Ta kompresja może zakończyć ewolucję gwiazd o masie większej niż trzy masy Słońca. Po zakończeniu reakcji termojądrowych wewnątrz takich gwiazd, zaczynają one gwałtownie zapadać się w supergęstość. Jeżeli ciśnienie gazu gwiazdy neutronowej nie może zrekompensować sił grawitacyjnych, to znaczy, że masa gwiazdy pokonuje tzw. granica Oppenheimera - Volkova, następnie zapadanie się trwa, w wyniku czego materia zostaje skompresowana w czarną dziurę.

Drugi scenariusz, opisujący narodziny czarnej dziury, to kompresja gazu protogalaktycznego, czyli gazu międzygwiazdowego znajdującego się na etapie transformacji w galaktykę lub swego rodzaju gromadę. Jeśli ciśnienie wewnętrzne jest niewystarczające do skompensowania tych samych sił grawitacyjnych, może pojawić się czarna dziura.

Dwa inne scenariusze pozostają hipotetyczne:

Powstanie BH w rezultacie - tzw. pierwotne czarne dziury.
Występowanie w wyniku reakcji jądrowych przy wysokich energiach. Przykładem takich reakcji są eksperymenty zderzacza.

Struktura i fizyka czarnych dziur

Struktura Schwarzschilda czarnej dziury zawiera tylko dwa elementy, o których wspomniano wcześniej: osobliwość i horyzont zdarzeń czarnej dziury. Mówiąc krótko o osobliwości, można zauważyć, że nie da się przez nią poprowadzić linii prostej, a także, że nie sprawdza się w niej większość istniejących teorii fizycznych. Tak więc fizyka osobliwości pozostaje dziś dla naukowców zagadką. czarna dziura jest rodzajem granicy, po przekroczeniu której obiekt fizyczny traci zdolność powrotu poza swoje granice i na pewno „wpadnie” w osobliwość czarnej dziury.

Struktura czarnej dziury staje się nieco bardziej skomplikowana w przypadku rozwiązania Kerra, a mianowicie w obecności rotacji BH. Rozwiązanie Kerra zakłada, że dziura ma ergosferę. Ergosfera to pewien obszar poza horyzontem zdarzeń, wewnątrz którego wszystkie ciała poruszają się zgodnie z kierunkiem obrotu czarnej dziury. Ten obszar nie jest jeszcze ekscytujący i można go opuścić, w przeciwieństwie do horyzontu zdarzeń. Ergosfera jest prawdopodobnie swego rodzaju odpowiednikiem dysku akrecyjnego, który obraca materię wokół masywnych ciał. Jeśli statyczna czarna dziura Schwarzschilda jest reprezentowana jako czarna sfera, to Kerry BH, ze względu na obecność ergosfery, ma kształt spłaszczonej elipsoidy, w postaci której BH często widywaliśmy na rysunkach, w starych filmach lub Gry wideo.

Ile waży czarna dziura? - Największy materiał teoretyczny na temat pochodzenia czarnej dziury jest dostępny dla scenariusza jej pojawienia się w wyniku kolapsu gwiazdy. W tym przypadku maksymalną masę gwiazdy neutronowej i minimalną masę czarnej dziury określa granica Oppenheimera-Volkova, zgodnie z którą dolna granica masy BH wynosi 2,5 - 3 masy Słońca. Najcięższa kiedykolwiek odkryta czarna dziura (w galaktyce NGC 4889) ma masę 21 miliardów mas Słońca. Nie należy jednak zapominać o BHs, hipotetycznie powstających w wyniku reakcji jądrowych przy wysokich energiach, np. w zderzaczach. Masa takich kwantowych czarnych dziur, innymi słowy „czarnych dziur Plancka”, ma rząd wielkości, czyli 2 · 10-5 g.
Rozmiar czarnej dziury. Minimalny promień BH można obliczyć z minimalnej masy (2,5 - 3 masy Słońca). Jeśli promień grawitacyjny Słońca, czyli obszaru, na którym znajdowałby się horyzont zdarzeń, wynosi około 2,95 km, to minimalny promień BH 3 mas Słońca wyniesie około dziewięciu kilometrów. Tak stosunkowo niewielki rozmiar nie mieści się w głowie, gdy nadchodzi o masywnych obiektach, które przyciągają wszystko dookoła. Jednak dla kwantowych czarnych dziur promień wynosi - 10 −35 m.
Średnia gęstość czarnej dziury zależy od dwóch parametrów: masy i promienia. Gęstość czarnej dziury o masie rzędu trzech mas Słońca wynosi około 6 · 10 26 kg/m³, natomiast gęstość wody to 1000 kg/m³. Jednak tak małe czarne dziury nie zostały znalezione przez naukowców. Większość wykrytych BH ma masę ponad 105 mas Słońca. Istnieje ciekawy wzór, zgodnie z którym im masywniejsza czarna dziura, tym mniejsza jej gęstość. W tym przypadku zmiana masy o 11 rzędów wielkości prowadzi do zmiany gęstości o 22 rzędy wielkości. Tak więc czarna dziura o masie 1 · 10 9 mas Słońca ma gęstość 18,5 kg/m³, czyli o jedną jednostkę mniejszą niż gęstość złota. A BH o masie większej niż 10 10 mas Słońca mogą mieć średnią gęstość mniejszą niż gęstość powietrza. Na podstawie tych obliczeń logiczne jest założenie, że powstanie czarnej dziury następuje nie w wyniku kompresji materii, ale w wyniku nagromadzenia dużej ilości materii w określonej objętości. W przypadku kamieni kwantowych ich gęstość może wynosić około 1094 kg/m³.
Temperatura czarnej dziury jest również odwrotnie proporcjonalna do jej masy. Ta temperatura jest bezpośrednio związana. Widmo tego promieniowania pokrywa się z widmem ciała absolutnie czarnego, czyli takiego, które pochłania całe padające promieniowanie. Widmo promieniowania ciała absolutnie czarnego zależy tylko od jego temperatury, wtedy temperaturę BH można wyznaczyć z widma promieniowania Hawkinga. Jak wspomniano powyżej, im mniejsza czarna dziura, tym silniejsze jest to promieniowanie. Jednocześnie promieniowanie Hawkinga pozostaje hipotetyczne, ponieważ nie zostało jeszcze zaobserwowane przez astronomów. Wynika z tego, że jeśli istnieje promieniowanie Hawkinga, to temperatura obserwowanych BHs jest tak niska, że nie pozwala na rejestrację wskazanego promieniowania. Według obliczeń nawet temperatura dziury o masie rzędu masy Słońca jest znikoma (1 · 10 -7 K lub -272 ° C). Temperatura kwantowych czarnych dziur może sięgać około 10 12 K, a przy ich szybkim odparowaniu (około 1,5 minuty) takie BH mogą emitować energię rzędu dziesięciu milionów bomb atomowych. Ale na szczęście stworzenie takich hipotetycznych obiektów będzie wymagało energii 10 14 razy większej niż ta osiągana dzisiaj w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Ponadto takich zjawisk nigdy nie zaobserwowali astronomowie.

Z czego składa się czarna dziura?

Kolejne pytanie niepokoi zarówno naukowców, jak i tych, którzy po prostu lubią astrofizykę - z czego składa się czarna dziura? Nie ma jednoznacznej odpowiedzi na to pytanie, ponieważ nie można spojrzeć poza horyzont zdarzeń otaczający czarną dziurę. Ponadto, jak wspomniano wcześniej, modele teoretyczne czarnej dziury uwzględniają tylko 3 jej składniki: ergosferę, horyzont zdarzeń i osobliwość. Logiczne jest założenie, że w ergosferze znajdują się tylko te obiekty, które zostały przyciągnięte przez czarną dziurę i które teraz krążą wokół niej - różnego rodzaju ciała kosmiczne i kosmiczny gaz. Horyzont zdarzeń to tylko cienka, ukryta granica, po przekroczeniu której te same ciała kosmiczne są bezpowrotnie przyciągane w kierunku ostatniego głównego składnika BH - osobliwości. Natura osobliwości nie została dziś zbadana i jest za wcześnie, aby mówić o jej składzie.

Według niektórych założeń czarna dziura może składać się z neutronów. Jeśli podążymy za scenariuszem czarnej dziury w wyniku kompresji gwiazdy w gwiazdę neutronową z jej późniejszym skurczem, to prawdopodobnie główna część czarnej dziury składa się z neutronów, z których składa się sama gwiazda neutronowa. W prostych słowach: gdy gwiazda zapada się, jej atomy kurczą się w taki sposób, że elektrony łączą się z protonami, tworząc w ten sposób neutrony. Podobna reakcja faktycznie zachodzi w przyrodzie, podczas gdy emisja neutrin zachodzi wraz z powstawaniem neutronu. To jednak tylko założenia.

Co się stanie, jeśli dostaniesz się do czarnej dziury?

Wpadnięcie w astrofizyczną czarną dziurę rozciąga ciało. Rozważmy hipotetycznego astronautę-samobójcę wchodzącego do czarnej dziury tylko w skafandrze kosmicznym, stopami do przodu. Przekraczając horyzont zdarzeń astronauta nie zauważy żadnych zmian, mimo że nie ma już możliwości wyjścia. W pewnym momencie astronauta dotrze do punktu (nieco za horyzontem zdarzeń), w którym zacznie pojawiać się deformacja jego ciała. Ponieważ pole grawitacyjne czarnej dziury jest niejednorodne i jest reprezentowane przez rosnący gradient siły w kierunku środka, nogi astronauty będą poddane zauważalnie większemu efektowi grawitacyjnemu niż np. głowa. Wtedy, z powodu grawitacji, a raczej sił pływowych, nogi będą szybciej „opadać”. W ten sposób ciało zaczyna się stopniowo wydłużać. Aby opisać to zjawisko, astrofizycy wymyślili dość twórczy termin - spaghetyfikacja. Dalsze rozciąganie ciała prawdopodobnie rozłoży je na atomy, które prędzej czy później osiągną osobliwość. To, co dana osoba poczuje w tej sytuacji, jest tylko zgadywaniem. Warto zauważyć, że efekt rozciągania ciała jest odwrotnie proporcjonalny do masy czarnej dziury. Oznacza to, że jeśli BH o masie trzech Słońc natychmiast rozciągnie / rozerwie ciało, to supermasywna czarna dziura będzie miała mniejsze siły pływowe i istnieją sugestie, że niektóre materiały fizyczne mogą „wytrzymać” taką deformację bez utraty swojej struktury.

Jak wiecie, w pobliżu masywnych obiektów czas płynie wolniej, co oznacza, że czas samobójczego astronauty będzie płynął znacznie wolniej niż dla Ziemian. W takim przypadku być może przeżyje nie tylko swoich przyjaciół, ale także samą Ziemię. Obliczenia będą potrzebne, aby określić, ile czasu zwolni astronauta, jednak z powyższego można założyć, że astronauta wpadnie do BH bardzo powoli i być może po prostu nie dożyje momentu, w którym jego ciało zaczyna się deformować.

Warto zauważyć, że dla obserwatora na zewnątrz wszystkie ciała, które przeleciały do horyzontu zdarzeń, pozostaną na krawędzi tego horyzontu, dopóki ich obraz nie zniknie. Powodem tego zjawiska jest grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni. W pewnym uproszczeniu można powiedzieć, że światło padające na ciało samobójczego astronauty „zamrożone” na horyzoncie zdarzeń zmieni swoją częstotliwość ze względu na spowolniony czas. Wraz z wolniejszym biegiem czasu częstotliwość światła zmniejszy się, a długość fali wzrośnie. W wyniku tego zjawiska, na wyjściu, czyli dla obserwatora zewnętrznego, światło będzie stopniowo przesuwało się w kierunku niskiej częstotliwości - czerwonej. Nastąpi przesunięcie światła wzdłuż widma, w miarę jak samobójczy astronauta oddala się coraz bardziej od obserwatora, aczkolwiek prawie niezauważalnie, a jego czas płynie coraz wolniej. W ten sposób światło odbite przez jego ciało wkrótce wyjdzie poza widmo widzialne (obraz zniknie), a w przyszłości ciało astronauty będzie można uchwycić tylko w zakresie podczerwieni, a później - w częstotliwości radiowej, a w rezultacie , promieniowanie będzie całkowicie nieuchwytne.

Pomimo powyższego zakłada się, że w bardzo dużych supermasywnych czarnych dziurach siły pływowe nie zmieniają się tak bardzo wraz z odległością i działają niemal równomiernie na spadające ciało. W takim przypadku spadający statek kosmiczny zachowałby swoją strukturę. Powstaje uzasadnione pytanie - dokąd prowadzi czarna dziura? Na to pytanie mogą odpowiedzieć prace niektórych naukowców łączące dwa takie zjawiska jak tunele czasoprzestrzenne i czarne dziury.

Już w 1935 r. Albert Einstein i Nathan Rosen, biorąc pod uwagę, wysunęli hipotezę o istnieniu tak zwanych tuneli czasoprzestrzennych, łączących dwa punkty czasoprzestrzeni ścieżką w miejscach o znacznej krzywiźnie tej ostatniej - Einstein-Rosen most lub tunel czasoprzestrzenny. Do tak potężnej krzywizny przestrzeni potrzebne byłyby ciała o gigantycznej masie, z rolą, której doskonale poradziłyby sobie czarne dziury.

Most Einsteina-Rosena jest uważany za nieprzejezdny tunel czasoprzestrzenny, ponieważ jest mały i niestabilny.

Przejezdny tunel czasoprzestrzenny jest możliwy w ramach teorii czarnych i białych dziur. Gdzie biała dziura jest wyjściem informacji uwięzionych w czarnej dziurze. Biała dziura jest opisana w ramach ogólnej teorii względności, ale dziś pozostaje hipotetyczna i nie została odkryta. Inny model tunelu czasoprzestrzennego, zaproponowany przez amerykańskich naukowców Kipa Thorne'a i jego absolwenta, Mike'a Morrisa, może być pokonywany pieszo. Jednak podobnie jak w przypadku tunelu Morris-Thorne, tak w przypadku czarnych i białych dziur, możliwość podróżowania wymaga istnienia tzw. materii egzotycznej, która ma energię ujemną i również pozostaje hipotetyczna.

Czarne dziury we wszechświecie

Istnienie czarnych dziur potwierdzono stosunkowo niedawno (wrzesień 2015), ale do tego czasu istniał już znaczny materiał teoretyczny na temat natury BH, a także wiele obiektów kandydujących do roli czarnej dziury. Przede wszystkim należy wziąć pod uwagę wielkość GW, ponieważ od nich zależy sam charakter zjawiska:

Czarna dziura o masie gwiazdowej... Takie obiekty powstają w wyniku zapadnięcia się gwiazdy. Jak wspomniano wcześniej, minimalna masa ciała zdolnego do uformowania takiej czarnej dziury wynosi 2,5-3 mas Słońca.
Czarne dziury o średniej masie... Warunkowy pośredni typ czarnych dziur, które wzrosły z powodu absorpcji pobliskich obiektów, takich jak gromada gazu, sąsiednia gwiazda (w układach dwugwiazdowych) i inne ciała kosmiczne.
Wielka czarna dziura... Kompaktowe obiekty z 10 5 -10 10 masami Słońca. Cechą charakterystyczną takich BH jest paradoksalnie niska gęstość, a także wspomniane wcześniej słabe siły pływowe. To taka supermasywna czarna dziura w centrum naszej galaktyki Drogi Mlecznej (Strzelec A *, Sgr A *), podobnie jak większość innych galaktyk.

Kandydaci do Czarnego Domu

Najbliższą czarną dziurą, a raczej kandydatką do roli BH, jest obiekt (V616 Unicorn), który znajduje się w odległości 3000 lat świetlnych od Słońca (w naszej Galaktyce). Składa się z dwóch elementów: gwiazdy o masie połowy masy Słońca oraz niewidzialnego małego ciała, którego masa wynosi 3-5 mas Słońca. Jeśli ten obiekt okaże się małą czarną dziurą o masie gwiazdowej, to z prawej strony będzie to najbliższa BH.

Po tym obiekcie, drugą najbliższą czarną dziurą jest obiekt Cyg X-1, który był pierwszym kandydatem do roli BH. Odległość do niego wynosi około 6070 lat świetlnych. Jest dobrze zbadany: ma masę 14,8 mas Słońca i promień horyzontu zdarzeń wynoszący około 26 km.

Według niektórych źródeł kolejnym najbliższym kandydatem do roli BH może być ciało w układzie gwiezdnym V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), które według szacunków z 1999 r. znajdowało się w odległości 1600 lat świetlnych. Jednak kolejne badania zwiększyły tę odległość co najmniej 15-krotnie.

Ile czarnych dziur jest w naszej galaktyce?

Nie ma dokładnej odpowiedzi na to pytanie, ponieważ dość trudno je zaobserwować, a przez cały czas badań nieba naukowcom udało się znaleźć w Drodze Mlecznej kilkanaście czarnych dziur. Nie zagłębiając się w obliczenia, zauważamy, że w naszej galaktyce jest około 100-400 miliardów gwiazd, a mniej więcej co tysięczna gwiazda ma masę wystarczającą do utworzenia czarnej dziury. Jest prawdopodobne, że podczas istnienia Drogi Mlecznej mogły powstać miliony czarnych dziur. Ponieważ łatwiej jest zarejestrować ogromne czarne dziury, logiczne jest założenie, że większość BH w naszej galaktyce najprawdopodobniej nie jest supermasywna. Warto zauważyć, że badania NASA z 2005 roku sugerują obecność roju czarnych dziur (10-20 tysięcy) krążących wokół centrum galaktyki. Ponadto w 2016 roku japońscy astrofizycy odkryli w pobliżu obiektu * masywnego satelitę - czarną dziurę, rdzeń Drogi Mlecznej. Ze względu na mały promień (0,15 lat świetlnych) tego ciała, a także jego ogromną masę (100 000 mas Słońca), naukowcy sugerują, że obiekt ten jest również supermasywną czarną dziurą.

Jądro naszej galaktyki, czarna dziura Drogi Mlecznej (Sagittarius A *, Sgr A * lub Sagittarius A *) jest supermasywne i ma masę 4,31 106 mas Słońca oraz promień 0,00071 lat świetlnych (6,25 lat świetlnych). lub 6,75 mld km). Temperatura Strzelca A * wraz z gromadą wokół niego wynosi około 1 · 10 7 K.

Największa czarna dziura

Największa czarna dziura we Wszechświecie, którą odkryli naukowcy, to supermasywna czarna dziura, FSRQ blazar, w centrum galaktyki S5 0014 + 81, w odległości 1,2 10 10 lat świetlnych od Ziemi. Za pomocą wstępne rezultaty obserwacje z wykorzystaniem obserwatorium kosmicznego Swift, masa BH wynosiła 40 miliardów (40 · 10 9) mas Słońca, a promień Schwarzschilda takiej dziury wynosił 118,35 miliarda kilometrów (0,013 lat świetlnych). Ponadto szacuje się, że powstało 12,1 miliarda lat temu (1,6 miliarda lat po Wielkim Wybuchu). Jeśli ta gigantyczna czarna dziura nie wchłonie otaczającej materii, to dotrwa do ery czarnych dziur - jednej z epok rozwoju Wszechświata, podczas której czarne dziury będą w niej dominować. Jeśli jądro galaktyki S5 0014 + 81 będzie nadal rosło, stanie się jedną z ostatnich czarnych dziur, jakie będą istniały we Wszechświecie.

Pozostałe dwie znane czarne dziury, choć nie mają własnych nazw, mają największe znaczenie dla badań czarnych dziur, ponieważ potwierdziły ich istnienie eksperymentalnie, a także dały ważne wyniki dla badań grawitacji. Mówimy o zdarzeniu GW150914, które nazywamy zderzeniem dwóch czarnych dziur w jedną. To wydarzenie umożliwiło rejestrację.

Wykrywanie czarnych dziur

Przed rozważeniem metod wykrywania BH należy odpowiedzieć na pytanie – dlaczego czarna dziura jest czarna? - odpowiedź na nią nie wymaga głębokiej wiedzy z astrofizyki i kosmologii. Faktem jest, że czarna dziura pochłania całe padające na nią promieniowanie i wcale nie emituje, jeśli nie weźmiesz pod uwagę hipotetycznego. Jeśli przyjrzymy się temu zjawisku bardziej szczegółowo, można założyć, że wewnątrz czarnych dziur nie zachodzą procesy prowadzące do uwolnienia energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Wtedy, jeśli BH rzeczywiście promieniuje, to znajduje się w widmie Hawkinga (które pokrywa się z widmem rozgrzanego, absolutnie czarnego ciała). Jednak, jak wspomniano wcześniej, promieniowanie to nie zostało wykryte, co sugeruje zupełnie niską temperaturę czarnych dziur.

Inną ogólnie akceptowaną teorią jest to, że promieniowanie elektromagnetyczne i wcale nie jest w stanie opuścić horyzontu zdarzeń. Najprawdopodobniej fotony (cząstki lekkie) nie są przyciągane przez masywne obiekty, ponieważ zgodnie z teorią same nie mają masy. Jednak czarna dziura nadal „przyciąga” fotony światła poprzez zniekształcanie czasoprzestrzeni. Jeśli wyobrazimy sobie BH w przestrzeni jako rodzaj zagłębienia na gładkiej powierzchni czasoprzestrzeni, to istnieje pewna odległość od środka czarnej dziury, zbliżając się do której światło nie będzie już mogło się oddalić. To znaczy, z grubsza mówiąc, światło zaczyna „wpadać” do „dołu”, który nie ma nawet „dna”.

Poza tym, jeśli weźmiemy pod uwagę efekt grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni, to być może w czarnej dziurze światło traci swoją częstotliwość, przesuwając się wzdłuż widma w obszar promieniowania o niskiej częstotliwości o długich falach, aż w ogóle traci energię.

Tak więc czarna dziura jest czarna i dlatego trudna do wykrycia w kosmosie.

Metody wykrywania

Rozważ metody stosowane przez astronomów do wykrywania czarnej dziury:

Oprócz wyżej wymienionych metod naukowcy często kojarzą obiekty takie jak czarne dziury i. Kwazary to swego rodzaju skupiska ciał kosmicznych i gazu, które są jednymi z najjaśniejszych obiektów astronomicznych we Wszechświecie. Ponieważ mają one wysoką intensywność luminescencji przy stosunkowo niewielkich rozmiarach, istnieje powód, aby zakładać, że centrum tych obiektów stanowi supermasywna czarna dziura, która przyciąga otaczającą materię. Dzięki tak silnemu przyciąganiu grawitacyjnemu przyciągana materia jest tak gorąca, że intensywnie promieniuje. Wykrywanie takich obiektów jest zwykle porównywane do wykrywania czarnej dziury. Czasami kwazary mogą promieniować w dwóch kierunkach dżetami rozgrzanej plazmy - dżety relatywistyczne. Przyczyny pojawienia się takich dżetów (dżetów) nie są do końca jasne, jednak są one prawdopodobnie spowodowane oddziaływaniem pól magnetycznych BH i dysku akrecyjnego i nie są emitowane przez bezpośrednią czarną dziurę.

Odrzutowiec w galaktyce M87 uderzający ze środka BH

Podsumowując powyższe, można sobie wyobrazić z bliska: jest to kulisty czarny obiekt, wokół którego krąży silnie rozgrzana materia, tworząc świetlisty dysk akrecyjny.

Scalanie i kolidowanie czarnych dziur

Jednym z najciekawszych zjawisk w astrofizyce jest zderzenie czarnych dziur, które pozwala również na detekcję tak masywnych ciał astronomicznych. Procesy takie interesują nie tylko astrofizyków, gdyż prowadzą do zjawisk słabo zbadanych przez fizyków. Najbardziej uderzającym przykładem jest wspomniane wcześniej zdarzenie o nazwie GW150914, kiedy dwie czarne dziury zbliżyły się tak bardzo, że połączyły się w jedno w wyniku wzajemnego przyciągania grawitacyjnego. Ważną konsekwencją tego zderzenia było pojawienie się fal grawitacyjnych.

Zgodnie z definicją fal grawitacyjnych są to zmiany w polu grawitacyjnym, które rozchodzą się w sposób falowy od masywnych poruszających się obiektów. Kiedy dwa takie obiekty zbliżają się do siebie, zaczynają krążyć wokół wspólnego środka ciężkości. Gdy zbliżają się do siebie, zwiększa się ich rotacja wokół własnej osi. Takie zmienne fluktuacje pola grawitacyjnego w pewnym momencie mogą stworzyć jedną potężną falę grawitacyjną, która może rozchodzić się w przestrzeni przez miliony lat świetlnych. Tak więc w odległości 1,3 miliarda lat świetlnych zderzyły się dwie czarne dziury, tworząc potężną falę grawitacyjną, która dotarła do Ziemi 14 września 2015 roku i została zarejestrowana przez detektory LIGO i VIRGO.

Jak umierają czarne dziury?

Oczywiście, aby czarna dziura przestała istnieć, będzie musiała stracić całą swoją masę. Jednak zgodnie z jej definicją nic nie może opuścić granic czarnej dziury, jeśli przekroczyła ona swój horyzont zdarzeń. Wiadomo, że radziecki fizyk teoretyczny Władimir Gribov jako pierwszy wspomniał o możliwości emisji cząstek przez czarną dziurę w rozmowie z innym sowieckim naukowcem Jakowem Zeldowiczem. Twierdził, że z punktu widzenia mechaniki kwantowej czarna dziura może emitować cząstki poprzez efekt tunelowania. Później, z pomocą mechaniki kwantowej, angielski fizyk teoretyczny Stephen Hawking zbudował własną, nieco inną teorię. Więcej o ten fenomen Możesz to przeczytać. Krótko mówiąc, w próżni znajdują się tak zwane wirtualne cząstki, które nieustannie rodzą się w parach i anihilują ze sobą, nie oddziałując jednocześnie z otaczającym światem. Ale jeśli takie pary pojawią się na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury, wówczas silna grawitacja jest hipotetycznie zdolna do ich rozdzielenia, przy czym jedna cząstka wpada do BH, a druga oddala się od czarnej dziury. A ponieważ można zaobserwować cząstkę, która uciekła z dziury, a zatem ma ona energię dodatnią, cząstka, która wpadła do dziury, musi mieć energię ujemną. W ten sposób czarna dziura straci swoją energię i nastąpi efekt zwany parowaniem czarnej dziury.

Zgodnie z dostępnymi modelami czarnej dziury, jak wspomniano wcześniej, wraz ze spadkiem jej masy, jej promieniowanie staje się coraz bardziej intensywne. Następnie, w końcowej fazie istnienia BH, kiedy może zmniejszyć się do rozmiarów kwantowej czarnej dziury, wyzwoli ogromną ilość energii w postaci promieniowania, która może być równoważna tysiącom, a nawet milionom bomby atomowe. To wydarzenie przypomina nieco eksplozję czarnej dziury, jak ta sama bomba. Według obliczeń, w wyniku Wielkiego Wybuchu mogły powstać pierwotne czarne dziury, a te z nich, których masa wynosi około 10 12 kg, powinny wyparować i eksplodować mniej więcej w naszych czasach. Tak czy inaczej, takie eksplozje nigdy nie zostały zauważone przez astronomów.

Pomimo zaproponowanego przez Hawkinga mechanizmu niszczenia czarnych dziur, właściwości promieniowania Hawkinga wywołują paradoks w ramach mechaniki kwantowej. Jeśli czarna dziura wchłonie ciało, a następnie straci masę wynikającą z wchłonięcia tego ciała, to niezależnie od charakteru ciała, czarna dziura nie będzie się różnić od tego, czym była przed wchłonięciem tego ciała. W takim przypadku informacje o ciele zostają na zawsze utracone. Z punktu widzenia obliczeń teoretycznych przekształcenie początkowego stanu czystego w uzyskany stan mieszany („termiczny”) nie odpowiada obecnej teorii mechaniki kwantowej. Ten paradoks jest czasami nazywany znikaniem informacji w czarnej dziurze. Nigdy nie znaleziono ostatecznego rozwiązania tego paradoksu. Znane opcje rozwiązania paradoksu:

Niespójność teorii Hawkinga. Pociąga to za sobą niemożność zniszczenia czarnej dziury i jej ciągłego wzrostu.
Obecność białych dziur. W tym przypadku pochłonięta informacja nie znika, ale jest po prostu wyrzucana do innego Wszechświata.
Niespójność ogólnie przyjętej teorii mechaniki kwantowej.

Nierozwiązane problemy fizyki czarnej dziury

Najwyraźniej, co zostało opisane wcześniej, chociaż czarne dziury są badane stosunkowo długo, nadal mają wiele cech, których mechanizmy są wciąż nieznane naukowcom.

W 1970 roku angielski naukowiec sformułował tzw. „Zasada kosmicznej cenzury” – „Natura brzydzi się nagą osobliwością”. Oznacza to, że osobliwość powstaje tylko w miejscach niewidocznych, takich jak środek czarnej dziury. Jednak ta zasada nie została jeszcze udowodniona. Istnieją również obliczenia teoretyczne, według których może wystąpić „naga” osobliwość.
Nie udowodniono również „twierdzenia braku włosów”, zgodnie z którym czarne dziury mają tylko trzy parametry.
Nie opracowano pełnej teorii magnetosfery czarnej dziury.
Nie badano natury i fizyki osobliwości grawitacyjnej.
Nie wiadomo na pewno, co dzieje się w końcowej fazie istnienia czarnej dziury, a co pozostaje po jej kwantowym rozpadzie.

Interesujące fakty na temat czarnych dziur

Podsumowując powyższe, istnieje kilka interesujących i niezwykłych cech natury czarnych dziur:

BH mają tylko trzy parametry: masę, ładunek elektryczny i moment pędu. W wyniku tak małej liczby cech tego ciała, twierdzenie, które to potwierdza, nazywa się "twierdzeniem braku włosów". Dało to również początek sformułowaniu „czarna dziura nie ma włosów”, co oznacza, że dwie czarne dziury są absolutnie identyczne, a ich trzy wymienione parametry są takie same.
Gęstość BH może być mniejsza niż gęstość powietrza, a temperatura jest zbliżona do zero absolutne... Na tej podstawie można założyć, że powstanie czarnej dziury następuje nie w wyniku kompresji materii, ale w wyniku nagromadzenia dużej ilości materii w określonej objętości.
Czas dla ciał wchłoniętych przez BH biegnie znacznie wolniej niż dla obserwatora zewnętrznego. Ponadto wchłonięte ciała są znacznie rozciągnięte wewnątrz czarnej dziury, którą naukowcy nazwali spaghetyfikacja.
W naszej galaktyce może być około miliona czarnych dziur.
W centrum każdej galaktyki prawdopodobnie znajduje się supermasywna czarna dziura.
W przyszłości, zgodnie z modelem teoretycznym, wszechświat osiągnie tzw. erę czarnych dziur, kiedy to czarne dziury staną się dominującymi ciałami we wszechświecie.