Astronom descoperitor găuri negre 6 litere cuvinte încrucișate Istoria găurilor negre. Entropie foarte superficială

Găurile negre, materia întunecată, materia întunecată... Acestea sunt, fără îndoială, cele mai ciudate și mai misterioase obiecte din spațiu. Proprietățile lor bizare pot contesta legile fizicii Universului și chiar natura realității existente. Pentru a înțelege ce sunt găurile negre, oamenii de știință propun să „schimba reperele”, să învețe să gândească în afara cutiei și să aplice puțină imaginație. Găurile negre se formează din nucleele stelelor super-masive, care pot fi caracterizate ca o regiune a spațiului în care o masă uriașă este concentrată în gol, și nimic, nici măcar lumina, nu poate scăpa de atracția gravitațională acolo. Aceasta este zona în care a doua viteză cosmică depășește viteza luminii: și cu cât obiectul în mișcare este mai masiv, cu atât trebuie să se miște mai repede pentru a scăpa de gravitația sa. Aceasta este cunoscută ca a doua viteză spațială.

Enciclopedia lui Collier numește găurile negre o regiune din spațiu care a apărut ca urmare a prăbușirii gravitaționale complete a materiei, în care atracția gravitațională este atât de mare încât nici materia, nici lumina, nici alți purtători de informații nu o pot părăsi. Prin urmare, interiorul găurii negre nu este legat cauzal de restul universului; procesele fizice care au loc în interiorul găurii negre nu pot influența procesele din afara acesteia. Gaura neagră este înconjurată de o suprafață cu proprietatea unei membrane unidirecționale: materia și radiația cad liber prin ea în gaura neagră, dar nimic nu poate scăpa de acolo. Această suprafață este numită „orizontul evenimentelor”.

Istoria descoperirilor

Găurile negre prezise de relativitatea generală (teoria gravitației propusă de Einstein în 1915) și alte teorii mai moderne ale gravitației au fost fundamentate matematic de R. Oppenheimer și H. Snyder în 1939. Dar proprietățile spațiului și timpului în vecinătatea acestor obiectele s-au dovedit a fi atât de neobișnuite, încât astronomii și fizicienii nu le-au luat în serios timp de 25 de ani. Cu toate acestea, descoperirile astronomice de la mijlocul anilor 1960 au făcut ca găurile negre să arate ca o posibilă realitate fizică. Noile descoperiri și explorări pot schimba fundamental înțelegerea noastră despre spațiu și timp, aruncând lumină asupra miliardelor de secrete cosmice.

Formarea găurilor negre

În timp ce reacțiile termonucleare au loc în interiorul stelei, ele mențin temperatura și presiunea ridicate, împiedicând steaua să se contracte sub influența propriei gravitații. Cu timpul, însă, combustibilul nuclear se epuizează și steaua începe să se micșoreze. Calculele arată că dacă masa unei stele nu depășește trei mase solare, atunci aceasta va câștiga „bătălia cu gravitația”: colapsul gravitațional va fi oprit de presiunea materiei „degenerate”, iar steaua se va transforma pentru totdeauna într-un pitică albă sau stea neutronică. Dar dacă masa unei stele este mai mare de trei mase solare, atunci nimic nu poate opri prăbușirea sa catastrofală și va trece rapid sub orizontul evenimentelor, devenind o gaură neagră.

Este gaura neagră o gaură pentru gogoși?

Nu este ușor să observi ceea ce nu emite lumină. O modalitate de a găsi o gaură neagră este să cauți zone din spațiul cosmic care sunt masive și în spațiu întunecat. În timp ce căutau aceste tipuri de obiecte, astronomii le-au găsit în două regiuni principale: în centrele galaxiilor și în sistemele stelare binare din galaxia noastră. În total, după cum sugerează oamenii de știință, există zeci de milioane de astfel de obiecte.

Istoria găurilor negre

Alexey Levin

Gândirea științifică construiește uneori obiecte cu proprietăți atât de paradoxale încât chiar și cei mai pricepuți oameni de știință refuză la început să le recunoască. Cel mai grafic exemplu din istoria fizicii moderne este lipsa de interes pe termen lung pentru găurile negre, stări extreme ale câmpului gravitațional, prezis acum aproape 90 de ani. Multă vreme au fost considerate o abstractizare pur teoretică și abia în anii 1960 și 70 au crezut în realitatea lor. Cu toate acestea, ecuația de bază a teoriei găurilor negre a fost derivată acum peste două sute de ani.

Inspirația lui John Michell

Numele lui John Michell, fizician, astronom și geolog, profesor Universitatea Cambridgeși pastorul Bisericii Angliei, pierdut complet nemeritat printre vedetele științei engleze în secolul al XVIII-lea. Michell a pus bazele seismologiei, știința cutremurelor, a efectuat un studiu excelent al magnetismului și cu mult înainte ca Coulomb să inventeze balanța de torsiune, pe care a folosit-o pentru măsurători gravimetrice. În 1783 a încercat să combine două dintre marile creații ale lui Newton - mecanica și optica. Newton a considerat lumina ca fiind un flux de particule minuscule. Michell a sugerat că corpusculii de lumină, ca și materia obișnuită, respectă legile mecanicii. Consecința acestei ipoteze s-a dovedit a fi foarte netrivială - corpurile cerești se pot transforma în capcane pentru lumină.

Cum a raționat Michell? O ghiulea trasa de pe suprafata planetei isi va depasi complet atractia doar daca viteza sa initiala depaseste valoarea numita acum a doua viteza cosmica si viteza de evacuare. Dacă gravitația planetei este atât de puternică încât viteza de evacuare depășește viteza luminii, corpusculii de lumină eliberați în zenit nu pot merge la infinit. Același lucru se va întâmpla cu lumina reflectată. În consecință, pentru un observator foarte îndepărtat, planeta va fi invizibilă. Michell a calculat valoarea critică a razei unei astfel de planete R cr în funcție de masa sa M, redusă la masa Soarelui nostru M s: R cr = 3 km x M / M s.

John Michell a crezut formulele sale și a presupus că adâncurile spațiului ascund multe stele care nu pot fi văzute de pe Pământ cu niciun telescop. Mai târziu, marele matematician, astronom și fizician francez Pierre Simon Laplace a ajuns la aceeași concluzie, incluzând-o atât în ​​prima (1796) cât și în cea de-a doua (1799) ediție a sa Exposition of the System of the World. Dar a treia ediție a fost publicată în 1808, când majoritatea fizicienilor considerau deja lumina ca fiind oscilații ale eterului. Existența stelelor „invizibile” a contrazis teoria ondulatorie a luminii, iar Laplace a considerat că este mai bine să nu le menționeze. În vremurile ulterioare, această idee a fost considerată o curiozitate, demnă de prezentare doar în lucrări de istoria fizicii.

Modelul Schwarzschild

În noiembrie 1915, Albert Einstein a publicat o teorie a gravitației, pe care a numit-o teoria generală a relativității (GTR). Această lucrare a găsit imediat un cititor recunoscător în persoana colegului său de la Academia de Științe din Berlin, Karl Schwarzschild. Schwarzschild a fost primul din lume care a folosit relativitatea generală pentru a rezolva o anumită problemă astrofizică, calculând metrica spațiu-timp în exteriorul și în interiorul unui corp sferic nerotitor (de dragul concretității, îl vom numi o stea) .

Din calculele lui Schwarzschild rezultă că gravitația unei stele nu distorsionează excesiv structura newtoniană a spațiului și timpului doar dacă raza ei este mult mai mare decât aceeași valoare pe care a calculat-o John Michell! Acest parametru a fost numit mai întâi raza Schwarzschild, iar acum se numește raza gravitațională. Conform relativității generale, gravitația nu afectează viteza luminii, ci scade frecvența vibrațiilor luminii în aceeași proporție cu care încetinește timpul. Dacă raza unei stele este de 4 ori mai mare decât raza gravitațională, atunci curgerea timpului pe suprafața ei încetinește cu 15%, iar spațiul capătă o curbură tangibilă. Cu un exces de două ori, se îndoaie mai mult, iar timpul își încetinește alergarea cu 41%. Când se atinge raza gravitațională, timpul de pe suprafața stelei se oprește complet (toate frecvențele sunt zero, radiația este înghețată și steaua se stinge), dar curbura spațiului acolo este încă finită. Departe de stea, geometria rămâne încă euclidiană, iar timpul nu își schimbă viteza.

În ciuda faptului că valorile razei gravitaționale pentru Michell și Schwarzschild sunt aceleași, modelele în sine nu au nimic în comun. La Michell, spațiul și timpul nu se schimbă, dar lumina încetinește. Steaua, a cărei dimensiune este mai mică decât raza gravitațională, continuă să strălucească, dar este vizibilă doar pentru un observator nu prea îndepărtat. Pentru Schwarzschild, viteza luminii este absolută, dar structura spațiului și timpului depinde de gravitație. O stea care se încadrează sub raza gravitațională dispare pentru orice observator, oriunde s-ar afla (mai precis, poate fi detectată prin efecte gravitaționale, dar în niciun caz prin radiație).

De la neîncredere la afirmare

Schwarzschild și contemporanii săi credeau că astfel de obiecte spațiale ciudate nu există în natură. Einstein însuși nu numai că a susținut acest punct de vedere, dar a crezut și în mod eronat că a reușit să-și fundamenteze opinia matematic.

În anii 1930, tânărul astrofizician indian Chandrasekhar a demonstrat că o stea care a consumat combustibil nuclear își pierde coaja și se transformă într-o pitică albă care se răcește lent numai dacă masa sa este mai mică de 1,4 ori masa Soarelui. Curând, americanul Fritz Zwicky și-a dat seama că exploziile de supernove produc corpuri extrem de dense de materie neutronică; mai târziu Lev Landau a ajuns la aceeaşi concluzie. După lucrările lui Chandrasekhar, a fost evident că numai stelele cu o masă mai mare de 1,4 mase solare pot suferi o astfel de evoluție. Prin urmare, a apărut o întrebare firească - există o limită superioară de masă pentru supernove care lasă în urmă stele neutronice?

La sfârșitul anilor 1930, viitorul părinte al bombei atomice americane, Robert Oppenheimer, a stabilit că o astfel de limită există și nu depășește câteva mase solare. La acel moment nu era posibil să se ofere o evaluare mai exactă; acum se știe că masele stelelor neutronice trebuie să fie în intervalul 1,5–3 M s. Dar chiar și din calculele aproximative ale lui Oppenheimer și ale studentului său absolvent George Volkov, a rezultat că cei mai masivi descendenți ai supernovelor nu devin stele neutronice, ci intră într-o altă stare. În 1939, Oppenheimer și Hartland Snyder, folosind un model idealizat, au demonstrat că o stea masivă care se prăbușește se contractă la raza sa gravitațională. Din formulele lor, rezultă de fapt că vedeta nu se oprește aici, dar coautorii s-au abținut de la o concluzie atât de radicală.

Răspunsul final a fost găsit în a doua jumătate a secolului al XX-lea prin eforturile unei întregi galaxii de fizicieni teoreticieni străluciți, inclusiv sovietici. S-a dovedit că un colaps similar mereu comprimă steaua „tot drumul”, distrugându-i complet substanța. Ca urmare, apare o singularitate, un „superconcentrat” al câmpului gravitațional, închis într-un volum infinit de mic. Pentru o gaură staționară, acesta este un punct, pentru o gaură rotativă, un inel. Curbura spațiu-timpului și, în consecință, forța gravitațională din apropierea singularității tinde spre infinit. La sfârșitul anului 1967, fizicianul american John Archibald Wheeler a fost primul care a numit un astfel de sfârșit al colapsului stelar o gaură neagră. Noul termen s-a îndrăgostit de fizicieni și a încântat jurnaliștii care l-au răspândit în lume (deși francezilor nu le-a plăcut la început, întrucât expresia trou noir sugera asocieri dubioase).

Acolo, dincolo de orizont

O gaură neagră nu este materie sau radiație. Cu un anumit grad de figurativitate, putem spune că acesta este un câmp gravitațional auto-susținut, concentrat într-o regiune puternic curbată a spațiu-timpului. Limita sa exterioară este definită de o suprafață închisă, un orizont de evenimente. Dacă steaua nu s-a rotit înainte de prăbușire, această suprafață se dovedește a fi o sferă regulată, a cărei rază coincide cu raza Schwarzschild.

Sensul fizic al orizontului este foarte clar. Un semnal luminos trimis din împrejurimile sale exterioare poate parcurge o distanță infinită. Dar semnalele trimise din regiunea interioară, nu numai că nu vor traversa orizontul, dar vor „cădea” inevitabil în singularitate. Orizontul este granița spațială dintre evenimentele care pot deveni cunoscute de astronomii pământeni (și de orice alții) și evenimente despre care informații nu vor apărea sub nicio formă.

Așa cum ar trebui să fie „după Schwarzschild”, departe de orizont, atracția unei găuri este invers proporțională cu pătratul distanței, așa că pentru un observator îndepărtat se manifestă ca un corp obișnuit greu. Pe lângă masă, gaura moștenește momentul de inerție al stelei prăbușite și sarcina sa electrică. Și toate celelalte caracteristici ale stelei predecesoare (structură, compoziție, tip spectral etc.) trec în uitare.

Să trimitem o sondă în gaură cu un post de radio, care trimite un semnal o dată pe secundă la bord. Pentru un observator îndepărtat, pe măsură ce sonda se apropie de orizont, intervalele de timp dintre semnale vor crește - în principiu, la infinit. De îndată ce nava traversează orizontul invizibil, se va închide complet pentru lumea „supra-gaurii”. Cu toate acestea, această dispariție nu va rămâne fără urmă, deoarece sonda își va da masa, sarcina și cuplul găurii.

Radiația găurii negre

Toate modelele anterioare au fost construite exclusiv pe baza relativității generale. Cu toate acestea, lumea noastră este guvernată de legile mecanicii cuantice, care, de asemenea, nu ignoră găurile negre. Aceste legi împiedică singularitatea centrală să fie considerată un punct matematic. În context cuantic, diametrul său este dat de lungimea Planck-Wheeler, aproximativ egală cu 10 -33 de centimetri. În această zonă, spațiul obișnuit încetează să mai existe. Este în general acceptat că centrul găurii este umplut cu o varietate de structuri topologice care apar și mor în conformitate cu legile probabilistice cuantice. Proprietățile unui astfel de cvasispațiu, pe care Wheeler l-a numit spumă cuantică, sunt încă puțin înțelese.

Prezența unei singularități cuantice este direct legată de soarta corpurilor materiale care cad adânc în gaura neagră. Când se apropie de centrul găurii, orice obiect realizat din materiale cunoscute în prezent va fi zdrobit și sfâșiat de forțele mareelor. Cu toate acestea, chiar dacă viitorii ingineri și tehnologi creează un fel de aliaje ultra-rezistente și compozite cu proprietăți fără precedent, toate sunt la fel sortite să dispară: la urma urmei, în zona de singularitate nu există nici timpul obișnuit, nici spațiul obișnuit.

Acum luați în considerare orizontul găurii într-o lupă mecanică cuantică. Spațiul gol - vidul fizic - nu este de fapt deloc gol. Datorită fluctuațiilor cuantice ale diferitelor câmpuri în vid, multe particule virtuale se nasc și sunt distruse continuu. Deoarece gravitația este foarte puternică în apropierea orizontului, fluctuațiile sale creează explozii gravitaționale extrem de puternice. Atunci când sunt accelerate în astfel de câmpuri, „virtualele” nou-născuților dobândesc energie suplimentară și uneori devin particule normale cu viață lungă.

Particulele virtuale se nasc întotdeauna în perechi care se mișcă în direcții opuse (acest lucru este cerut de legea conservării impulsului). Dacă fluctuația gravitațională extrage o pereche de particule din vid, se poate întâmpla ca una dintre ele să se materializeze în afara orizontului, iar a doua (antiparticula primei) - în interior. Particula „internă” va cădea în gaură, dar particula „externă” poate scăpa în condiții favorabile. Ca urmare, gaura se transformă într-o sursă de radiație și, prin urmare, pierde energie și, în consecință, masă. Prin urmare, găurile negre sunt, în principiu, instabile.

Acest fenomen se numește efectul Hawking, după remarcabilul fizician teoretician englez care l-a descoperit la mijlocul anilor 1970. Stephen Hawking, în special, a demonstrat că orizontul unei găuri negre emite fotoni în același mod ca un corp absolut negru încălzit la o temperatură de T = 0,5 x 10 –7 x M s / M. De aici rezultă că, pe măsură ce gaura devine mai subțire, temperatura ei crește, iar „evaporarea” crește în mod natural. Acest proces este extrem de lent, iar durata de viață a unei găuri de masă M este de aproximativ 10 65 x (M / M s) 3 ani. Când dimensiunea sa devine egală cu lungimea Planck-Wheeler, gaura devine instabilă și explodează, eliberând aceeași energie ca și explozia simultană a unui milion de bombe cu hidrogen de zece megatone. În mod curios, masa găurii în momentul dispariției este încă destul de mare, 22 de micrograme. Potrivit unor modele, gaura nu dispare fără urmă, ci lasă în urmă o relicvă stabilă de aceeași masă, așa-numitul maximon.

Maximon s-a născut acum 40 de ani – ca termen și ca idee fizică. În 1965, academicianul M.A. Markov a sugerat că există o limită superioară a masei particulelor elementare. El a propus să ia în considerare această valoare limită dimensionalitatea masei, care poate fi combinată din trei constante fizice fundamentale - constanta lui Planck h, viteza luminii C și constanta gravitațională G (pentru cei cărora le plac detaliile: pentru a face acest lucru, trebuie să înmulțiți h și C, împărțiți rezultatul la G și extrageți Rădăcină pătrată). Acestea sunt aceleași 22 de micrograme menționate în articol, această valoare se numește masa Planck. Aceleași constante pot fi folosite pentru a construi o mărime cu dimensiunea lungimii (va ieși lungimea Planck-Wheeler, 10 -33 cm) și cu dimensiunea timpului (10 -43 sec).
Markov a mers mai departe în raționamentul său. Conform ipotezelor sale e, evaporarea unei găuri negre duce la formarea unui „reziduu uscat” - un maximon. Markov a numit astfel de structuri găuri negre elementare. În ce măsură această teorie corespunde realității este încă o întrebare deschisă. În orice caz, analogii maximonilor Markov au fost reînviați în unele modele de găuri negre bazate pe teoria superstringurilor.

Adâncimile spațiului

Găurile negre nu sunt interzise de legile fizicii, dar există ele în natură? Dovezi absolut riguroase ale prezenței a cel puțin unui astfel de obiect în spațiu nu au fost încă găsite. Cu toate acestea, este foarte probabil ca găurile negre stelare să fie surse de raze X în unele binare. Această radiație ar trebui să apară din cauza aspirației atmosferei unei stele obișnuite de către câmpul gravitațional al găurii învecinate. Pe măsură ce gazul se deplasează către orizontul evenimentelor, se încălzește puternic și emite cuante de raze X. Nu mai puțin de două duzini de surse de raze X sunt acum considerate candidați potriviți pentru rolul găurilor negre. Mai mult, datele statisticilor stelare sugerează că există aproximativ zece milioane de găuri de origine stelară numai în Galaxia noastră.

Găurile negre se pot forma și în procesul de îngroșare gravitațională a materiei din nucleele galactice. Așa apar găuri gigantice cu o masă de milioane și miliarde de mase solare, care, după toate probabilitățile, există în multe galaxii. Se pare că în centrul Căii Lactee, acoperit de nori de praf, se află o gaură cu o masă de 3-4 milioane de mase solare.

Stephen Hawking a ajuns la concluzia că găurile negre de masă arbitrară s-ar putea naște imediat după Big Bang, care a dat naștere Universului nostru. Găurile primare care cântăresc până la un miliard de tone s-au evaporat deja, dar cele mai grele se pot ascunde acum în adâncurile spațiului și, în timp util, pot aranja artificii cosmice sub forma unor explozii puternice de radiații gamma. Cu toate acestea, astfel de explozii nu au fost observate până acum.

Fabrica de gauri negre

Este posibil să se accelereze particulele din accelerator la o energie atât de mare și ca ciocnirea lor să dea naștere unei găuri negre? La prima vedere, această idee este pur și simplu nebună - explozia găurii va distruge toată viața de pe Pământ. În plus, nu este fezabil din punct de vedere tehnic. Dacă masa minimă a unei găuri este într-adevăr egală cu 22 de micrograme, atunci în unități de energie este de 10 28 electron-volți. Acest prag este cu 15 ordine de mărime mai mare decât capacitățile celui mai puternic accelerator din lume, Large Hadron Collider (LHC), care va fi lansat la CERN în 2007.

src = "găuri_negre1 / aerial-view-lhc.jpg" lățime = "275" chenar = "0">

Cu toate acestea, este posibil ca estimarea standard a masei minime a găurii să fie semnificativ supraestimată. În orice caz, asta spun fizicienii, dezvoltând teoria superstringurilor, care include teoria cuantică a gravitației (deși departe de a fi completă). Conform acestei teorii, spațiul nu are trei dimensiuni, ci cel puțin nouă. Nu observăm dimensiuni suplimentare, deoarece sunt bucle la o scară atât de mică încât instrumentele noastre nu le pot percepe. Cu toate acestea, gravitația este omniprezentă și pătrunde în dimensiunile ascunse. În spațiul tridimensional, forța gravitației este invers proporțională cu pătratul distanței, iar în spațiul cu nouă dimensiuni - la gradul opt. Prin urmare, într-o lume multidimensională, puterea câmpului gravitațional cu distanța în scădere crește mult mai repede decât într-una tridimensională. În acest caz, lungimea Planck crește de multe ori, iar masa minimă a găurii scade brusc.

Teoria corzilor prezice că o gaură neagră cu o masă de numai 10–20 g poate fi născută în spațiul nouă dimensional.Masa relativistă calculată a protonilor accelerați în super-acceleratorul CERN este aproximativ aceeași. Conform celui mai optimist scenariu, va putea produce o gaură în fiecare secundă, care va trăi aproximativ 10-26 de secunde. În procesul de evaporare a acestuia se vor naște tot felul de particule elementare, care vor fi ușor de înregistrat. Dispariția găurii va duce la eliberarea de energie și, care nu este suficientă nici măcar pentru a încălzi un microgram de apă pe miime de grad. Prin urmare, există speranța că LHC se va transforma într-o fabrică de găuri negre inofensive. Dacă aceste modele sunt corecte, atunci astfel de găuri vor putea înregistra detectoare de raze cosmice orbitale de nouă generație.

Toate cele de mai sus se aplică găurilor negre staționare. Între timp, există găuri rotative cu o grămadă de proprietăți interesante. Rezultatele analizei teoretice a radiației găurii negre au condus și la o regândire serioasă a conceptului de entropie, care merită și o discuție separată.

Super volante spațiale

Găurile negre statice neutre din punct de vedere electric, despre care am vorbit, nu sunt deloc tipice pentru lumea reală... Stelele care se prăbușesc tind să se rotească și pot fi, de asemenea, încărcate electric.

Teorema capului chel

Găurile uriașe din nucleele galactice, după toate probabilitățile, sunt formate din centrele primare de condensare gravitațională - o singură gaură „post-stelară” sau mai multe găuri care s-au fuzionat ca urmare a coliziunilor. Astfel de găuri de germeni înghit stelele din apropiere și gazul interstelar și astfel își înmulțesc masa. Materia care cade sub orizont, din nou, are atât o sarcină electrică (gazul spațial și particulele de praf sunt ușor ionizate), cât și un moment de rotație (căderea are loc cu o răsucire, în spirală). În orice proces fizic, momentul de inerție și sarcina sunt conservate și, prin urmare, este firesc să presupunem că formarea găurilor negre nu face excepție.

Dar este adevărată și o afirmație și mai puternică, un caz particular al căruia a fost formulat în prima parte a articolului (vezi A. Levin, The Amazing History of Black Holes, Popular Mechanics, No. 11, 2005). Oricare ar fi fost strămoșii găurii negre macroscopice, aceasta primește de la ei doar masă, moment de rotație și sarcină electrică. Potrivit lui John Wheeler, „o gaură neagră nu are păr”. Ar fi mai corect să spunem că de orizontul oricărei găuri nu atârnă mai mult de trei „pări”, ceea ce a fost dovedit prin eforturile combinate ale mai multor fizicieni teoreticieni în anii 1970. Adevărat, gaura trebuie să rețină și o sarcină magnetică, ai cărei purtători ipotetici, monopoluri magnetice, au fost prezise de Paul Dirac în 1931. Cu toate acestea, aceste particule nu au fost încă găsite și este prea devreme să vorbim despre al patrulea „păr”. În principiu, pot exista „pări” suplimentare asociate câmpurilor cuantice, dar într-o gaură macroscopică sunt complet invizibile.

Și totuși se învârt

Dacă o stea statică este reîncărcată, metrica spațiu-timp se va schimba, dar orizontul evenimentelor va rămâne în continuare sferic. Cu toate acestea, găurile negre stelare și galactice, din mai multe motive, nu pot transporta o sarcină mare, prin urmare, din punctul de vedere al astrofizicii, acest caz nu este foarte interesant. Dar rotirea găurii atrage după sine consecințe mai grave. În primul rând, forma orizontului se schimbă. Forțele centrifuge îl comprimă de-a lungul axei de rotație și îl întind în plan ecuatorial, astfel încât sfera se transformă în ceva asemănător unui elipsoid. În esență, același lucru se întâmplă cu orizontul ca și cu orice corp care se rotește, în special cu planeta noastră - la urma urmei, raza ecuatorială a Pământului este cu 21,5 km mai lungă decât cea polară. În al doilea rând, rotația reduce dimensiunile liniare ale orizontului. Amintiți-vă că orizontul este interfața dintre evenimente care pot trimite sau nu semnale către lumi îndepărtate. Dacă gravitația unei găuri captivează cuante luminoase, atunci forțele centrifuge, dimpotrivă, contribuie la evadarea lor în spațiul cosmic. Prin urmare, orizontul unei găuri care se rotește ar trebui să fie situat mai aproape de centrul său decât orizontul unei stele statice cu aceeași masă.

Dar asta nu este tot. Orificiul din rotația sa duce spațiul înconjurător. În imediata apropiere a găurii, antrenamentul este complet; la periferie, se slăbește treptat. Prin urmare, orizontul găurii este scufundat într-o regiune specială a spațiului - ergosfera. Limita ergosferei atinge orizontul la poli și se deplasează cel mai departe de acesta în planul ecuatorial. Pe aceasta suprafata, viteza de tragere a spatiului este egala cu viteza luminii; în interiorul ei este mai mare decât viteza luminii, iar în exterior este mai mică. Prin urmare, orice corp material, fie că este o moleculă de gaz, o particulă de praf cosmic sau o sondă de recunoaștere, atunci când intră în ergosferă, începe inevitabil să se rotească în jurul găurii și în aceeași direcție cu el însuși.

Generatoare de stele

Prezența ergosferei, în principiu, permite ca gaura să fie folosită ca sursă de energie și. Lasă un obiect să pătrundă în ergosferă și să se dezintegreze acolo în două fragmente. Se poate dovedi că unul dintre ele va cădea sub orizont, iar celălalt va părăsi ergosfera, iar energia ei cinetică voi depăși energia inițială a întregului corp! Ergosfera are, de asemenea, capacitatea de a amplifica radiația electromagnetică care cade pe ea și se împrăștie înapoi în spațiu (acest fenomen se numește superradiație).

Totuși, legea conservării energiei este, de asemenea, de neclintit - mașinile cu mișcare perpetuă nu există. Când o gaură îi alimentează cu energie de particule sau radiații, propria sa energie de rotație scade. Super-volantul spațial încetinește treptat, iar în final se poate chiar opri. Se calculează că în acest fel este posibil să se transforme în energie până la 29% din masa găurii. Doar anihilarea materiei și antimateriei este mai eficientă decât acest proces, deoarece în acest caz masa este complet transformată în radiație. Dar combustibilul termonuclear solar arde cu o eficiență mult mai scăzută - aproximativ 0,6%.

În consecință, o gaură neagră care se rotește rapid este aproape un generator ideal de energie pentru supercivilizațiile cosmice (dacă, desigur, așa există). În orice caz, natura folosește această resursă din timpuri imemoriale. Quasarurile, cele mai puternice „stații radio” spațiale (surse de unde electromagnetice), se hrănesc cu energia unor găuri gigantice rotative situate în nucleele galaxiilor. Această ipoteză a fost prezentată de Edwin Salpeter și Yakov Zeldovich încă din 1964 și de atunci a devenit general acceptată. Materialul care se apropie de gaură formează o structură asemănătoare unui inel, așa-numitul disc de acreție. Deoarece spațiul din apropierea găurii este puternic răsucit de rotația sa, zona interioară a discului este menținută în planul ecuatorial și se așează încet spre orizontul evenimentelor. Gazul din această zonă este puternic încălzit prin frecare internă și generează raze infraroșii, lumină, ultraviolete și raze X și uneori chiar cuante gamma. Quasarii emit, de asemenea, emisii radio non-termice, care se datorează în principal efectului sincrotron.

Entropie foarte superficială

Teorema găurii chelie ascunde o capcană foarte insidioasă. O stea care se prăbușește este o bucată de gaz superfierbinte comprimată de forțele gravitaționale. Cu cât densitatea și temperatura plasmei stelare sunt mai mari, cu atât mai puțină ordine și mai mult haos în ea. Gradul de haos este exprimat printr-o mărime fizică foarte specifică - entropia. În timp, entropia oricărui obiect izolat crește - aceasta este esența celei de-a doua legi a termodinamicii. Entropia stelei înainte de debutul colapsului este prohibitiv de mare, iar entropia găurii pare a fi extrem de mică, deoarece sunt necesari doar trei parametri pentru o descriere fără ambiguitate a găurii. Este a doua lege a termodinamicii încălcate în cursul colapsului gravitațional?

S-ar putea presupune că atunci când o stea se transformă într-o supernovă, entropia ei este dusă împreună cu învelișul ejectat? Din pacate, nu. În primul rând, masa învelișului nu poate fi comparată cu masa stelei, prin urmare, pierderea de entropie va fi mică. În al doilea rând, este ușor să venim cu o „infirmare” mentală și mai convingătoare a celei de-a doua legi a termodinamicii. Lăsați un corp cu temperatură diferită de zero, care posedă un fel de entropie, să cadă în zona de atracție a unei găuri gata făcute. După ce a căzut sub orizontul evenimentelor, va dispărea împreună cu rezervele sale de entropie, iar entropia găurii, cel mai probabil, nu va crește deloc. Există o tentație de a argumenta că entropia extratereștrilor nu dispare, ci este transferată în interiorul găurii, dar acesta este doar un truc verbal. Legile fizicii sunt îndeplinite într-o lume accesibilă nouă și dispozitivelor noastre, iar zona de sub orizontul evenimentelor pentru orice observator din exterior este terra incognita.

Acest paradox a fost rezolvat de studentul absolvent al lui Wheeler, Jacob Bekenstein. Termodinamica are o resursă intelectuală foarte puternică - studiul teoretic al motoarelor termice ideale. Bekenstein a venit cu un dispozitiv mental care transformă căldura în muncă utilă folosind o gaură neagră ca încălzitor. Folosind acest model, el a calculat entropia găurii negre, care s-a dovedit a fi proporțional cu aria orizontului evenimentelor... Această zonă este proporțională cu pătratul razei găurii, care, reamintim, este proporțional cu masa acesteia. Când orice obiect extern este capturat, masa găurii crește, raza se prelungește, aria orizontului crește și, în consecință, entropia crește. Calculele au arătat că entropia unei găuri care a înghițit un obiect străin depășește entropia totală a acestui obiect și a găurii înainte ca acestea să se întâlnească. În mod similar, entropia stelei care se prăbușește este cu multe ordine de mărime mai mică decât entropia găurii moștenitoare. De fapt, din raționamentul lui Bekenstein rezultă că suprafața găurii are o temperatură diferită de zero și, prin urmare, trebuie să emită pur și simplu fotoni termici (și, dacă este suficient de încălzită, și alte particule). Cu toate acestea, Bekenstein nu a îndrăznit să meargă atât de departe (acest pas a fost făcut de Stephen Hawking).

La ce am ajuns? Reflecțiile asupra găurilor negre nu numai că lasă de neclintit cea de-a doua lege a termodinamicii, dar fac și posibilă îmbogățirea conceptului de entropie. Entropia obișnuitului corpul fizic este mai mult sau mai puțin proporțională cu volumul său, iar entropia găurii este proporțională cu suprafața orizontului. Se poate dovedi riguros că este mai mare decât entropia oricărui obiect material cu aceleași dimensiuni liniare. Înseamnă că maxim entropia unei zone închise a spațiului este determinată exclusiv de aria limitei sale exterioare! După cum putem vedea, o analiză teoretică a proprietăților găurilor negre permite să tragem concluzii foarte profunde de natură fizică generală.

Privind în adâncurile universului

Cum se desfășoară căutarea găurilor negre în adâncurile spațiului? Această întrebare a fost pusă de Popular Mechanics celebrului astrofizician, profesorul de la Universitatea Harvard Ramesh Narayan.

„Descoperirea găurilor negre ar trebui considerată una dintre cele mai mari realizări ale astronomiei și astrofizicii moderne. În ultimele decenii, în spațiu au fost identificate mii de surse de raze X, fiecare constând dintr-o stea normală și un obiect foarte mic neluminos înconjurat de un disc de acreție. Corpurile întunecate, cu mase cuprinse între una și jumătate și trei mase solare, sunt cel mai probabil stele neutronice. Cu toate acestea, printre aceste obiecte invizibile există cel puțin două duzini de candidați practic sută la sută pentru rolul unei găuri negre. În plus, oamenii de știință au ajuns la un consens că există cel puțin două găuri negre uriașe care pândesc în nucleele galactice. Una dintre ele este situată în centrul Galaxiei noastre; conform publicației de anul trecut a astronomilor din Statele Unite și Germania, masa sa este de 3,7 milioane de mase solare (M s). În urmă cu câțiva ani, colegii mei de la Centrul de Astrofizică Harvard-Smithsonian James Moran și Lincoln Greenhill au contribuit major la cântărirea găurii din centrul galaxiei Seyfert NGC 4258, care a tras 35 de milioane de M s. După toate probabilitățile, nucleele multor galaxii conțin găuri cu mase de la un milion la câteva miliarde de M s.

Până acum, nu există nicio modalitate de a stabili o semnătură cu adevărat unică a unei găuri negre de pe Pământ - prezența unui orizont de evenimente. Cu toate acestea, știm deja să ne convingem de absența lui. Raza stelei neutronice este de 10 kilometri; același ordin de mărime și raza găurilor născute ca urmare a colapsului stelar. Cu toate acestea, o stea neutronică are o suprafață dură, în timp ce o gaură nu o are. Căderea materiei pe suprafața unei stele neutronice atrage după sine explozii termonucleare, care generează explozii periodice de raze X de o a doua durată. Iar atunci când gazul ajunge la orizontul găurii negre, trece sub el și nu se manifestă în nicio radiație. Prin urmare, absența erupțiilor scurte cu raze X este o confirmare puternică a naturii ca o gaură a obiectului. Toate cele două duzini de sisteme binare, care probabil conțin găuri negre, nu emit astfel de erupții.

Trebuie să admitem că acum suntem nevoiți să ne mulțumim cu dovezi negative ale existenței găurilor negre. Obiectele pe care le declarăm a fi găuri nu pot fi altceva din punctul de vedere al modelelor teoretice general acceptate. Cu alte cuvinte, le considerăm găuri doar pentru că nu le putem considera în mod rezonabil ca fiind altceva. Sperăm că următoarele generații de astronomi vor fi puțin mai norocoase.”

La cuvintele profesorului Narayan, putem adăuga că astronomii au crezut de mult în realitatea existenței găurilor negre. Din punct de vedere istoric, primul candidat de încredere pentru această poziție a fost satelitul întunecat al supergigantului albastru foarte strălucitor HDE 226868, aflat la 6500 de ani lumină distanță de noi. A fost descoperit la începutul anilor 1970 în sistemul binar de raze X Cygnus X-1. Conform ultimelor date, masa sa este de aproximativ 20 M s. Este de remarcat faptul că pe 20 septembrie a acestui an au fost publicate date care au spulberat aproape complet îndoielile cu privire la realitatea unei alte găuri la scară galactică, a cărei existență astronomii au bănuit-o pentru prima dată acum 17 ani. Este situat în centrul galaxiei M31, mai cunoscută sub numele de Nebuloasa Andromeda. Galaxy M31 este foarte vechi, de aproximativ 12 miliarde de ani. Gaura este, de asemenea, destul de mare - 140 de milioane de mase solare. Până în toamna lui 2005, astronomii și astrofizicienii s-au convins în sfârșit de existența a trei găuri negre supermasive și a încă câteva zeci dintre tovarășii lor mai modesti.

Verdictul teoreticienilor

Popular Mechanics a reușit să discute și cu doi dintre cei mai autoriți experți în teoria gravitației, care au dedicat zeci de ani de cercetare în domeniul găurilor negre. Le-am cerut să enumere cele mai importante realizări în acest domeniu. Iată ce ne-a spus Kip Thorne, profesor de fizică teoretică la Institutul de Tehnologie din California:

„Dacă vorbim despre găurile negre macroscopice, care sunt bine descrise de ecuațiile relativității generale, atunci în domeniul teoriei lor, principalele rezultate au fost obținute încă din anii 60-80 ai secolului XX. În ceea ce privește lucrările recente, cele mai interesante dintre ele au permis o mai bună înțelegere a proceselor care au loc în interiorul unei găuri negre pe măsură ce îmbătrânește. În ultimii ani, s-a acordat o atenție considerabilă modelelor de găuri negre din spații multidimensionale, care apar în mod natural în teoria corzilor. Dar aceste studii nu mai sunt legate de găuri clasice, ci de găuri cuantice care nu au fost încă descoperite. Principalul rezultat al ultimilor ani este confirmarea astrofizică foarte convingătoare a realității existenței unor găuri cu o masă de mai multe mase solare, precum și a găurilor supermasive în centrele galaxiilor. Astăzi nu mai există nicio îndoială că aceste găuri există cu adevărat și că înțelegem bine procesele formării lor.”

Valery Frolov, student al academicianului Markov, profesor la Universitatea din provincia canadiană Albert, a răspuns la aceeași întrebare:

„În primul rând, aș numi descoperirea unei găuri negre în centrul galaxiei noastre. Foarte interesante sunt și studiile teoretice ale găurilor în spații cu dimensiuni suplimentare, din care rezultă posibilitatea creării de minholes în experimente la acceleratoarele de coliziune și în procesele de interacțiune a razelor cosmice cu materia terestră. Recent, Stephen Hawking a trimis o pretipărire a lucrării, din care rezultă că radiația termică dintr-o gaură neagră revine complet lumii exterioare informații despre starea obiectelor care au căzut sub orizontul acesteia. Anterior, el credea că această informație dispare ireversibil, dar acum a ajuns la concluzia opusă. Cu toate acestea, trebuie subliniat că această problemă poate fi în cele din urmă rezolvată doar pe baza teoriei cuantice a gravitației, care nu a fost încă construită.

Lucrarea lui Hawking merită un comentariu separat. Din principiile generale ale mecanicii cuantice rezultă că nicio informație nu dispare fără urmă, ci poate trece într-o formă mai puțin „lizibilă”. Cu toate acestea, găurile negre distrug ireversibil materia și, aparent, tratează informațiile la fel de dur. În 1976, Hawking a publicat un articol în care această concluzie era susținută de un aparat matematic. Unii teoreticieni au fost de acord cu el, alții nu; în special, teoreticienii corzilor credeau că informația este indestructibilă. La o conferință de la Dublin vara trecută, Hawking a spus că informațiile sunt încă stocate și părăsesc suprafața găurii de evaporare împreună cu radiația termică. La această întâlnire, Hawking a prezentat doar o diagramă a noilor sale calcule, promițând că le va publica integral în timp. Și acum, așa cum a spus Valery Frolov, această lucrare a devenit disponibilă ca preprint.

În cele din urmă, l-am rugat pe profesorul Frolov să explice de ce consideră că găurile negre sunt una dintre cele mai fantastice invenții ale intelectului uman.

„Astronomii au descoperit de multă vreme obiecte care nu au nevoie de idei fizice substanțial noi pentru a înțelege. Acest lucru se aplică nu numai planetelor, stelelor și galaxiilor, ci și corpurilor exotice, cum ar fi piticele albe și stelele neutronice. Dar o gaură neagră este ceva complet diferit, este o descoperire în necunoscut. Cineva a spus că interiorul ei cel mai bun loc pentru a găzdui lumea interlopă. Studiul găurilor, în special al singularităților, forțează pur și simplu utilizarea unor astfel de concepte și modele non-standard, care până de curând nu erau practic discutate în fizică - de exemplu, gravitația cuantică și teoria corzilor. Aici apar o mulțime de probleme neobișnuite pentru fizică, chiar dureroase, dar, așa cum este acum clar, sunt absolut reale. Prin urmare, studiul găurilor necesită în mod constant abordări teoretice fundamental noi, inclusiv cele care sunt în pragul cunoașterii noastre despre lumea fizică.”

Între francezi și britanici, există uneori o pe jumătate de glumă și uneori o controversă serioasă: cine ar trebui considerat descoperitorul posibilității existenței stelelor invizibile - francezul P. Laplace sau englezul J. Michell? În 1973, faimoșii fizicieni teoreticieni englezi S. Hawking și G. Ellis, într-o carte dedicată problemelor matematice speciale moderne ale structurii spațiului și timpului, au citat lucrarea francezului P. Laplace cu o dovadă a posibilității existența stelelor negre; atunci opera lui J. Michell nu era încă cunoscută. În toamna anului 1984, celebrul astrofizician englez M Rice, vorbind la o conferință la Toulouse, spunea că, deși nu este foarte convenabil să vorbim pe teritoriul Franței, trebuie să sublinieze că englezul J. Michell a fost primul care a prezis stele invizibile și a arătat un instantaneu al primei pagini a lucrării sale corespunzătoare. Această remarcă istorică a fost întâmpinată cu aplauze și zâmbete din partea celor prezenți.

Cum să nu ne amintim discuțiile dintre francezi și britanici despre cine a prezis poziția planetei Neptun pe baza tulburărilor din mișcarea lui Uranus: francezul W. Le Verrier sau englezul J. Adams? După cum știți, ambii oameni de știință au indicat în mod independent corect poziția noii planete. Atunci francezul W. Le Verrier a fost mai norocos. Aceasta este soarta multor descoperiri. Adesea ele sunt făcute aproape simultan și independent de persoane diferite.De obicei, se acordă prioritate celor care au pătruns mai adânc în esența problemei, dar uneori acestea sunt doar capricii ale norocului.

Dar predicția lui P. Laplace și J. Michill nu era încă o predicție reală a unei găuri negre. De ce?

Cert este că pe vremea lui Laplace nu se știa încă că nimic nu se poate mișca mai repede decât lumina în natură. Este imposibil să depășești lumina în gol! Acest lucru a fost stabilit de A Einstein în teoria specială a relativității deja în secolul nostru. Prin urmare, pentru P. Laplace, steaua pe care o avea în vedere era doar neagră (neluminoasă), și nu putea ști că o astfel de stea își pierde capacitatea în general de a „comunica” cu lumea exterioară, de a „comunica” orice cu lumi îndepărtate despre evenimentele care au loc pe ea.... Cu alte cuvinte, nu știa încă că nu era doar un „negru”, ci și o „gaură” în care se putea cădea, dar era imposibil să ieși. Acum știm că, dacă lumina nu poate ieși dintr-o anumită zonă a spațiului, înseamnă că nimic nu poate ieși deloc și numim un astfel de obiect o gaură neagră.

Un alt motiv pentru care raționamentul lui Laplace nu poate fi considerat riguros este că el a considerat câmpurile garvitaționale de o forță enormă, în care corpurile care cad sunt accelerate la viteza luminii, iar lumina care iese în sine poate fi întârziată și, în același timp, a aplicat legea. de gravitație Newton.

A. Einstein a arătat „că pentru astfel de câmpuri teoria gravitației lui Newton este inaplicabilă și a creat o nouă teorie care este valabilă pentru superputernici, precum și pentru câmpuri în schimbare rapidă (pentru care teoria lui Newton este, de asemenea, inaplicabilă!), Și. a numit-o teoria generală a relativității. Concluziile acestei teorii trebuie folosite pentru a demonstra posibilitatea existenței găurilor negre și pentru a studia proprietățile acestora.

Relativitatea generală este o teorie uimitoare. Este atât de profund și subțire încât evocă un sentiment de plăcere estetică în toți cei care ajung să-l cunoască. Fizicienii sovietici L. Landau și E. Lifshits în manualul lor „Teoria câmpului” au numit-o „cea mai frumoasă dintre toate teoriile fizice existente”. Fizicianul german Max Born a spus despre descoperirea teoriei relativității: „Îl admir ca pe o operă de artă”. A fizician sovietic V. Ginzburg a scris că evocă „... un sentiment... asemănător cu cel experimentat atunci când privim cele mai remarcabile capodopere de pictură, sculptură sau arhitectură”.

Numeroase încercări de expunere populară a teoriei lui Einstein pot, desigur, să dea o impresie generală despre aceasta. Dar, să fiu sincer, seamănă la fel de puțin cu răpirea din cunoașterea teoriei în sine, cu cât cunoașterea reproducerii „Madonei Sixtine” diferă de experiența care apare atunci când se consideră originalul creat de geniul lui Rafael. .

Și totuși, atunci când nu există posibilitatea de a admira originalul, este posibil (și necesar!) să faceți cunoștință cu reproducerile disponibile, mai bune bune (și sunt de tot felul).

Novikov I.D.

Pe 10 aprilie, un grup de astrofizicieni de la proiectul Event Horizon Telescope a lansat primul instantaneu al unei găuri negre. Aceste obiecte spațiale gigantice, dar invizibile, sunt încă unele dintre cele mai misterioase și intrigante din Universul nostru.

Cititi mai jos

Ce este o gaură neagră?

O gaură neagră este un obiect (regiune în spațiu-timp) a cărui gravitație este atât de mare încât atrage toate obiectele cunoscute, inclusiv cele care se mișcă cu viteza luminii. De asemenea, quanta luminii în sine nu poate părăsi această regiune, astfel încât gaura neagră este invizibilă. Puteți observa doar unde electromagnetice, radiații și distorsiuni ale spațiului din jurul găurii negre. Telescopul Event Horizon Telescope, publicat, descrie orizontul evenimentelor găurii negre - marginea unei regiuni de supergravitație încadrată de un disc de acreție - materie luminoasă care este „aspirată” de gaură.

Termenul „gaură neagră” a apărut la mijlocul secolului XX, a fost introdus de fizicianul teoretician american John Archibald Wheeler. El a folosit pentru prima dată termenul la o conferință științifică în 1967.

Cu toate acestea, ipotezele despre existența unor obiecte atât de masive încât nici măcar lumina nu poate depăși forța atracției lor, au fost prezentate încă din secolul al XVIII-lea. Teoria modernă a găurilor negre a început să se formeze în cadrul relativității generale. Interesant este că Albert Einstein însuși nu credea în existența găurilor negre.

De unde provin găurile negre?

Oamenii de știință cred că găurile negre au origini diferite. Stelele masive devin o gaură neagră la sfârșitul vieții lor: de-a lungul miliardelor de ani, compoziția gazelor și temperatura se modifică în ele, ceea ce duce la un dezechilibru între gravitația stelei și presiunea gazelor fierbinți. Apoi, steaua se prăbușește: volumul ei scade, dar deoarece masa nu se schimbă, densitatea crește. O gaură neagră tipică cu masă stelară are o rază de 30 de kilometri și o densitate de peste 200 de milioane de tone pe centimetru cub. Pentru comparație: pentru ca Pământul să devină o gaură neagră, raza sa trebuie să fie de 9 milimetri.

Există un alt tip de găuri negre - găurile negre supermasive care formează nucleele majorității galaxiilor. Masa lor este de un miliard de ori mai mare decât a găurilor negre stelare. Originea găurilor negre supermasive este necunoscută, se presupune că acestea au fost cândva găuri negre de masă stelare care au crescut, devorând alte stele.

Există, de asemenea, o idee controversată a existenței găurilor negre primordiale, care ar putea apărea din comprimarea oricărei mase la începutul universului. În plus, există o presupunere că găurile negre foarte mici, cu o masă apropiată de masa particulelor elementare, se formează la Large Hadron Collider. Cu toate acestea, nu există încă o confirmare a acestei versiuni.

Va înghiți gaura neagră galaxia noastră?

În centrul galaxiei Calea Lactee există o gaură neagră - Săgetător A*. Masa sa este de patru milioane de ori mai mare decât masa Soarelui, iar dimensiunea sa - 25 de milioane de kilometri - este aproximativ egală cu diametrul a 18 sori. O astfel de scară îi face pe unii să se întrebe: nu este o gaură neagră amenințată întreaga noastră galaxie? Nu numai scriitorii de science fiction au temei pentru astfel de presupuneri: în urmă cu câțiva ani, oamenii de știință au raportat despre galaxia W2246-0526, care se află la 12,5 miliarde de ani lumină de planeta noastră. Conform descrierii astronomilor, gaura neagră supermasivă din centrul lui W2246-0526 o rupe treptat, iar radiația rezultată împrăștie nori uriași fierbinți de gaz în toate direcțiile. Sfâșiată de o gaură neagră, galaxia strălucește mai mult decât 300 de trilioane de sori.

Cu toate acestea, galaxia noastră de origine nu este amenințată (cel puțin pe termen scurt). Cele mai multe obiecte din Calea Lactee, inclusiv sistemul solar, sunt prea departe de o gaură neagră pentru a simți atracția acesteia. În plus, gaura neagră „noastre” nu aspiră tot materialul, ca un aspirator, ci acționează doar ca o ancoră gravitațională pentru un grup de stele aflate pe orbită în jurul ei - ca Soarele pentru planete.

Cu toate acestea, chiar dacă vom depăși vreodată orizontul de evenimente al unei găuri negre, atunci, cel mai probabil, nici nu vom observa acest lucru.

Ce se întâmplă dacă „cădeți” într-o gaură neagră?

Un obiect atras de o gaură neagră, cel mai probabil, nu se va putea întoarce de acolo. Pentru a depăși gravitația unei găuri negre, trebuie să dezvoltați o viteză mai mare decât viteza luminii, dar omenirea nu știe încă cum să facă acest lucru.

Câmpul gravitațional din jurul găurii negre este foarte puternic și neomogen, astfel încât toate obiectele din apropierea acesteia își schimbă forma și structura. Partea obiectului care se află mai aproape de orizontul evenimentelor este atrasă cu mai multă forță și cade cu o accelerație mai mare, astfel încât întregul obiect se întinde, devenind ca macaroanele. El a descris acest fenomen în cartea sa „ Poveste scurta timp ”celebrul fizician teoretic Stephen Hawking. Chiar înainte de Hawking, astrofizicienii au numit acest fenomen spaghetificare.

Dacă descrii spaghetificarea din punctul de vedere al unui astronaut care a zburat mai întâi la o gaură neagră cu picioarele, atunci câmpul gravitațional îi va strânge picioarele, apoi va întinde și rupe corpul, transformându-l într-un flux de particule subatomice.

Este imposibil să vezi o cădere într-o gaură neagră din exterior, deoarece absoarbe lumina. Un observator din exterior va vedea doar că un obiect care se apropie de o gaură neagră încetinește treptat și apoi se oprește cu totul. După aceea, silueta obiectului va deveni din ce în ce mai neclară, va dobândi o culoare roșie și, în cele din urmă, va dispărea pentru totdeauna.

Conform ipotezei lui Stephen Hawking, toate obiectele care sunt atrase de gaura neagră rămân în orizontul evenimentelor. Din teoria relativității, rezultă că în apropierea unei găuri negre, timpul încetinește până la oprire, așa că pentru cineva care cade, căderea în gaura neagră în sine nu poate avea loc niciodată.

Ce e inauntru?

Din motive evidente, nu există acum un răspuns de încredere la această întrebare. Cu toate acestea, oamenii de știință sunt de acord că în interiorul unei găuri negre legile fizicii cu care suntem obișnuiți să nu mai funcționeze. Conform uneia dintre cele mai incitante și exotice ipoteze, continuumul spațiu-timp din jurul găurii negre este atât de distorsionat încât se formează o gaură în realitate însăși, care ar putea fi un portal către un alt univers - sau așa-numita gaură de vierme.

Găuri negre: cele mai misterioase obiecte din univers

Datorită creșterii relativ recente a interesului pentru realizarea de filme științifice populare pe tema explorării spațiului, spectatorul modern a auzit multe despre fenomene precum singularitatea sau gaura neagră. Cu toate acestea, filmele, evident, nu dezvăluie întreaga natură a acestor fenomene și uneori chiar distorsionează teoriile științifice construite pentru o mai mare eficacitate. Din acest motiv, reprezentarea multora oameni moderni despre aceste fenomene fie complet superficial, fie complet eronate. Una dintre soluțiile problemei este acest articol, în care vom încerca să înțelegem rezultatele cercetării existente și să răspundem la întrebarea - ce este o gaură neagră?

În 1784, preotul și naturalistul englez John Michell a menționat pentru prima dată într-o scrisoare către Societatea Regală un corp masiv ipotetic care are o atracție gravitațională atât de puternică încât a doua viteză cosmică va depăși viteza luminii. A doua viteză cosmică este viteza de care va avea nevoie un obiect relativ mic pentru a depăși atracția gravitațională a unui corp ceresc și a depăși orbita închisă în jurul acestui corp. Conform calculelor sale, un corp cu densitatea Soarelui și o rază de 500 de raze solare va avea pe suprafața sa o a doua viteză cosmică egală cu viteza luminii. În acest caz, chiar și lumina nu va părăsi suprafața unui astfel de corp și, prin urmare, acest corp va absorbi doar lumina care vine și va rămâne invizibil pentru observator - un fel de pată neagră pe fundalul spațiului întunecat.

Cu toate acestea, conceptul lui Michell despre un corp supermasiv nu a atras prea mult interes, până la opera lui Einstein. Să ne amintim că acesta din urmă a definit viteza luminii ca fiind viteza limită de transmitere a informației. În plus, Einstein a extins teoria gravitației pentru viteze apropiate de viteza luminii (). Ca urmare, nu mai era relevant să se aplice teoria newtoniană la găurile negre.

ecuația lui Einstein

Ca urmare a aplicării relativității generale la găurile negre și a soluționării ecuațiilor lui Einstein, au fost identificați principalii parametri ai unei găuri negre, dintre care sunt doar trei: masa, sarcina electrică și momentul unghiular. Trebuie remarcată contribuția semnificativă a astrofizicianului indian Subramanian Chandrasekhar, care a creat monografia fundamentală: „The Mathematical Theory of Black Holes”.

Astfel, soluția ecuațiilor lui Einstein este prezentată prin patru opțiuni pentru patru tipuri posibile de găuri negre:

• BH fără rotație și fără încărcare - soluția lui Schwarzschild. Una dintre primele descrieri ale unei găuri negre (1916) folosind ecuațiile lui Einstein, dar fără a lua în considerare doi dintre cei trei parametri ai corpului. Soluția fizicianului german Karl Schwarzschild face posibilă calcularea câmpului gravitațional extern al unui corp masiv sferic. Particularitatea conceptului de BH al omului de știință german este prezența unui orizont de evenimente și a celui ascuns în spatele acestuia. De asemenea, Schwarzschild a calculat mai întâi raza gravitațională, care a primit numele său, care determină raza sferei pe care ar fi situat orizontul evenimentelor pentru un corp cu o masă dată.
• BH fără rotație cu sarcină - soluție Reisner-Nordström. O soluție propusă în 1916-1918, ținând cont de posibila sarcină electrică a găurii negre. Această sarcină nu poate fi arbitrar de mare și este limitată din cauza repulsiei electrice care rezultă. Acesta din urmă ar trebui compensat de atracția gravitațională.
• BH cu rotație și fără sarcină - soluția lui Kerr (1963). O gaură neagră Kerr rotativă diferă de una statică prin prezența așa-numitei ergosfere (citiți mai jos despre aceasta și despre alte componente ale găurii negre).
• BH cu rotație și încărcare - soluție Kerr - Newman. Această soluție a fost calculată în 1965 și este în prezent cea mai completă, deoarece ia în considerare toți cei trei parametri BH. Cu toate acestea, încă se presupune că în natură găurile negre au o încărcătură nesemnificativă.

Formarea găurii negre

Există mai multe teorii despre modul în care se formează și apare o gaură neagră, dintre care cea mai faimoasă este formarea unei stele cu masă suficientă ca urmare a colapsului gravitațional. Această compresie poate pune capăt evoluției stelelor cu o masă mai mare de trei mase solare. După terminarea reacțiilor termonucleare în interiorul unor astfel de stele, ele încep să se prăbușească rapid în superdense. Dacă presiunea gazului stelei neutronice nu poate compensa forțele gravitaționale, adică masa stelei depășește așa-numita. limita Oppenheimer-Volkov, apoi colapsul continuă, cu rezultatul că materia este comprimată într-o gaură neagră.

Al doilea scenariu, care descrie nașterea unei găuri negre, este comprimarea gazului protogalactic, adică a gazului interstelar care se află în stadiul de transformare într-o galaxie sau într-un fel de cluster. Dacă presiunea internă este insuficientă pentru a compensa aceleași forțe gravitaționale, poate apărea o gaură neagră.

Alte două scenarii rămân ipotetice:

• Ca urmare, apariția BH - așa-numita. găuri negre primordiale.
• Apariția ca urmare a reacțiilor nucleare la energii mari. Un exemplu de astfel de reacții sunt experimentele de coliziune.

Structura și fizica găurilor negre

Structura Schwarzschild a unei găuri negre include doar două elemente, care au fost menționate mai devreme: singularitatea și orizontul de evenimente al găurii negre. Vorbind pe scurt despre singularitate, se poate observa că este imposibil să se tragă o linie dreaptă prin ea și, de asemenea, că în cadrul ei majoritatea teoriilor fizice existente nu funcționează. Astfel, fizica singularității rămâne un mister pentru oamenii de știință de astăzi. o gaură neagră este un fel de graniță, traversare pe care, un obiect fizic își pierde capacitatea de a se întoarce dincolo de limitele sale și va „cădea” cu siguranță în singularitatea găurii negre.

Structura unei găuri negre devine ceva mai complicată în cazul soluției Kerr, și anume, în prezența rotației BH. Soluția lui Kerr presupune că gaura are o ergosferă. Ergosfera este o anumită regiune din afara orizontului de evenimente, în interiorul căreia toate corpurile se mișcă în direcția de rotație a găurii negre. Această zonă nu este încă captivantă și este posibil să o părăsești, spre deosebire de orizontul evenimentului. Ergosfera este probabil un fel de analog al discului de acreție, care rotește materia în jurul corpurilor masive. Dacă o gaură neagră statică Schwarzschild este reprezentată ca o sferă neagră, atunci Kerry BH, datorită prezenței ergosferei, are forma unui elipsoid oblat, în forma căruia am văzut adesea BH în desene, în filme vechi sau jocuri video.

• Cât cântărește o gaură neagră? - Cel mai mare material teoretic despre originea unei găuri negre este disponibil pentru scenariul apariției acesteia ca urmare a prăbușirii unei stele. În acest caz, masa maximă a unei stele neutronice și masa minimă a unei găuri negre sunt determinate de limita Oppenheimer-Volkov, conform căreia limita inferioară a masei BH este de 2,5 - 3 mase solare. Cea mai grea gaură neagră descoperită vreodată (în galaxia NGC 4889) are o masă de 21 de miliarde de mase solare. Cu toate acestea, nu ar trebui să uităm de BH, care apar ipotetic ca urmare a reacțiilor nucleare la energii mari, cum ar fi cele de la colisionare. Masa unor astfel de găuri negre cuantice, cu alte cuvinte, „găuri negre Planck”, are un ordin de mărime, și anume 2 · 10 −5 g.
• Dimensiunea găurii negre. Raza minimă BH poate fi calculată din masa minimă (2,5 - 3 mase solare). Dacă raza gravitațională a Soarelui, adică zona în care s-ar afla orizontul evenimentelor, este de aproximativ 2,95 km, atunci raza BH minimă a 3 mase solare va fi de aproximativ nouă kilometri. O astfel de dimensiune relativ mică nu se potrivește în cap când este vorba despre obiecte masive care atrag totul în jur. Cu toate acestea, pentru găurile negre cuantice, raza este - 10 -35 m.
• Densitatea medie a unei găuri negre depinde de doi parametri: masa și raza. Densitatea unei găuri negre cu o masă de ordinul a trei mase solare este de aproximativ 6 · 10 26 kg/m³, în timp ce densitatea apei este de 1000 kg/m³. Cu toate acestea, astfel de găuri negre mici nu au fost găsite de oamenii de știință. Majoritatea BH-urilor detectate au o masă mai mare de 10 5 mase solare. Există un model interesant conform căruia, cu cât o gaură neagră este mai masivă, cu atât densitatea acesteia este mai mică. În acest caz, o modificare a masei cu 11 ordine de mărime duce la o modificare a densității cu 22 de ordine de mărime. Astfel, o gaură neagră cu o masă de 1 · 10 9 mase solare are o densitate de 18,5 kg / m³, care este cu o unitate mai mică decât densitatea aurului. Și BH-urile cu o masă mai mare de 10 10 mase solare pot avea o densitate medie mai mică decât densitatea aerului. Pe baza acestor calcule, este logic să presupunem că formarea unei găuri negre are loc nu din cauza comprimării materiei, ci ca urmare a acumulării unei cantități mari de materie într-un anumit volum. În cazul BH-urilor cuantice, densitatea acestora poate fi de aproximativ 1094 kg/m³.
• Temperatura unei găuri negre este, de asemenea, invers proporțională cu masa acesteia. Această temperatură este direct legată de. Spectrul acestei radiații coincide cu spectrul unui corp absolut negru, adică un corp care absoarbe toată radiația incidentă. Spectrul de radiații al unui corp absolut negru depinde doar de temperatura acestuia, apoi temperatura BH poate fi determinată din spectrul de radiații Hawking. După cum am menționat mai sus, cu cât gaura neagră este mai mică, cu atât această radiație este mai puternică. În acest caz, radiația Hawking rămâne ipotetică, deoarece nu a fost încă observată de astronomi. Rezultă de aici că dacă radiația Hawking există, atunci temperatura BH-urilor observate este atât de scăzută încât nu permite înregistrarea radiației indicate. Conform calculelor, chiar și temperatura unei găuri cu o masă de ordinul masei Soarelui este neglijabilă (1 · 10 -7 K sau -272 ° C). Temperatura găurilor negre cuantice poate atinge aproximativ 10 12 K, iar prin evaporarea lor rapidă (aproximativ 1,5 minute), astfel de BH-uri pot emite energie de ordinul a zece milioane de bombe atomice. Dar, din fericire, crearea unor astfel de obiecte ipotetice va necesita o energie de 10 14 ori mai mare decât cea atinsă astăzi la Large Hadron Collider. În plus, astfel de fenomene nu au fost niciodată observate de astronomi.

În ce constă o gaură neagră?

O altă întrebare îngrijorează atât oamenii de știință, cât și cei care sunt pur și simplu pasionați de astrofizică - în ce constă o gaură neagră? Nu există un răspuns clar la această întrebare, deoarece nu este posibil să privim dincolo de orizontul evenimentelor din jurul vreunei găuri negre. În plus, așa cum am menționat mai devreme, modelele teoretice ale unei găuri negre prevăd doar 3 dintre componentele sale: ergosfera, orizontul evenimentelor și singularitatea. Este logic să presupunem că în ergosferă există doar acele obiecte care au fost atrase de gaura neagră și care acum se învârt în jurul ei - diferite tipuri de corpuri cosmice și gaz cosmic. Orizontul evenimentelor este doar o graniță subțire implicită, după ce căderea dincolo de care, aceleași corpuri cosmice sunt atrase iremediabil către ultima componentă principală a BH - singularitatea. Natura singularității nu a fost studiată astăzi și este prea devreme să vorbim despre compoziția sa.

Conform unor presupuneri, gaura neagră poate fi compusă din neutroni. Dacă urmărim scenariul unei găuri negre ca urmare a comprimării unei stele la o stea neutronică cu contracția ei ulterioară, atunci, probabil, partea principală a găurii negre este formată din neutroni, din care este formată însăși steaua neutronică. Cu cuvinte simple: atunci când o stea se prăbușește, atomii ei se contractă în așa fel încât electronii se combină cu protonii, formând astfel neutroni. O reacție similară are loc de fapt în natură, în timp ce emisia de neutrini are loc odată cu formarea unui neutron. Totuși, acestea sunt doar presupuneri.

Ce se întâmplă dacă cazi într-o gaură neagră?

Căderea într-o gaură neagră astrofizică întinde corpul. Luați în considerare un astronaut ipotetic sinucigaș care pășește într-o gaură neagră, doar într-un costum spațial, cu picioarele înainte. Trecând orizontul evenimentelor, astronautul nu va observa nicio schimbare, în ciuda faptului că nu mai are ocazia să iasă. La un moment dat, astronautul va ajunge într-un punct (puțin în spatele orizontului evenimentelor) în care va începe să aibă loc deformarea corpului său. Deoarece câmpul gravitațional al unei găuri negre este neomogen și este reprezentat de un gradient de forță în creștere spre centru, picioarele astronautului vor fi supuse unui efect gravitațional semnificativ mai mare decât, de exemplu, capul. Apoi, din cauza gravitației, sau mai bine zis, a forțelor mareelor, picioarele vor „cădea” mai repede. Astfel, corpul începe să se întindă treptat în lungime. Pentru a descrie acest fenomen, astrofizicienii au venit cu un termen destul de creativ - spaghetificare. Întinderea ulterioară a corpului este probabil să-l descompună în atomi, care, mai devreme sau mai târziu, vor ajunge la o singularitate. Ceea ce va simți o persoană în această situație este o presupunere a oricui. Este de remarcat faptul că efectul de întindere al unui corp este invers proporțional cu masa găurii negre. Adică, dacă un BH cu o masă de trei Sori întinde / sparge instantaneu corpul, atunci gaura neagră supermasivă va avea forțe de maree mai mici și, există sugestii că unele materiale fizice ar putea „suporta” o astfel de deformare fără a-și pierde structura.

După cum știți, timpul curge mai lent în apropierea obiectelor masive, ceea ce înseamnă că timpul pentru un astronaut sinucigaș va curge mult mai lent decât pentru pământeni. În acest caz, poate că va supraviețui nu numai prietenilor săi, ci și Pământului însuși. Vor fi necesare calcule pentru a determina cât de mult timp va încetini pentru astronaut; totuși, din cele de mai sus, se poate presupune că astronautul va cădea în gaura neagră foarte încet și, poate, pur și simplu nu va trăi pentru a vedea momentul în care corpul lui începe să se deformeze.

Este de remarcat faptul că pentru un observator din afară, toate corpurile care au zburat până la orizontul evenimentelor vor rămâne la marginea acestui orizont până când imaginea lor va dispărea. Motivul pentru aceasta este deplasarea gravitațională spre roșu. Simplificând oarecum, putem spune că lumina care cade pe corpul unui cosmonaut sinucigaș „înghețat” la orizontul evenimentelor își va schimba frecvența datorită timpului său încetinit. Pe măsură ce timpul trece mai încet, frecvența luminii va scădea și lungimea de undă va crește. Ca urmare a acestui fenomen, la ieșire, adică pentru un observator extern, lumina se va deplasa treptat către frecvența joasă - roșu. Va avea loc o schimbare a luminii de-a lungul spectrului, pe măsură ce astronautul sinucigaș se deplasează din ce în ce mai departe de observator, deși aproape imperceptibil, iar timpul lui trece din ce în ce mai încet. Astfel, lumina reflectată de corpul său va depăși în curând spectrul vizibil (imaginea va dispărea), iar în viitor, corpul astronautului poate fi surprins doar în regiunea infraroșu, iar mai târziu în frecvența radio, iar ca urmare , radiația va fi complet evazivă.

În ciuda celor de mai sus, se presupune că în găurile negre supermasive foarte mari, forțele de maree nu se schimbă atât de mult cu distanța și acționează aproape uniform asupra corpului în cădere. În acest caz, nava spațială în cădere și-ar păstra structura. Apare o întrebare rezonabilă - unde duce gaura neagră? La această întrebare se poate răspunde prin munca unor oameni de știință, legând două astfel de fenomene precum găurile de vierme și găurile negre.

În 1935, Albert Einstein și Nathan Rosen, ținând cont, au prezentat o ipoteză despre existența așa-numitelor găuri de vierme, care leagă două puncte ale spațiu-timp printr-o cale în locuri cu curbură semnificativă a acestuia din urmă - Einstein-Rosen pod sau o gaură de vierme. Pentru o curbură atât de puternică a spațiului, vor fi necesare corpuri cu o masă gigantică, al căror rol ar face față perfect găurilor negre.

Podul Einstein-Rosen este considerat o gaură de vierme de netrecut, deoarece este mic și instabil.

O gaură de vierme traversabilă este posibilă în cadrul teoriei găurilor albe și negre. Unde gaura albă este ieșirea de informații prinse într-o gaură neagră. Gaura albă este descrisă în cadrul relativității generale, dar astăzi rămâne ipotetică și nu a fost descoperită. Un alt model de gaură de vierme, propus de oamenii de știință americani Kip Thorne și studentul său absolvent, Mike Morris, poate fi accesibil pe jos. Totuși, ca și în cazul găurii de vierme Morris-Thorne, și în cazul găurilor albe și negre, posibilitatea de deplasare necesită existența așa-numitei materie exotică, care are energie negativă și rămâne totodată ipotetică.

Găuri negre în univers

Existența găurilor negre a fost confirmată relativ recent (septembrie 2015); cu toate acestea, până atunci, exista deja material teoretic considerabil despre natura BH-urilor, precum și multe obiecte candidate pentru rolul unei găuri negre. În primul rând, trebuie luată în considerare dimensiunea BH, deoarece însăși natura fenomenului depinde de ele:

• Masa stelară gaură neagră... Astfel de obiecte se formează ca urmare a prăbușirii unei stele. După cum am menționat mai devreme, masa minimă a unui corp capabil să formeze o astfel de gaură neagră este de 2,5 - 3 mase solare.
• Găuri negre de masă medie... Un tip intermediar condiționat de găuri negre care au crescut din cauza absorbției obiectelor din apropiere, cum ar fi o acumulare de gaz, o stea din apropiere (în sisteme cu două stele) și alte corpuri cosmice.
• Gaura neagra supermasiva... Obiecte compacte cu 10 5 -10 10 mase solare. Proprietățile distinctive ale unor astfel de BH sunt densitatea paradoxal de scăzută, precum și forțele slabe de maree, care au fost menționate mai devreme. Este o gaură neagră supermasivă în centrul galaxiei noastre Calea Lactee (Săgetător A *, Sgr A *), precum și în majoritatea celorlalte galaxii.

Candidații pentru Casa Neagră

Cea mai apropiată gaură neagră, sau mai degrabă un candidat pentru rolul unui BH, este un obiect (V616 Unicorn), care se află la o distanță de 3000 de ani lumină de Soare (în galaxia noastră). Este format din două componente: o stea cu o masă de jumătate din masa solară, precum și un corp mic invizibil, a cărui masă este de 3 - 5 mase solare. Dacă acest obiect se dovedește a fi o mică gaură neagră de masă stelară, atunci de dreapta va fi cea mai apropiată BH.

După acest obiect, a doua cea mai apropiată gaură neagră este obiectul Cyg X-1, care a fost primul candidat pentru rolul unui BH. Distanța până la acesta este de aproximativ 6070 de ani lumină. Este bine studiat: are o masă de 14,8 mase solare și o rază a orizontului de evenimente de aproximativ 26 km.

Potrivit unor surse, un alt candidat cel mai apropiat pentru rolul unui BH ar putea fi un corp din sistemul stelar V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), care, conform estimărilor din 1999, era situat la o distanță de 1600 de ani lumină. Cu toate acestea, studiile ulterioare au mărit această distanță de cel puțin 15 ori.

Câte găuri negre există în galaxia noastră?

Nu există un răspuns exact la această întrebare, deoarece este destul de dificil să le observăm și, pe tot parcursul studiului cerului, oamenii de știință au reușit să găsească aproximativ o duzină de găuri negre în Calea Lactee. Fără a ne deda la calcule, observăm că există aproximativ 100 - 400 de miliarde de stele în galaxia noastră și aproximativ fiecare a miilea stea are suficientă masă pentru a forma o gaură neagră. Este probabil ca milioane de găuri negre s-ar fi putut forma în timpul existenței Căii Lactee. Deoarece este mai ușor să înregistrați găuri negre uriașe, este logic să presupunem că majoritatea BH-urilor din galaxia noastră nu sunt cel mai probabil supermasive. Este de remarcat faptul că studiile NASA din 2005 sugerează prezența unui roi de găuri negre (10-20 mii) care orbitează în jurul centrului galaxiei. În plus, în 2016, astrofizicienii japonezi au descoperit un satelit masiv în apropierea obiectului * - o gaură neagră, nucleul Căii Lactee. Datorită razei mici (0,15 ani lumină) a acestui corp, precum și a masei sale uriașe (100.000 de mase solare), oamenii de știință sugerează că acest obiect este și o gaură neagră supermasivă.

Miezul galaxiei noastre, gaura neagră a Căii Lactee (Săgetător A*, Sgr A* sau Săgetător A*) este supermasiv și are o masă de 4,31 10 6 mase solare și o rază de 0,00071 ani lumină (6,25 ani lumină). . sau 6,75 miliarde km). Temperatura Săgetător A * împreună cu grupul din jurul său este de aproximativ 1 · 10 7 K.

Cea mai mare gaură neagră

Cea mai mare gaură neagră din Univers pe care oamenii de știință au descoperit-o este o gaură neagră supermasivă, FSRQ blazar, în centrul galaxiei S5 0014 + 81, la o distanță de 1,2 · 10 10 ani lumină de Pământ. De rezultate preliminare observații folosind observatorul spațial Swift, masa BH a fost de 40 de miliarde (40 · 10 9) de mase solare, iar raza Schwarzschild a unei astfel de găuri a fost de 118,35 miliarde de kilometri (0,013 ani lumină). De asemenea, se estimează că a apărut acum 12,1 miliarde de ani (1,6 miliarde de ani după Big Bang). Dacă această gaură neagră uriașă nu absoarbe materia înconjurătoare, atunci va supraviețui până la epoca găurilor negre - una dintre epocile dezvoltării Universului, în care găurile negre vor domina în ea. Dacă nucleul galaxiei S5 0014 + 81 continuă să crească, atunci va deveni una dintre ultimele găuri negre care vor exista în Univers.

Celelalte două găuri negre cunoscute, deși nu au nume proprii, sunt de cea mai mare importanță pentru studiul găurilor negre, întrucât și-au confirmat existența experimental și au dat și rezultate importante pentru studiul gravitației. Vorbim despre evenimentul GW150914, care se numește ciocnirea a două găuri negre într-una singură. Acest eveniment a făcut posibilă înregistrarea.

Detectarea găurilor negre

Înainte de a lua în considerare metodele de detectare a găurilor negre, ar trebui să răspundem la întrebarea - de ce este o gaură neagră neagră? - răspunsul la acesta nu necesită cunoștințe profunde în astrofizică și cosmologie. Cert este că o gaură neagră absoarbe toate radiațiile incidente asupra ei și nu emite deloc, dacă nu ținem cont de ipotetic. Dacă luăm în considerare acest fenomen mai detaliat, putem presupune că procesele care duc la eliberarea de energie sub formă de radiație electromagnetică nu au loc în interiorul găurilor negre. Apoi, dacă BH radiază, atunci este în spectrul Hawking (care coincide cu spectrul unui corp încălzit, absolut negru). Cu toate acestea, așa cum am menționat mai devreme, această radiație nu a fost detectată, ceea ce sugerează o temperatură complet scăzută a găurilor negre.

O altă teorie general acceptată este aceea radiatie electromagneticași nu este deloc capabil să părăsească orizontul evenimentelor. Cel mai probabil, fotonii (particulele de lumină) nu sunt atrași de obiecte masive, deoarece, conform teoriei, ei înșiși nu au masă. Cu toate acestea, gaura neagră încă „atrage” fotonii luminii distorsionând spațiu-timp. Dacă ne imaginăm o gaură neagră în spațiu ca un fel de depresiune pe suprafața netedă a spațiu-timpului, atunci există o anumită distanță de centrul găurii negre, apropiindu-se de care lumina nu se va mai putea îndepărta. Adică, aproximativ vorbind, lumina începe să „cadă” în „groapă”, care nici măcar nu are „fund”.

În plus, dacă luăm în considerare efectul deplasării către roșu gravitaționale, atunci este posibil ca lumina dintr-o gaură neagră să-și piardă frecvența, deplasându-se de-a lungul spectrului către regiunea radiației de joasă frecvență cu lungime de undă lungă, până când pierde energie. deloc.

Deci, o gaură neagră este neagră și, prin urmare, greu de detectat în spațiu.

Metode de detectare

Luați în considerare metodele pe care le folosesc astronomii pentru a detecta o gaură neagră:

Pe lângă metodele menționate mai sus, oamenii de știință asociază adesea obiecte precum găurile negre și. Quasarii sunt un fel de grupuri de corpuri cosmice și gaze, care sunt unul dintre cele mai strălucitoare obiecte astronomice din Univers. Deoarece au o intensitate mare a luminiscenței la dimensiuni relativ mici, există motive să credem că centrul acestor obiecte este o gaură neagră supermasivă, care atrage materia înconjurătoare. Datorită unei atracții gravitaționale atât de puternice, materia atrasă este atât de fierbinte încât radiază intens. Găsirea unor astfel de obiecte este de obicei comparată cu găsirea unei găuri negre. Uneori, quasarii pot radia în două direcții jeturi de plasmă încălzită - jeturi relativiste. Motivele apariției unor astfel de jeturi (jeturi) nu sunt complet clare, totuși, ele sunt probabil cauzate de interacțiunea câmpurilor magnetice ale BH și discul de acreție și nu sunt emise de gaura neagră directă.

Jet în galaxia M87 lovind din centrul BH

Rezumând cele de mai sus, ne putem imagina, de aproape: este un obiect negru sferic, în jurul căruia se învârte materia puternic încălzită, formând un disc de acreție luminos.

Fuziunea și ciocnirea găurilor negre

Unul dintre cele mai interesante fenomene din astrofizică este coliziunea găurilor negre, care face posibilă și detectarea unor astfel de corpuri astronomice masive. Astfel de procese sunt de interes nu numai pentru astrofizicieni, deoarece fenomenele slab studiate de fizicieni devin consecința lor. Cel mai frapant exemplu este evenimentul menționat anterior numit GW150914, când două găuri negre s-au apropiat atât de mult încât s-au contopit într-una singură, ca urmare a atracției gravitaționale reciproce. O consecință importantă a acestei coliziuni a fost apariția undelor gravitaționale.

Conform definiției undelor gravitaționale, acestea sunt modificări ale câmpului gravitațional care se propagă într-un mod asemănător undelor din obiecte masive în mișcare. Când două astfel de obiecte se apropie unul de celălalt, ele încep să se rotească în jurul unui centru de greutate comun. Pe măsură ce se apropie unul de altul, rotația lor în jurul propriei axe crește. Astfel de fluctuații variabile ale câmpului gravitațional la un moment dat pot forma o undă gravitațională puternică, care se poate propaga în spațiu timp de milioane de ani lumină. Așadar, la o distanță de 1,3 miliarde de ani lumină, două găuri negre s-au ciocnit, formând o undă gravitațională puternică, care a ajuns pe Pământ pe 14 septembrie 2015 și a fost înregistrată de detectoarele LIGO și VIRGO.

Cum mor găurile negre?

Evident, pentru ca o gaură neagră să înceteze să mai existe, va trebui să-și piardă toată masa. Cu toate acestea, conform definiției sale, nimic nu poate părăsi limitele unei găuri negre dacă aceasta și-a depășit orizontul de evenimente. Se știe că fizicianul teoretician sovietic Vladimir Gribov a fost primul care a menționat posibilitatea ca o gaură neagră să emită particule în discuția sa cu un alt om de știință sovietic Yakov Zeldovich. El a susținut că, din punctul de vedere al mecanicii cuantice, o gaură neagră este capabilă să emită particule prin efectul de tunel. Mai târziu, cu ajutorul mecanicii cuantice, fizicianul teoretician englez Stephen Hawking și-a construit propria teorie, oarecum diferită. Mai multe despre acest fenomenÎl poți citi. Pe scurt, în vid există așa-numitele particule virtuale care se nasc constant în perechi și se anihilează unele cu altele, fără a interacționa cu lumea exterioară. Dar dacă astfel de perechi apar pe orizontul de evenimente al unei găuri negre, atunci gravitația puternică este ipotetic capabilă să le separe, o particulă căzând în interiorul BH, iar cealaltă plecând de la gaura neagră. Și deoarece particula care scapă din gaură poate fi observată și, prin urmare, are energii pozitive, particula care cade în gaură trebuie să aibă energii negative. Astfel, gaura neagră își va pierde energia și va avea loc un efect numit evaporarea găurii negre.

Conform modelelor disponibile ale unei găuri negre, așa cum am menționat mai devreme, pe măsură ce masa ei scade, radiația sa devine mai intensă. Apoi, în stadiul final al existenței unui BH, când acesta poate scădea la dimensiunea unei găuri negre cuantice, va elibera o cantitate imensă de energie sub formă de radiație, care poate fi echivalentă cu mii sau chiar milioane de bombe atomice. Acest eveniment amintește oarecum de explozia unei găuri negre, ca aceeași bombă. Conform calculelor, în urma Big Bang-ului, ar fi putut apărea găuri negre primordiale, iar acelea dintre ele, a căror masă este de aproximativ 10 12 kg, ar fi trebuit să se evapore și să explodeze în jurul timpului nostru. Oricum ar fi, astfel de explozii nu au fost niciodată observate de astronomi.

În ciuda mecanismului propus de Hawking pentru distrugerea găurilor negre, proprietățile radiației lui Hawking provoacă un paradox în cadrul mecanicii cuantice. Dacă o gaură neagră absoarbe un corp, iar apoi pierde masa rezultată din absorbția acestui corp, atunci indiferent de natura corpului, gaura neagră nu va diferi de ceea ce era înainte de absorbția corpului. În acest caz, informațiile despre corp se pierd pentru totdeauna. Din punct de vedere al calculelor teoretice, transformarea stării pure inițiale în starea mixtă („termică”) obținută nu corespunde teoriei actuale a mecanicii cuantice. Acest paradox se numește uneori dispariția informațiilor într-o gaură neagră. O soluție definitivă la acest paradox nu a fost găsită. Opțiuni cunoscute pentru rezolvarea paradoxului:

• Inconsecvența teoriei lui Hawking. Aceasta implică imposibilitatea distrugerii găurii negre și creșterea constantă a acesteia.
• Prezența găurilor albe. În acest caz, informația absorbită nu dispare, ci este pur și simplu aruncată în alt Univers.
• Incoerența teoriei general acceptate a mecanicii cuantice.

Probleme nerezolvate ale fizicii găurilor negre

Aparent, ceea ce a fost descris mai devreme, deși găurile negre au fost studiate de o perioadă relativ lungă de timp, ele au încă multe caracteristici, ale căror mecanisme sunt încă necunoscute oamenilor de știință.

• În 1970, un om de știință englez a formulat așa-numitul. „Principiul cenzurii cosmice” – „Natura detestă o singularitate goală”. Aceasta înseamnă că singularitatea se formează numai în locuri ascunse vederii, precum centrul unei găuri negre. Cu toate acestea, acest principiu nu a fost încă dovedit. Există și calcule teoretice conform cărora poate să apară o singularitate „goală”.
• Nici nu a fost dovedită „teorema fără păr”, conform căreia găurile negre au doar trei parametri.
• O teorie completă a magnetosferei găurii negre nu a fost dezvoltată.
• Natura și fizica singularității gravitaționale nu au fost studiate.
• Nu se știe cu siguranță ce se întâmplă în stadiul final al existenței unei găuri negre și ce rămâne după dezintegrarea sa cuantică.

Fapte interesante despre găurile negre

Rezumând cele de mai sus, există mai multe caracteristici interesante și neobișnuite ale naturii găurilor negre:

• BH-urile au doar trei parametri: masa, sarcina electrică și momentul unghiular. Ca urmare a unui număr atât de mic de caracteristici ale acestui corp, teorema care afirmă acest lucru se numește „teorema fără păr”. Aceasta a dat naștere și la sintagma „o gaură neagră nu are păr”, ceea ce înseamnă că două găuri negre sunt absolut identice, cei trei parametri ai lor menționați fiind aceiași.
• Densitatea BH poate fi mai mică decât densitatea aerului, iar temperatura este aproape de zero absolut... Din aceasta, se poate presupune că formarea unei găuri negre are loc nu datorită comprimării materiei, ci ca urmare a acumulării unei cantități mari de materie într-un anumit volum.
• Timpul pentru corpurile absorbite de BH este mult mai lent decât pentru un observator extern. În plus, corpurile absorbite sunt întinse semnificativ în interiorul găurii negre, care a fost numită de oamenii de știință - spaghetificare.
• S-ar putea să existe aproximativ un milion de găuri negre în galaxia noastră.
• Probabil că există o gaură neagră supermasivă în centrul fiecărei galaxii.
• În viitor, conform modelului teoretic, universul va ajunge în așa-numita era a găurilor negre, când găurile negre vor deveni corpurile dominante în univers.