Tajemnicze i nieuchwytne czarne dziury. Prawa fizyki potwierdzają możliwość ich istnienia we wszechświecie, ale wciąż pozostaje wiele pytań. Liczne obserwacje pokazują, że dziury istnieją we wszechświecie i jest ich ponad milion.
Co to są czarne dziury?
Już w 1915 r., rozwiązując równania Einsteina, przewidziano takie zjawisko jak „czarne dziury”. Środowisko naukowe zainteresowało się nimi jednak dopiero w 1967 roku. Nazywano je wtedy „gwiazdami zapadniętymi”, „gwiazdami zamarzniętymi”.
Teraz czarną dziurę nazywa się obszarem czasu i przestrzeni, który ma taką grawitację, że nawet promień światła nie może się z niego wydostać.
Jak powstają czarne dziury?
Istnieje kilka teorii pojawiania się czarnych dziur, które dzielą się na hipotetyczne i realistyczne. Najprostszą i najbardziej rozpowszechnioną realistyczną teorią jest teoria kolapsu grawitacyjnego dużych gwiazd.
Gdy dostatecznie masywna gwiazda przed „śmiercią” powiększa się i staje się niestabilna, zużywając ostatnie paliwo. Jednocześnie masa gwiazdy pozostaje niezmieniona, ale jej rozmiary zmniejszają się w miarę występowania tzw. zagęszczania. Innymi słowy, podczas zagęszczania ciężkie jądro „wpada” w siebie. Równolegle z tym zagęszczanie prowadzi do gwałtownego wzrostu temperatury wewnątrz gwiazdy i odrywania zewnętrznych warstw ciała niebieskiego, z których powstają nowe gwiazdy. W tym samym czasie w centrum gwiazdy - rdzeń wpada do własnego „centrum”. W wyniku działania sił grawitacyjnych centrum zapada się w punkt - to znaczy siły grawitacyjne są na tyle silne, że pochłaniają sprasowany rdzeń. Tak rodzi się czarna dziura, która zaczyna zniekształcać przestrzeń i czas, tak że nawet światło nie może się z niej wydostać.
W centrach wszystkich galaktyk znajduje się supermasywna czarna dziura. Zgodnie z teorią względności Einsteina:
„Każda masa zniekształca przestrzeń i czas”.
A teraz wyobraź sobie, jak bardzo czarna dziura zaburza czas i przestrzeń, bo jej masa jest ogromna i jednocześnie ściśnięta w ultramałej objętości. Z powodu tej zdolności pojawia się następująca dziwność:
„Czarne dziury mają zdolność praktycznie zatrzymywania czasu i kompresji przestrzeni. Z powodu tego silnego zniekształcenia dziury stają się dla nas niewidoczne”.
Jeśli czarne dziury nie są widoczne, skąd wiemy, że istnieją?
Tak, chociaż czarna dziura jest niewidoczna, powinna być zauważalna dzięki materii, która w nią wpada. Podobnie jak gaz gwiezdny, który przyciąga czarna dziura, gdy zbliża się do horyzontu zdarzeń, temperatura gazu zaczyna rosnąć do bardzo wysokich wartości, co prowadzi do poświaty. Dlatego czarne dziury świecą. Dzięki temu, choć słabemu blaskowi, astronomowie i astrofizycy wyjaśniają obecność w centrum galaktyki obiektu o małej objętości, ale ogromnej masie. W tej chwili w wyniku obserwacji odkryto około 1000 obiektów, które swoim zachowaniem przypominają czarne dziury.
Czarne dziury i galaktyki
Jak czarne dziury mogą wpływać na galaktyki? To pytanie dręczy naukowców na całym świecie. Istnieje hipoteza, według której to czarne dziury znajdujące się w centrum galaktyki wpływają na jej kształt i ewolucję. I że kiedy zderzają się dwie galaktyki, czarne dziury łączą się i podczas tego procesu wyrzucane są tak ogromne ilości energii i materii, że powstają nowe gwiazdy.
Rodzaje czarnych dziur
- Zgodnie z istniejącą teorią istnieją trzy rodzaje czarnych dziur: gwiezdne, supermasywne, miniaturowe. A każdy z nich powstał w szczególny sposób.
- - Czarne dziury o masie gwiazdowej, rozrastają się do ogromnych rozmiarów i zapadają.
- Supermasywne czarne dziury, które mogą mieć masę równoważną milionom słońc, najprawdopodobniej istnieją w centrach prawie wszystkich galaktyk, w tym w naszej Drodze Mlecznej. Naukowcy wciąż mają różne hipotezy dotyczące powstawania supermasywnych czarnych dziur. Na razie wiadomo tylko jedno - supermasywne czarne dziury są produktem ubocznym powstawania galaktyk. Supermasywne czarne dziury - różnią się od zwykłych tym, że mają bardzo duży rozmiar, ale paradoksalnie małą gęstość. - - Nikomu jeszcze nie udało się wykryć miniaturowej czarnej dziury, która miałaby masę mniejszą od Słońca. Możliwe, że miniaturowe dziury mogły powstać wkrótce po „Wielkim Wybuchu”, który jest dokładnym początkiem istnienia naszego Wszechświata (około 13,7 miliarda lat temu).
- - Niedawno wprowadzono nową koncepcję „białych czarnych dziur”. To wciąż hipotetyczna czarna dziura, która jest przeciwieństwem czarnej dziury. Stephen Hawking aktywnie badał możliwość istnienia białych dziur.
- - Kwantowe czarne dziury - istnieją na razie tylko w teorii. Kwantowe czarne dziury mogą powstawać, gdy ultramałe cząstki zderzają się w wyniku reakcji jądrowej.
- - Pierwotne czarne dziury też są teorią. Powstały natychmiast po zdarzeniu.
W tej chwili istnieje wiele otwartych pytań, na które przyszłe pokolenia nie mają jeszcze odpowiedzi. Na przykład, czy naprawdę mogą istnieć tak zwane „tunele czasoprzestrzenne”, za pomocą których można podróżować w czasie i przestrzeni. Co dokładnie dzieje się wewnątrz czarnej dziury i jakim prawom podlegają te zjawiska. A co ze zniknięciem informacji w czarnej dziurze?
Czarna dziura to jeden z najbardziej tajemniczych obiektów we wszechświecie. Wielu znanych naukowców, w tym Albert Einstein, mówiło o możliwości istnienia czarnych dziur. Czarne dziury zawdzięczają swoją nazwę amerykańskiemu astrofizykowi Johnowi Wheelerowi. We wszechświecie istnieją dwa rodzaje czarnych dziur. Pierwsza to masywne czarne dziury - ogromne ciała, których masa jest miliony razy większa niż masa Słońca. Takie obiekty, jak sugerują naukowcy, znajdują się w centrum galaktyk. W centrum naszej galaktyki znajduje się również gigantyczna czarna dziura. Naukowcom nie udało się jeszcze ustalić przyczyn pojawienia się tak ogromnych ciał kosmicznych.
Punkt widzenia
Współczesna nauka nie docenia znaczenia pojęcia „energii czasu”, wprowadzonego do użytku naukowego przez radzieckiego astrofizyka N.A. Kozyriew.
Sfinalizowaliśmy ideę energii czasu, w wyniku której pojawiła się nowa teoria filozoficzna - „idealny materializm”. Teoria ta dostarcza alternatywnego wyjaśnienia natury i struktury czarnych dziur. Czarne dziury w teorii materializmu idealnego odgrywają kluczową rolę, aw szczególności w procesach powstawania i bilansowania energii czasu. Teoria wyjaśnia, dlaczego supermasywne czarne dziury znajdują się w centrach prawie wszystkich galaktyk. Na stronie będzie można zapoznać się z tą teorią, ale po odpowiednim przygotowaniu. zobacz materiały serwisu).
Obszar w czasie i przestrzeni, którego przyciąganie grawitacyjne jest tak silne, że nawet obiekty poruszające się z prędkością światła nie mogą go opuścić, nazywa się czarną dziurą. Granicę czarnej dziury określa się pojęciem „horyzontu zdarzeń”, a jej rozmiar – promieniem grawitacji. W najprostszym przypadku jest równy promieniowi Schwarzschilda.
Fakt, że istnienie czarnych dziur jest teoretycznie możliwe, można udowodnić na podstawie niektórych dokładnych równań Einsteina. Pierwszy z nich uzyskał w 1915 roku ten sam Karl Schwarzschild. Nie wiadomo, kto jako pierwszy wymyślił to określenie. Można jedynie powiedzieć, że samo określenie zjawiska spopularyzowało się dzięki Johnowi Archibaldowi Wheelerowi, który jako pierwszy opublikował wykład „Our Universe: the Known and Unknown (Our Universe: the Known and Unknown)”, w którym zostało ono użyte. Znacznie wcześniej obiekty te nazywano „zapadniętymi gwiazdami” lub „zapadającymi się”.
Pytanie, czy czarne dziury rzeczywiście istnieją, jest związane z rzeczywistym istnieniem grawitacji. We współczesnej nauce najbardziej realistyczną teorią grawitacji jest ogólna teoria względności, która jasno określa możliwość istnienia czarnych dziur. Niemniej jednak ich istnienie jest również możliwe w ramach innych teorii, więc dane są stale analizowane i interpretowane.
Stwierdzenie o istnieniu naprawdę istniejących czarnych dziur należy rozumieć jako potwierdzenie istnienia gęstych i masywnych obiektów astronomicznych, które można interpretować jako czarne dziury teorii względności. Ponadto takiemu zjawisku można przypisać gwiazdy w późnych stadiach kolapsu. Współcześni astrofizycy nie przywiązują wagi do różnicy między takimi gwiazdami a prawdziwymi czarnymi dziurami.
Wie o tym wielu z tych, którzy studiowali lub nadal studiują astronomię co to jest czarna dziura I Skąd ona pochodzi. Jednak dla zwykłych ludzi, którzy nie byli tym szczególnie zainteresowani, wyjaśnię wszystko pokrótce.
Czarna dziura- jest to pewien obszar w przestrzeni przestrzeni lub nawet w nim czasu. Tylko to nie jest zwykły obszar. Ma bardzo silną grawitację (przyciąganie). Co więcej, jest tak silny, że coś nie może wydostać się z czarnej dziury, jeśli się tam dostanie! Nawet promienie słoneczne nie mogą uniknąć wpadnięcia do czarnej dziury, jeśli przechodzi ona w pobliżu. Należy jednak pamiętać, że promienie słoneczne (światło) poruszają się z prędkością światła - 300 000 km/s.
Wcześniej czarne dziury nazywano inaczej: collapsars, zapadnięte gwiazdy, zamrożone gwiazdy i tak dalej. Dlaczego? Ponieważ czarne dziury są tworzone przez martwe gwiazdy.
Faktem jest, że kiedy gwiazda wyczerpuje całą swoją energię, staje się bardzo gorącym olbrzymem, w wyniku czego eksploduje. Jej rdzeń z pewnym prawdopodobieństwem może się bardzo mocno kurczyć. I z niesamowitą szybkością. W niektórych przypadkach po eksplozji gwiazdy powstaje czarna, niewidoczna dziura, która pochłania wszystko na swojej drodze. Wszystkie obiekty, które poruszają się nawet z prędkością światła.
Czarna dziura nie dba o to, jakie obiekty pochłania. Mogą to być zarówno statki kosmiczne, jak i promienie słońca. Nie ma znaczenia, jak szybko obiekt się porusza. Czarnej dziury też nie obchodzi, jaka jest masa obiektu. Może pochłonąć wszystko, od kosmicznych drobnoustrojów i pyłu, aż po same gwiazdy.
Niestety, nikt jeszcze nie odkrył, co dzieje się wewnątrz czarnej dziury. Niektórzy sugerują, że obiekt wpadający do czarnej dziury pęka z niewiarygodną siłą. Inni uważają, że wyjście z czarnej dziury może prowadzić do innego, jakby drugiego wszechświata. Jeszcze inni uważają, że (najprawdopodobniej), jeśli przejdziesz od wejścia do wyjścia czarnej dziury, może po prostu rzucić cię w inną część wszechświata.
Czarna dziura w kosmosie
Czarna dziura- Ten obiekt kosmiczny niewiarygodna gęstość, posiadająca absolutną grawitację, tak że pochłania każde ciało kosmiczne, a nawet samą przestrzeń i czas.
Czarne dziury rządzić się ewolucja wszechświata. są w centralnym miejscu, ale ich nie widać, można znaleźć ich znaki. Chociaż czarne dziury mają zdolność niszczenia, pomagają również budować galaktyki.
Niektórzy naukowcy w to wierzą czarne dziury są bramą do równoległe wszechświaty. co równie dobrze może być. Istnieje opinia, że czarne dziury mają coś przeciwnego, tzw białe dziury . mający właściwości antygrawitacyjne.
Czarna dziura jest urodzony wewnątrz największych gwiazd, kiedy umierają, siła grawitacji niszczy je, prowadząc w ten sposób do potężnej eksplozji supernowa.
Istnienie czarnych dziur przewidział Karl Schwarzschild
Karl Schwarzschild jako pierwszy zastosował ogólną teorię względności Einsteina, aby uzasadnić istnienie „punktu bez powrotu”. Sam Einstein nie myślał o czarnych dziurach, chociaż jego teoria pozwala przewidzieć ich istnienie.
Schwarzschild przedstawił swoją sugestię w 1915 roku, tuż po tym, jak Einstein opublikował swoją ogólną teorię względności. Wtedy pojawił się termin „promień Schwarzschilda” – jest to wartość, która wskazuje, jak bardzo trzeba skompresować obiekt, aby stał się czarną dziurą.
Teoretycznie wszystko może stać się czarną dziurą przy wystarczającej kompresji. Im gęstszy obiekt, tym silniejsze pole grawitacyjne, które tworzy. Na przykład Ziemia stałaby się czarną dziurą, gdyby obiekt wielkości orzeszka miał swoją masę.
Źródła: www.alienguest.ru, cosmos-online.ru, kak-prosto.net, nasha-vselennaya.ru, www.qwrt.ru
NASA: powstanie wehikuł czasu
Projekt ExoMars
Atlantyda w Trójkącie Bermudzkim
Krzyżacy
Dobrze na Półwyspie Kolskim
Kraj krasnoludów
Każda osoba w dzieciństwie marzyła o byciu w bajce. W jednym z parków w Niemczech można poczuć się jak Królewna Śnieżka wśród siedmiu...
Tajemnice kosmosu i otaczającego nas świata
Według naukowców z NASA. Wbrew powszechnemu przekonaniu, jeśli ktoś wejdzie w przestrzeń kosmiczną bez skafandra ochronnego, nie zamarznie, nie wybuchnie i…
Niewyjaśnione znaleziska
Czasami, w różnych okolicznościach, w różnych częściach świata, ludzie znajdują przedmioty, które nazywane są niezidentyfikowanymi obiektami kopalnymi (artefaktami). Mam to już...
Walcz z pokusami. Kuszenie Chrystusa na pustyni
Walka z pokusą Każdy z nas słyszał słowo „”. Pokusa oznacza wystąpienie w życiu człowieka okoliczności, które zmuszają go do zrobienia...
Strefa anomalii Oceanu Spokojnego
Ocean skrywa wiele tajemnic, ale jedna z nich całkowicie wprawia w osłupienie nawet doświadczonych oceanologów. W danym punkcie...
czarna Rzeka
Bardziej znany Loch Ness zepchnął na drugorzędne miejsce znacznie więcej możliwości poszukiwania stworzeń takich jak potwór z Nessie w innych krajach. ...
Ze względu na stosunkowo niedawny wzrost zainteresowania kręceniem filmów popularnonaukowych o eksploracji kosmosu, współczesny widz wiele słyszał o takich zjawiskach jak osobliwość czy czarna dziura. Jednak filmy oczywiście nie ujawniają pełnej natury tych zjawisk, a czasem nawet zniekształcają konstruowane teorie naukowe dla większego efektu. Z tego powodu idea wielu współczesnych ludzi na temat tych zjawisk jest albo całkowicie powierzchowna, albo całkowicie błędna. Jednym z rozwiązań powstałego problemu jest niniejszy 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 Towarzystwa Królewskiego o hipotetycznym masywnym ciele, które ma tak silne przyciąganie grawitacyjne, że jego druga prędkość kosmiczna przekraczałaby prędkość światła. Druga prędkość kosmiczna to prędkość, której stosunkowo mały obiekt będzie potrzebował, aby pokonać przyciąganie grawitacyjne ciała niebieskiego i wyjść poza granice zamkniętej orbity 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 będzie tylko pochłaniać wpadające światło i pozostanie niewidoczne dla obserwatora - rodzaj czarnej plamy na tle ciemnej przestrzeni.
Jednak koncepcja supermasywnego ciała zaproponowana przez Michella nie wzbudziła większego zainteresowania aż do prac Einsteina. Przypomnijmy, że ten ostatni zdefiniował prędkość światła jako graniczną prędkość przesyłania informacji. Ponadto Einstein rozszerzył teorię grawitacji dla prędkości bliskich 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. Na uwagę zasługuje znaczący wkład indyjskiego astrofizyka Subramanyana Chandrasekhara, który stworzył fundamentalną monografię: „Teoria matematyczna czarnych dziur”.
Zatem rozwiązanie równań Einsteina jest reprezentowane przez cztery opcje dla czterech możliwych typów czarnych dziur:
- Czarna dziura bez rotacji i bez ładunku to 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 pozwala obliczyć zewnętrzne pole grawitacyjne kulistego, masywnego ciała. Cechą koncepcji czarnych dziur niemieckiego naukowca jest obecność horyzontu zdarzeń i tego, który się za nim kryje. Schwarzschild najpierw obliczył również promień grawitacji, który otrzymał jego imię, który określa promień kuli, na której znajdowałby się horyzont zdarzeń dla ciała o danej masie.
- Czarna dziura bez rotacji z ładunkiem to rozwiązanie Reisnera-Nordströma. Rozwiązanie zaproponowane w latach 1916-1918, uwzględniające możliwy ładunek elektryczny czarnej dziury. Ładunek ten nie może być dowolnie duży i jest ograniczony ze względu na wynikające z tego odpychanie elektryczne. To ostatnie musi być kompensowane przez przyciąganie grawitacyjne.
- Czarna dziura z obrotem i bez ładunku - rozwiązanie Kerra (1963). Obracająca się czarna dziura Kerra różni się od statycznej obecnością tzw. ergosfery (czytaj więcej o tym i innych składnikach czarnej dziury).
- BH z obrotem i ładunkiem - rozwiązanie Kerra-Newmana. To rozwiązanie zostało obliczone w 1965 roku i jest obecnie najbardziej kompletne, ponieważ uwzględnia wszystkie trzy parametry BH. Jednak nadal przyjmuje się, że czarne dziury w naturze mają znikomy ładunek.
Powstanie czarnej dziury
Istnieje kilka teorii na temat powstawania i pojawiania się czarnej dziury, z których najbardziej znaną jest pojawienie się gwiazdy o wystarczającej masie w wyniku kolapsu grawitacyjnego. Taka kompresja może zakończyć ewolucję gwiazd o masie większej niż trzy masy Słońca. Po zakończeniu reakcji termojądrowych wewnątrz takich gwiazd, zaczynają one gwałtownie kurczyć się do postaci supergęstej. Jeśli ciśnienie gazu gwiazdy neutronowej nie może zrekompensować sił grawitacyjnych, to znaczy masa gwiazdy pokonuje tzw. granicy Oppenheimera-Volkowa, a następnie zapadanie się trwa, powodując kurczenie się materii w czarną dziurę.
Drugim scenariuszem opisującym narodziny czarnej dziury jest kompresja gazu protogalaktycznego, czyli gazu międzygwiazdowego, który jest na etapie transformacji w galaktykę lub jakąś gromadę. W przypadku niewystarczającego ciśnienia wewnętrznego, aby skompensować te same siły grawitacyjne, może powstać czarna dziura.
Dwa inne scenariusze pozostają hipotetyczne:
- Powstanie w efekcie czarnej dziury – tzw. pierwotne czarne dziury.
- Powstaje w wyniku reakcji jądrowych przy wysokich energiach. Przykładem takich reakcji są eksperymenty na zderzaczach.
Budowa i fizyka czarnych dziur
Struktura czarnej dziury według Schwarzschilda obejmuje tylko dwa wspomniane wcześniej elementy: osobliwość i horyzont zdarzeń czarnej dziury. Mówiąc krótko o osobliwości, można zauważyć, że nie da się przez nią poprowadzić linii prostej, a także, że większość istniejących teorii fizycznych w niej nie działa. Tak więc fizyka osobliwości pozostaje dziś tajemnicą dla naukowców. czarnej dziury to pewna granica, po przekroczeniu której obiekt fizyczny traci możliwość powrotu poza swoje granice i jednoznacznie „wpada” w osobliwość czarnej dziury.
Struktura czarnej dziury staje się nieco bardziej skomplikowana w przypadku rozwiązania Kerra, a mianowicie w obecności rotacji BH. Rozwiązanie Kerra sugeruje, że dziura ma ergosferę. Ergosfera - pewien obszar znajdujący się poza horyzontem zdarzeń, wewnątrz którego wszystkie ciała poruszają się w kierunku obrotu czarnej dziury. Ten obszar nie jest jeszcze ekscytujący i można go opuścić, w przeciwieństwie do horyzontu zdarzeń. Ergosfera jest prawdopodobnie rodzajem analogu dysku akrecyjnego, który reprezentuje wirującą substancję wokół masywnych ciał. Jeśli statyczna czarna dziura Schwarzschilda jest przedstawiona jako czarna kula, to czarna dziura Kerry'ego, ze względu na obecność ergosfery, ma kształt spłaszczonej elipsoidy, w postaci której często widywaliśmy czarne dziury na rysunkach, w starych filmy lub gry wideo.
- Ile waży czarna dziura? – Największy materiał teoretyczny na temat pojawienia się czarnej dziury jest dostępny dla scenariusza jej pojawienia się w wyniku zapadnięcia się gwiazdy. W tym przypadku maksymalna masa gwiazdy neutronowej i minimalna masa czarnej dziury są określone przez granicę Oppenheimera - Wołkowa, zgodnie z którą dolna granica masy BH wynosi 2,5 - 3 masy Słońca. Najcięższa czarna dziura, jaką kiedykolwiek odkryto (w galaktyce NGC 4889) ma masę 21 miliardów mas Słońca. Nie należy jednak zapominać o czarnych dziurach, hipotetycznie powstałych w wyniku reakcji jądrowych przy wysokich energiach, takich jak zderzacze. Masa takich kwantowych czarnych dziur, czyli „czarnych dziur Plancka” jest rzędu , 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 obszar, w którym znajdowałby się horyzont zdarzeń, wynosi około 2,95 km, to minimalny promień BH o masie 3 mas Słońca będzie wynosił około dziewięciu kilometrów. Tak stosunkowo niewielkich rozmiarów nie mieszczą się w głowie, jeśli chodzi o masywne obiekty, które przyciągają wszystko wokół. Jednak w przypadku czarnych dziur kwantowych promień wynosi -10-35 m.
- Średnia gęstość czarnej dziury zależy od dwóch parametrów: masy i promienia. Gęstość czarnej dziury o masie około trzech mas Słońca wynosi około 6 10 26 kg/m³, podczas gdy gęstość wody wynosi 1000 kg/m³. Jednak takie małe czarne dziury nie zostały znalezione przez naukowców. Większość wykrytych BH ma masy większe niż 105 mas Słońca. Istnieje ciekawy wzór, według którego im masywniejsza jest czarna dziura, tym mniejsza jest jej gęstość. W tym przypadku zmiana masy o 11 rzędów wielkości pociąga za sobą zmianę gęstości o 22 rzędy wielkości. Tak więc czarna dziura o masie 1 · 10 9 mas Słońca ma gęstość 18,5 kg/m³, czyli o jeden mniej niż gęstość złota. A czarne dziury o masie większej niż 10 10 mas Słońca mogą mieć średnią gęstość mniejszą niż gęstość powietrza. Na podstawie tych obliczeń logiczne jest założenie, że powstawanie czarnej dziury następuje nie w wyniku kompresji materii, ale w wyniku nagromadzenia dużej ilości materii w określonej objętości. W przypadku kwantowych czarnych dziur ich gęstość może wynosić około 10 94 kg/m³.
- Temperatura czarnej dziury jest również odwrotnie proporcjonalna do jej masy. Ta temperatura jest bezpośrednio związana z . Widmo tego promieniowania pokrywa się z widmem ciała całkowicie czarnego, czyli ciała, które pochłania całe padające promieniowanie. Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego zależy tylko od jego temperatury, wówczas temperaturę czarnej dziury można wyznaczyć z widma promieniowania Hawkinga. Jak wspomniano powyżej, promieniowanie to jest tym silniejsze, im mniejsza jest czarna dziura. Jednocześnie promieniowanie Hawkinga pozostaje hipotetyczne, ponieważ nie zostało jeszcze zaobserwowane przez astronomów. Wynika z tego, że jeśli istnieje promieniowanie Hawkinga, to temperatura obserwowanych BH jest na tyle niska, że nie pozwala na wykrycie wskazanego promieniowania. Według obliczeń, nawet temperatura dziury o masie rzędu masy Słońca jest pomijalnie mała (1 10 -7 K lub -272°C). Temperatura kwantowych czarnych dziur może dochodzić do około 10 12 K, a przy ich szybkim parowaniu (około 1,5 min.) takie czarne dziury 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 obecnie w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Ponadto takie zjawiska nigdy nie zostały zaobserwowane przez astronomów.
Z czego składa się CHD?
Kolejne pytanie niepokoi zarówno naukowców, jak i tych, którzy po prostu pasjonują się astrofizyką - z czego składa się czarna dziura? Nie ma jednej odpowiedzi na to pytanie, ponieważ nie można spojrzeć poza horyzont zdarzeń otaczający jakąkolwiek czarną dziurę. Ponadto, jak wspomniano wcześniej, teoretyczne modele czarnej dziury uwzględniają tylko 3 jej elementy: 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 gaz kosmiczny. Horyzont zdarzeń to tylko cienka domyślna granica, po przekroczeniu której te same ciała kosmiczne są nieodwołalnie przyciągane w kierunku ostatniego głównego składnika czarnej dziury – osobliwości. Natura osobliwości nie była dziś badana i jest zbyt wcześnie, aby mówić o jej składzie.
Według niektórych założeń czarna dziura może składać się z neutronów. Jeśli prześledzimy scenariusz wystąpienia czarnej dziury w wyniku kompresji gwiazdy do gwiazdy neutronowej z jej późniejszą kompresją, to prawdopodobnie główna część czarnej dziury składa się z neutronów, z których gwiazda neutronowa samo się składa. Mówiąc prościej: kiedy gwiazda się zapada, jej atomy są ściskane w taki sposób, że elektrony łączą się z protonami, tworząc w ten sposób neutrony. Taka reakcja rzeczywiście zachodzi w przyrodzie, wraz z powstaniem neutronu następuje emisja neutrin. Są to jednak tylko domysły.
Co się stanie, jeśli wpadniesz do czarnej dziury?
Wpadnięcie do astrofizycznej czarnej dziury prowadzi do rozciągnięcia ciała. Rozważmy hipotetycznego astronautę-samobójcę, który zmierza do czarnej dziury, mając na sobie tylko skafander kosmiczny, stopami do przodu. Przekraczając horyzont zdarzeń, astronauta nie zauważy żadnych zmian, mimo że nie ma już możliwości powrotu. W pewnym momencie astronauta dotrze do punktu (nieco za horyzontem zdarzeń), w którym zacznie dochodzić do deformacji jego ciała. Ponieważ pole grawitacyjne czarnej dziury jest niejednorodne i jest reprezentowane przez gradient siły rosnący w kierunku środka, nogi astronauty będą poddane zauważalnie większemu efektowi grawitacyjnemu niż np. głowa. Wtedy, z powodu grawitacji, a raczej sił pływowych, nogi będą „opadać” szybciej. W ten sposób ciało zaczyna stopniowo rozciągać się na długość. Aby opisać to zjawisko, astrofizycy wymyślili dość kreatywne określenie - spaghettyfikacja. Dalsze rozciąganie ciała prawdopodobnie rozłoży je na atomy, które prędzej czy później osiągną osobliwość. Można tylko zgadywać, jak dana osoba będzie się czuć w tej sytuacji. Warto zauważyć, że efekt rozciągania ciała jest odwrotnie proporcjonalny do masy czarnej dziury. Oznacza to, że jeśli BH o masie trzech Słońc natychmiast rozciągnie/złamie ciało, wówczas supermasywna czarna dziura będzie miała mniejsze siły pływowe i istnieją sugestie, że niektóre materiały fizyczne mogłyby „tolerować” takie odkształcenie bez utraty swojej struktury.
Jak wiadomo, w pobliżu masywnych obiektów czas płynie wolniej, co oznacza, że dla astronauty-samobójcy czas będzie płynął znacznie wolniej niż dla Ziemian. W takim razie być może przeżyje nie tylko swoich przyjaciół, ale i samą Ziemię. Konieczne będą obliczenia, aby określić, o ile czasu zwolni astronauta, ale z powyższego można założyć, że astronauta będzie wpadał do czarnej dziury bardzo powoli i może po prostu nie dożyć momentu, w którym jego ciało zacznie się deformować .
Warto zauważyć, że dla obserwatora z zewnątrz wszystkie ciała, które przeleciały do horyzontu zdarzeń, pozostaną na krawędzi tego horyzontu, dopóki ich obraz nie zniknie. Przyczyną tego zjawiska jest grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni. Upraszczając nieco, możemy powiedzieć, że światło padające na ciało astronauty-samobójcy „zamrożone” na horyzoncie zdarzeń zmieni swoją częstotliwość ze względu na spowolnienie czasu. W miarę upływu czasu częstotliwość światła będzie się zmniejszać, a długość fali będzie rosła. W wyniku tego zjawiska na wyjściu, czyli dla zewnętrznego obserwatora, światło będzie stopniowo przesuwać się w kierunku niskiej częstotliwości - czerwonej. Nastąpi przesunięcie światła wzdłuż widma, w miarę jak astronauta-samobójca oddala się coraz bardziej od obserwatora, choć niemal niezauważalnie, a jego czas płynie coraz wolniej. W ten sposób światło odbite od jego ciała wkrótce wyjdzie poza widmo widzialne (obraz zniknie), aw przyszłości ciało astronauty będzie można wykryć tylko w obszarze podczerwieni, później w obszarze częstotliwości radiowych, w wyniku czego promieniowanie będzie całkowicie nieuchwytne.
Wbrew temu, co napisano powyżej, przyjmuje 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 zasadne pytanie - dokąd prowadzi czarna dziura? Odpowiedź na to pytanie może dać praca niektórych naukowców, łącząca dwa takie zjawiska, jak tunele czasoprzestrzenne i czarne dziury.
Już w 1935 roku Albert Einstein i Nathan Rosen, biorąc pod uwagę, wysunęli hipotezę o istnieniu tzw. lub tunel czasoprzestrzenny. Do tak potężnej krzywizny przestrzeni potrzebne będą ciała o gigantycznej masie, z rolą których doskonale poradziłyby sobie czarne dziury.
Most Einsteina-Rosena jest uważany za nieprzenikniony 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, które wpadły do czarnej dziury. Biała dziura jest opisana w ramach ogólnej teorii względności, ale dziś pozostaje hipotetyczna i nie została odkryta. Inny model tunelu czasoprzestrzennego zaproponowali amerykańscy naukowcy Kip Thorne i jego doktorant Mike Morris, który może być znośny. Jednak, podobnie jak w przypadku tunelu czasoprzestrzennego Morrisa-Thorna, a także w przypadku czarnych i białych dziur, możliwość podróżowania wymaga istnienia tzw. materii egzotycznej, która ma ujemną energię i również pozostaje hipotetyczna.
Czarne dziury we wszechświecie
Istnienie czarnych dziur zostało potwierdzone stosunkowo niedawno (wrzesień 2015 r.), ale wcześniej było już sporo materiału teoretycznego na temat natury czarnych dziur, a także wiele obiektów kandydujących do roli czarnej dziury. Przede wszystkim należy wziąć pod uwagę wymiary czarnej dziury, ponieważ od nich zależy sama natura 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 to 2,5 - 3 masy Słońca.
- Czarne dziury o masie pośredniej. Warunkowy pośredni typ czarnych dziur, który zwiększył się w wyniku pochłaniania pobliskich obiektów, takich jak nagromadzenie gazu, sąsiednia gwiazda (w układach dwóch gwiazd) i inne ciała kosmiczne.
- Wielka czarna dziura. Zwarte obiekty o masie 10 5 -10 10 mas Słońca. Charakterystycznymi właściwościami takich BH są paradoksalnie niska gęstość, a także słabe siły pływowe, które zostały omówione wcześniej. To ta supermasywna czarna dziura w centrum naszej Drogi Mlecznej (Sagittarius A*, Sgr A*), jak również większość innych galaktyk.
Kandydaci na CHD
Najbliższa czarna dziura, a raczej kandydatka do roli czarnej dziury, to 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 niewidocznego małego ciała, którego masa wynosi 3-5 mas Słońca. Jeśli ten obiekt okaże się małą czarną dziurą o masie gwiazdowej, to zgodnie z prawem będzie to najbliższa czarna dziura.
Po tym obiekcie drugą najbliższą czarną dziurą jest Cyg X-1 (Cyg X-1), która była pierwszym kandydatem do roli czarnej dziury. Odległość do niego wynosi około 6070 lat świetlnych. Dość dobrze zbadany: ma masę 14,8 masy Słońca i promień horyzontu zdarzeń około 26 km.
Według niektórych źródeł kolejnym najbliższym kandydatem do roli czarnej dziury może być ciało w układzie gwiezdnym V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), które według szacunków w 1999 roku znajdowało się w odległości 1600 lat świetlnych. Jednak kolejne badania zwiększyły ten dystans co najmniej 15-krotnie.
Ile czarnych dziur jest w naszej galaktyce?
Nie ma dokładnej odpowiedzi na to pytanie, ponieważ obserwacja ich jest dość trudna, a podczas całego badania nieba naukowcom udało się wykryć około tuzina czarnych dziur w Drodze Mlecznej. Nie wdając 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 rejestrować ogromne czarne dziury, logiczne jest założenie, że większość BH w naszej galaktyce nie jest supermasywna. Warto zauważyć, że badania NASA z 2005 roku sugerują obecność całego roju czarnych dziur (10-20 tysięcy) krążących wokół centrum galaktyki. Ponadto w 2016 roku japońscy astrofizycy odkryli w pobliżu obiektu * masywnego satelitę - czarną dziurę, jądro 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 10 6 mas Słońca oraz promień 0,00071 lat świetlnych (6,25 godziny świetlnej lub 6,75 miliarda km). Temperatura Strzelca A* wraz z otaczającą go gromadą wynosi około 1 10 7 K.
Największa czarna dziura
Największą czarną dziurą we wszechświecie, jaką udało się wykryć naukowcom, jest supermasywna czarna dziura, blazar FSRQ, znajdująca się w centrum galaktyki S5 0014+81, w odległości 1,2·10 10 lat świetlnych od Ziemi. Według wstępnych wyników obserwacji, przy użyciu obserwatorium kosmicznego Swift, masa czarnej dziury wynosiła 40 miliardów (40 10 9) mas Słońca, a promień Schwarzschilda takiej dziury wynosił 118,35 miliarda kilometrów (0,013 lat świetlnych). Ponadto, według obliczeń, powstał 12,1 miliarda lat temu (1,6 miliarda lat po Wielkim Wybuchu). Jeśli ta gigantyczna czarna dziura nie wchłonie otaczającej ją materii, to dożyje ery czarnych dziur – jednej z er w rozwoju Wszechświata, podczas której będą w niej dominować czarne dziury. Jeśli jądro galaktyki S5 0014+81 będzie nadal rosło, stanie się jedną z ostatnich czarnych dziur, jakie będą istnieć we wszechświecie.
Pozostałe dwie znane czarne dziury, choć nie nazwane, mają największe znaczenie dla badania czarnych dziur, ponieważ potwierdziły eksperymentalnie ich istnienie, a także dały ważne wyniki w badaniu grawitacji. Mowa o zdarzeniu GW150914, które nosi nazwę zderzenia dwóch czarnych dziur w jedną. To wydarzenie umożliwiło rejestrację .
Wykrywanie czarnych dziur
Przed rozważeniem metod wykrywania czarnych dziur należy odpowiedzieć sobie na pytanie - dlaczego czarna dziura jest czarna? - odpowiedź na nie nie wymaga głębokiej wiedzy z zakresu astrofizyki i kosmologii. Faktem jest, że czarna dziura pochłania całe padające na nią promieniowanie i wcale nie promieniuje, jeśli nie weźmie się pod uwagę hipotezy. Jeśli rozważymy to zjawisko bardziej szczegółowo, możemy założyć, że wewnątrz czarnych dziur nie zachodzą żadne procesy prowadzące do uwolnienia energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Następnie, jeśli czarna dziura promieniuje, to znajduje się w widmie Hawkinga (które pokrywa się z widmem ogrzanego, absolutnie czarnego ciała). Jednak, jak wspomniano wcześniej, promieniowania tego nie wykryto, co sugeruje zupełnie niską temperaturę czarnych dziur.
Inna ogólnie przyjęta teoria mówi, że promieniowanie elektromagnetyczne w ogóle nie jest w stanie opuścić horyzontu zdarzeń. Najprawdopodobniej fotony (cząsteczki światła) nie są przyciągane przez masywne obiekty, ponieważ zgodnie z teorią same nie mają masy. Jednak czarna dziura nadal „przyciąga” fotony światła poprzez zniekształcenie czasoprzestrzeni. Jeśli wyobrażamy sobie czarną dziurę w przestrzeni jako rodzaj zagłębienia na gładkiej powierzchni czasoprzestrzeni, to od centrum czarnej dziury dzieli nas pewna odległość, przy której światło nie będzie już mogło się od niej oddalić . To znaczy, z grubsza mówiąc, światło zaczyna „wpadać” do „dołu”, które nie ma nawet „dna”.
Ponadto, jeśli weźmiemy pod uwagę efekt grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni, możliwe jest, że światło w czarnej dziurze traci swoją częstotliwość, przesuwając się wzdłuż widma do obszaru promieniowania długofalowego o niskiej częstotliwości, aż do całkowitej utraty energii.
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 metod wymienionych powyżej, naukowcy często kojarzą obiekty takie jak czarne dziury i. Kwazary to niektóre gromady ciał kosmicznych i gazów, które należą do najjaśniejszych obiektów astronomicznych we Wszechświecie. Ponieważ mają one wysoką intensywność luminescencji przy stosunkowo małych rozmiarach, istnieją powody, by sądzić, że centrum tych obiektów jest supermasywną czarną dziurą, która przyciąga do siebie otaczającą materię. Dzięki tak silnemu przyciąganiu grawitacyjnemu przyciągana materia jest tak nagrzana, że intensywnie promieniuje. Wykrywanie takich obiektów porównuje się zwykle z wykrywaniem czarnej dziury. Czasami kwazary mogą emitować strumienie ogrzanej plazmy w dwóch kierunkach - strumienie relatywistyczne. Powody pojawienia się takich dżetów (dżetów) nie są do końca jasne, ale prawdopodobnie są one spowodowane oddziaływaniem pól magnetycznych BH i dysku akrecyjnego i nie są emitowane bezpośrednio przez czarną dziurę.
Dżet w galaktyce M87 uderzający z centrum czarnej dziury
Podsumowując powyższe, można sobie wyobrazić z bliska: jest to sferyczny czarny obiekt, wokół którego obraca się silnie nagrzana materia, tworząc świetlisty dysk akrecyjny.
Łączenie się i zderzanie czarnych dziur
Jednym z najciekawszych zjawisk w astrofizyce jest zderzenie czarnych dziur, które również umożliwia wykrywanie tak masywnych ciał astronomicznych. Takie procesy interesują nie tylko astrofizyków, ponieważ skutkują zjawiskami słabo zbadanymi przez fizyków. Najwyraźniejszym przykładem jest wspomniane wcześniej zdarzenie o nazwie GW150914, kiedy to dwie czarne dziury zbliżyły się tak bardzo, że w wyniku wzajemnego przyciągania grawitacyjnego połączyły się w jedną. Ważną konsekwencją tego zderzenia było pojawienie się fal grawitacyjnych.
Zgodnie z definicją fal grawitacyjnych są to zmiany pola grawitacyjnego, które rozchodzą się falowo od masywnych poruszających się obiektów. Kiedy dwa takie obiekty zbliżają się do siebie, zaczynają obracać się wokół wspólnego środka ciężkości. Gdy zbliżają się do siebie, zwiększa się ich obrót wokół własnej osi. Takie zmienne oscylacje pola grawitacyjnego w pewnym momencie mogą utworzyć jedną potężną falę grawitacyjną, która może rozprzestrzeniać się w przestrzeni na miliony lat świetlnych. Tak więc w odległości 1,3 miliarda lat świetlnych doszło do zderzenia dwóch czarnych dziur, w wyniku którego powstała potężna fala grawitacyjna, 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, musiałaby stracić całą swoją masę. Jednak zgodnie z jej definicją nic nie może opuścić czarnej dziury, jeśli przekroczyło jej horyzont zdarzeń. Wiadomo, że po raz pierwszy radziecki fizyk teoretyczny Władimir Gribow wspomniał o możliwości emisji cząstek przez czarną dziurę w rozmowie z innym sowieckim naukowcem Jakowem Zeldowiczem. Przekonywał, że z punktu widzenia mechaniki kwantowej czarna dziura jest w stanie emitować cząstki poprzez efekt tunelowy. Później, przy pomocy mechaniki kwantowej, zbudował własną, nieco inną teorię, angielski fizyk teoretyczny Stephen Hawking. Możesz przeczytać więcej o tym zjawisku. Krótko mówiąc, w próżni istnieją tak zwane cząstki wirtualne, które nieustannie rodzą się parami i unicestwiają się nawzajem, nie wchodząc w interakcje ze światem zewnętrznym. Ale jeśli takie pary pojawią się na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury, to hipotetycznie silna grawitacja jest w stanie je rozdzielić, przy czym jedna cząsteczka wpadnie do czarnej dziury, a druga od niej odleci. A ponieważ można zaobserwować cząstkę, która odleciała z dziury, a zatem ma 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 masy jej promieniowanie staje się bardziej intensywne. Następnie w końcowej fazie istnienia czarnej dziury, kiedy można ją zredukować do rozmiarów czarnej dziury kwantowej, wyzwoli ona ogromną ilość energii w postaci promieniowania, które może być równoważne tysiącom, a nawet miliony bomb atomowych. To wydarzenie przypomina nieco wybuch czarnej dziury, jak ta sama bomba. Według obliczeń pierwotne czarne dziury mogły powstać w wyniku Wielkiego Wybuchu, a te z nich, których masa jest rzędu 10 12 kg, powinny wyparować i eksplodować mniej więcej w naszych czasach. Tak czy inaczej, astronomowie nigdy nie widzieli takich eksplozji.
Pomimo zaproponowanego przez Hawkinga mechanizmu niszczenia czarnych dziur, właściwości promieniowania Hawkinga powodują paradoks w ramach mechaniki kwantowej. Jeżeli czarna dziura wchłonie jakieś ciało, a następnie straci masę wynikającą z wchłonięcia tego ciała, to niezależnie od natury ciała, czarna dziura nie będzie się różnić od tego, czym była przed wchłonięciem ciała. W takim przypadku informacja o ciele zostaje bezpowrotnie utracona. Z punktu widzenia obliczeń teoretycznych przemiana początkowego stanu czystego w wynikowy stan mieszany („termiczny”) nie odpowiada aktualnej teorii mechaniki kwantowej. Ten paradoks jest czasem nazywany znikaniem informacji w czarnej dziurze. Prawdziwego rozwiązania tego paradoksu nigdy nie znaleziono. Znane opcje rozwiązania paradoksu:
- Niespójność teorii Hawkinga. Pociąga to za sobą niemożność zniszczenia czarnej dziury i jej ciągłego wzrostu.
- Obecność białych dziur. W takim przypadku pochłonięta informacja nie znika, ale jest po prostu wyrzucana do innego Wszechświata.
- Niespójność ogólnie przyjętej teorii mechaniki kwantowej.
Nierozwiązany problem fizyki czarnych dziur
Sądząc po wszystkim, co zostało opisane wcześniej, czarne dziury, mimo że były badane przez stosunkowo długi czas, wciąż mają wiele cech, których mechanizmy wciąż nie są znane naukowcom.
- W 1970 roku angielski naukowiec sformułował tzw. „zasada kosmicznej cenzury” – „Natura nie znosi nagiej osobliwości”. Oznacza to, że osobliwość powstaje tylko w miejscach niewidocznych, takich jak centrum czarnej dziury. Jednak ta zasada nie została jeszcze udowodniona. Istnieją również obliczenia teoretyczne, według których może wystąpić „naga” osobliwość.
- Nie udowodniono również „twierdzenia o braku włosów”, zgodnie z którym czarne dziury mają tylko trzy parametry.
- Kompletna teoria magnetosfery czarnej dziury nie została opracowana.
- Natura i fizyka osobliwości grawitacyjnej nie zostały zbadane.
- Nie wiadomo na pewno, co dzieje się na końcowym etapie istnienia czarnej dziury i co pozostaje po jej kwantowym rozpadzie.
Ciekawe fakty o czarnych dziurach
Podsumowując powyższe, możemy wyróżnić kilka interesujących i niezwykłych cech natury czarnych dziur:
- Czarne dziury mają tylko trzy parametry: masę, ładunek elektryczny i moment pędu. W wyniku tak małej liczby cech tego ciała, twierdzenie to stwierdzające nazywane jest "twierdzeniem o braku włosów". Stąd też wzięło się powiedzenie „czarna dziura nie ma włosów”, co oznacza, że dwie czarne dziury są absolutnie identyczne, ich trzy wymienione parametry są takie same.
- Gęstość czarnych dziur może być mniejsza niż gęstość powietrza, a temperatura jest bliska zeru absolutnemu. Na tej podstawie możemy założyć, że powstanie czarnej dziury nie następuje w wyniku kompresji materii, ale w wyniku nagromadzenia dużej ilości materii w określonej objętości.
- Czas dla ciał pochłoniętych przez czarne dziury płynie znacznie wolniej niż dla zewnętrznego obserwatora. Ponadto zaabsorbowane ciała są znacznie rozciągnięte wewnątrz czarnej dziury, co naukowcy nazwali spaghetyfikacją.
- W naszej galaktyce może być około miliona czarnych dziur.
- Prawdopodobnie w centrum każdej galaktyki znajduje się supermasywna czarna dziura.
- W przyszłości, zgodnie z modelem teoretycznym, Wszechświat wejdzie w tzw. erę czarnych dziur, kiedy to czarne dziury staną się ciałami dominującymi we Wszechświecie.
Ze wszystkich znanych ludzkości obiektów znajdujących się w przestrzeni kosmicznej czarne dziury wywołują najstraszniejsze i niezrozumiałe wrażenie. To uczucie obejmuje prawie każdą osobę na wzmiankę o czarnych dziurach, mimo że ludzkość zdała sobie z nich sprawę od ponad półtora wieku. Pierwszą wiedzę o tych zjawiskach uzyskano na długo przed publikacjami Einsteina na temat teorii względności. Ale prawdziwe potwierdzenie istnienia tych obiektów uzyskano nie tak dawno temu.
Oczywiście czarne dziury słusznie słyną ze swoich dziwnych właściwości fizycznych, które dają początek jeszcze większej liczbie tajemnic we wszechświecie. Z łatwością przeciwstawiają się wszystkim kosmicznym prawom fizyki i kosmicznej mechaniki. Aby zrozumieć wszystkie szczegóły i zasady istnienia takiego zjawiska jak dziura kosmiczna, musimy zapoznać się ze współczesnymi osiągnięciami astronomii i zastosować fantazję, dodatkowo będziemy musieli wyjść poza standardowe koncepcje. Dla łatwiejszego zrozumienia i zapoznania się z kosmicznymi dziurami portal przygotował wiele ciekawych informacji, które odnoszą się do tych zjawisk we Wszechświecie.
Cechy czarnych dziur ze strony portalu
Przede wszystkim należy zauważyć, że czarne dziury nie biorą się znikąd, powstają z gwiazd o gigantycznych rozmiarach i masach. Ponadto największą cechą i wyjątkowością każdej czarnej dziury jest to, że mają one bardzo silne przyciąganie grawitacyjne. Siła przyciągania obiektów do czarnej dziury przekracza drugą prędkość kosmiczną. Takie wskaźniki grawitacji wskazują, że nawet promienie światła nie mogą uciec z pola działania czarnej dziury, ponieważ mają znacznie mniejszą prędkość.
Cechę przyciągania można nazwać faktem, że przyciąga wszystkie obiekty znajdujące się w pobliżu. Im większy obiekt przechodzi w pobliżu czarnej dziury, tym większy wpływ i przyciąganie otrzyma. W związku z tym możemy stwierdzić, że im większy obiekt, tym silniej przyciąga go czarna dziura, a aby uniknąć takiego wpływu, ciało kosmiczne musi mieć bardzo szybkie wskaźniki ruchu.
Można również śmiało powiedzieć, że w całym Wszechświecie nie ma takiego ciała, które mogłoby uniknąć przyciągania czarnej dziury, znajdującej się w bliskiej odległości, ponieważ nawet najszybszy strumień światła nie może uniknąć tego wpływu. Teoria względności Einsteina doskonale nadaje się do zrozumienia cech czarnych dziur. Zgodnie z tą teorią grawitacja może wpływać na zniekształcenie czasu i przestrzeni. Mówi też, że im większy obiekt w przestrzeni kosmicznej, tym bardziej spowalnia czas. W pobliżu samej czarnej dziury czas wydaje się całkowicie zatrzymać. Kiedy statek kosmiczny wchodzi w pole działania dziury kosmicznej, można zaobserwować, jak zwalnia, gdy się zbliża, i ostatecznie całkowicie znika.
Nie należy bardzo bać się zjawisk takich jak czarne dziury i wierzyć we wszystkie nienaukowe informacje, które mogą istnieć w tej chwili. Przede wszystkim musimy obalić najpopularniejszy mit, że czarne dziury mogą zasysać całą otaczającą je materię i obiekty, przez co rosną i pochłaniają coraz więcej. Wszystko to nie jest do końca prawdą. Tak, rzeczywiście, mogą pochłaniać kosmiczne ciała i materię, ale tylko te, które znajdują się w pewnej odległości od samej dziury. Poza potężną grawitacją niewiele różnią się od zwykłych gwiazd o gigantycznej masie. Nawet gdy nasze Słońce zamieni się w czarną dziurę, będzie w stanie przyciągać tylko obiekty znajdujące się w niewielkiej odległości, a wszystkie planety będą nadal obracać się po swoich zwykłych orbitach.
Odwołując się do teorii względności, możemy stwierdzić, że wszystkie obiekty o silnej grawitacji mogą wpływać na zakrzywienie czasu i przestrzeni. Ponadto im większa masa ciała, tym silniejsze zniekształcenie. Tak więc całkiem niedawno naukowcom udało się to zobaczyć w praktyce, kiedy można było kontemplować inne obiekty, które powinny być niedostępne dla naszych oczu z powodu ogromnych ciał kosmicznych, takich jak galaktyki czy czarne dziury. Wszystko to jest możliwe dzięki temu, że promienie świetlne przechodzące w pobliżu czarnej dziury lub innego ciała są bardzo silnie zakrzywiane pod wpływem grawitacji. Ten rodzaj zniekształceń pozwala naukowcom zajrzeć znacznie dalej w przestrzeń kosmiczną. Ale przy takich badaniach bardzo trudno jest określić rzeczywistą lokalizację badanego ciała.
Czarne dziury nie pojawiają się znikąd, powstają w wyniku eksplozji supermasywnych gwiazd. Co więcej, aby powstała czarna dziura, masa eksplodującej gwiazdy musi być co najmniej dziesięciokrotnie większa od masy Słońca. Każda gwiazda istnieje dzięki reakcjom termojądrowym zachodzącym wewnątrz gwiazdy. W tym przypadku stop wodoru jest uwalniany podczas procesu syntezy jądrowej, ale nie może opuścić strefy wpływu gwiazdy, ponieważ jego grawitacja przyciąga wodór z powrotem. Cały ten proces pozwala gwiazdom istnieć. Synteza wodoru i grawitacja gwiazdy to dobrze ugruntowane mechanizmy, ale naruszenie tej równowagi może doprowadzić do eksplozji gwiazdy. W większości przypadków jest to spowodowane wyczerpaniem się paliwa jądrowego.
W zależności od masy gwiazdy możliwych jest kilka scenariuszy ich rozwoju po wybuchu. Tak więc masywne gwiazdy tworzą pole wybuchu supernowej, a większość z nich pozostaje za jądrem byłej gwiazdy, astronauci nazywają takie obiekty Białymi Karłami. W większości przypadków wokół tych ciał tworzy się chmura gazu, która jest utrzymywana przez grawitację tego karła. Możliwy jest też inny sposób rozwoju gwiazd supermasywnych, w którym powstająca czarna dziura bardzo silnie przyciągnie całą materię gwiazdy do swojego centrum, co doprowadzi do jej silnej kompresji.
Takie skompresowane ciała nazywane są gwiazdami neutronowymi. W najrzadszych przypadkach, po eksplozji gwiazdy, możliwe jest powstanie czarnej dziury w naszym rozumieniu tego zjawiska. Ale żeby powstała dziura, masa gwiazdy musi być po prostu gigantyczna. W tym przypadku, gdy równowaga reakcji jądrowych zostaje zakłócona, grawitacja gwiazdy po prostu szaleje. Jednocześnie zaczyna się aktywnie zapadać, po czym staje się tylko punktem w przestrzeni. Innymi słowy, możemy powiedzieć, że gwiazda jako obiekt fizyczny przestaje istnieć. Pomimo tego, że znika, za nim tworzy się czarna dziura o tej samej grawitacji i masie.
To właśnie zapadanie się gwiazd prowadzi do tego, że całkowicie znikają, a na ich miejscu powstaje czarna dziura o takich samych właściwościach fizycznych jak zaginiona gwiazda. Różnica polega tylko na większym stopniu kompresji dziury niż była objętość gwiazdy. Najważniejszą cechą wszystkich czarnych dziur jest ich osobliwość, która określa ich centrum. Obszar ten przeciwstawia się wszelkim prawom fizyki, materii i przestrzeni, które przestają istnieć. Aby zrozumieć pojęcie osobliwości, możemy powiedzieć, że jest to bariera, którą nazywamy horyzontem wydarzeń kosmicznych. Jest to również zewnętrzna granica czarnej dziury. Osobliwość można nazwać punktem bez powrotu, ponieważ to tam zaczyna działać gigantyczna siła grawitacji dziury. Nawet światło, które przekracza tę barierę, nie jest w stanie uciec.
Horyzont zdarzeń ma tak atrakcyjny efekt, że przyciąga wszystkie ciała z prędkością światła, wraz ze zbliżaniem się do samej czarnej dziury wskaźniki prędkości rosną jeszcze bardziej. Dlatego wszystkie przedmioty, które wpadną w strefę działania tej siły, są skazane na wciągnięcie do dziury. Należy zauważyć, że takie siły są w stanie zmodyfikować ciało, które padło pod wpływem takiego przyciągania, po czym zostają rozciągnięte w cienki sznurek, a następnie całkowicie przestają istnieć w przestrzeni.
Odległość między horyzontem zdarzeń a osobliwością może być różna, przestrzeń ta nazywana jest promieniem Schwarzschilda. Dlatego im większy rozmiar czarnej dziury, tym większy będzie promień działania. Na przykład, możemy powiedzieć, że czarna dziura, która miałaby taką samą masę jak nasze Słońce, miałaby promień Schwarzschilda wynoszący trzy kilometry. W związku z tym duże czarne dziury mają większy promień działania.
Poszukiwanie czarnych dziur jest dość trudnym procesem, ponieważ światło nie może z nich uciec. Dlatego poszukiwania i definicje opierają się jedynie na pośrednich dowodach ich istnienia. Najprostszą metodą ich znajdowania, jaką stosują naukowcy, jest szukanie ich poprzez znajdowanie miejsc w ciemnej przestrzeni, jeśli mają dużą masę. W większości przypadków astronomowie mogą znaleźć czarne dziury w układach podwójnych gwiazd lub w centrach galaktyk.
Większość astronomów jest skłonna wierzyć, że w centrum naszej galaktyki znajduje się również superpotężna czarna dziura. To stwierdzenie nasuwa pytanie, czy ta dziura może pochłonąć wszystko w naszej galaktyce? W rzeczywistości jest to niemożliwe, ponieważ sama dziura ma taką samą masę jak gwiazdy, ponieważ jest zrobiona z gwiazdy. Co więcej, wszystkie obliczenia naukowców nie zapowiadają żadnych globalnych wydarzeń związanych z tym obiektem. Co więcej, przez miliardy lat ciała kosmiczne naszej galaktyki będą spokojnie obracać się wokół tej czarnej dziury bez żadnych zmian. Dowodem na istnienie dziury w centrum Drogi Mlecznej mogą być zarejestrowane przez naukowców fale rentgenowskie. A większość astronomów jest skłonna wierzyć, że czarne dziury aktywnie emitują je w dużych ilościach.
Dość często układy gwiezdne składające się z dwóch gwiazd są powszechne w naszej galaktyce i często jedna z nich może stać się czarną dziurą. W tej wersji czarna dziura pochłania wszystkie ciała na swojej drodze, a materia zaczyna się wokół niej obracać, dzięki czemu powstaje tzw. dysk przyspieszenia. Cechę można nazwać faktem, że zwiększa prędkość obrotową i zbliża się do środka. To materia, która wchodzi do środka czarnej dziury, emituje promieniowanie rentgenowskie, a sama materia ulega zniszczeniu.
Układy podwójne gwiazd są pierwszymi kandydatami do statusu czarnej dziury. W takich układach najłatwiej znaleźć czarną dziurę, ze względu na objętość widocznej gwiazdy można też obliczyć wskaźniki niewidzialnego gościa. Obecnie pierwszym kandydatem do statusu czarnej dziury może być gwiazda z gwiazdozbioru Łabędzia, która aktywnie emituje promieniowanie rentgenowskie.
Wyciągając wniosek z powyższego na temat czarnych dziur, możemy powiedzieć, że nie są one aż tak niebezpiecznym zjawiskiem, oczywiście w przypadku bliskiej odległości są najpotężniejszymi obiektami w przestrzeni kosmicznej ze względu na siłę grawitacji. Dlatego możemy powiedzieć, że nie różnią się one szczególnie od innych ciał, ich główną cechą jest silne pole grawitacyjne.
Jeśli chodzi o przeznaczenie czarnych dziur, zaproponowano ogromną liczbę teorii, wśród których były nawet absurdalne. Tak więc, według jednego z nich, naukowcy wierzyli, że czarne dziury mogą powodować powstawanie nowych galaktyk. Teoria ta opiera się na fakcie, że nasz świat jest dość sprzyjającym miejscem dla powstania życia, ale gdyby zmienił się jeden z czynników, życie byłoby niemożliwe. Z tego powodu osobliwość i osobliwości zmiany właściwości fizycznych czarnych dziur mogą dać początek zupełnie nowemu Wszechświatowi, który będzie znacznie różnił się od naszego. Ale to tylko teoria i raczej słaba ze względu na fakt, że nie ma dowodów na taki efekt czarnych dziur.
Jeśli chodzi o czarne dziury, to nie tylko mogą one pochłaniać materię, ale także odparowywać. Podobne zjawisko zostało udowodnione kilkadziesiąt lat temu. To parowanie może spowodować, że czarna dziura straci całą swoją masę, a następnie całkowicie zniknie.
To wszystko to najmniejsza informacja o czarnych dziurach, którą można znaleźć na stronie portalu. Mamy też ogromną ilość interesujących informacji o innych zjawiskach kosmicznych.
Data publikacji: 27.09.2012Większość ludzi ma niejasne lub błędne wyobrażenie o tym, czym są czarne dziury. Tymczasem są to takie globalne i potężne obiekty Wszechświata, w porównaniu z którymi nasza Planeta i całe nasze życie są niczym.
Istota
To obiekt kosmiczny, który ma tak ogromną grawitację, że pochłania wszystko, co mieści się w jego granicach. W rzeczywistości czarna dziura to obiekt, który nawet nie emituje światła i zakrzywia czasoprzestrzeń. Nawet czas płynie wolniej w pobliżu czarnych dziur.
W rzeczywistości istnienie czarnych dziur jest tylko teorią (i odrobiną praktyki). Naukowcy mają założenia i praktyczne doświadczenie, ale nie było jeszcze możliwości dokładnego zbadania czarnych dziur. Dlatego czarne dziury są warunkowo nazywane wszystkimi obiektami pasującymi do tego opisu. Czarne dziury są mało zbadane, dlatego wiele pytań pozostaje nierozwiązanych.
Każda czarna dziura ma horyzont zdarzeń - tę granicę, poza którą nic nie może się wydostać. Co więcej, im obiekt znajduje się bliżej czarnej dziury, tym wolniej się porusza.
Edukacja
Istnieje kilka rodzajów i sposobów powstawania czarnych dziur:
- powstawanie czarnych dziur w wyniku powstania wszechświata. Takie czarne dziury pojawiły się natychmiast po Wielkim Wybuchu.
- umierające gwiazdy. Kiedy gwiazda traci swoją energię i reakcje termojądrowe ustają, gwiazda zaczyna się kurczyć. W zależności od stopnia kompresji wyróżnia się gwiazdy neutronowe, białe karły, a właściwie czarne dziury.
- uzyskiwanie za pomocą eksperymentu. Na przykład w akceleratorze można stworzyć kwantową czarną dziurę.
Wersje
Wielu naukowców jest skłonnych wierzyć, że czarne dziury wyrzucają całą pochłoniętą materię gdzie indziej. Te. muszą istnieć „białe dziury”, które działają na innej zasadzie. Jeśli możesz dostać się do czarnej dziury, ale nie możesz się wydostać, to nie możesz dostać się do białej dziury. Głównym argumentem naukowców są ostre i potężne wybuchy energii rejestrowane w kosmosie.
Teoretycy strun na ogół stworzyli własny model czarnej dziury, który nie niszczy informacji. Ich teoria nazywa się „Fuzzball” – pozwala odpowiedzieć na pytania związane z osobliwością i znikaniem informacji.
Czym jest pojedynczość i zanikanie informacji? Osobliwość to punkt w przestrzeni charakteryzujący się nieskończonym ciśnieniem i gęstością. Wielu jest zdezorientowanych faktem osobliwości, ponieważ fizycy nie mogą pracować z liczbami nieskończonymi. Wielu jest przekonanych, że w czarnej dziurze istnieje osobliwość, ale jej właściwości są opisywane bardzo powierzchownie.
Mówiąc prościej, wszystkie problemy i nieporozumienia wynikają ze związku między mechaniką kwantową a grawitacją. Jak dotąd naukowcy nie mogą stworzyć teorii, która ich łączy. Dlatego są problemy z czarną dziurą. W końcu czarna dziura wydaje się niszczyć informacje, ale naruszane są podstawy mechaniki kwantowej. Chociaż całkiem niedawno wydawało się, że S. Hawking rozwiązał ten problem, stwierdzając, że informacje w czarnych dziurach nadal nie są niszczone.
stereotypy
Po pierwsze, czarne dziury nie mogą istnieć w nieskończoność. A wszystko dzięki odparowaniu Hawkinga. Dlatego nie należy myśleć, że czarne dziury prędzej czy później połkną Wszechświat.
Po drugie, nasze Słońce nie stanie się czarną dziurą. Ponieważ masa naszej gwiazdy nie wystarczy. Nasze Słońce jest bardziej prawdopodobne, że zamieni się w białego karła (i to nie jest fakt).
Po trzecie, Wielki Zderzacz Hadronów nie zniszczy naszej Ziemi tworząc czarną dziurę. Nawet jeśli celowo stworzą czarną dziurę i ją „uwolnią”, to ze względu na swoje niewielkie rozmiary pochłonie ona naszą planetę na bardzo, bardzo długi czas.
Po czwarte, nie myśl, że czarna dziura jest „dziurą” w przestrzeni. Czarna dziura to obiekt kulisty. Stąd większość opinii, że czarne dziury prowadzą do wszechświata równoległego. Jednak fakt ten nie został jeszcze udowodniony.
Po piąte, czarna dziura nie ma koloru. Jest wykrywany albo za pomocą promieni rentgenowskich, albo na tle innych galaktyk i gwiazd (efekt soczewki).
Ze względu na fakt, że ludzie często mylą czarne dziury z tunelami czasoprzestrzennymi (które faktycznie istnieją), pojęcia te nie są rozróżniane wśród zwykłych ludzi. Tunel czasoprzestrzenny naprawdę pozwala przenosić się w czasie i przestrzeni, ale na razie tylko w teorii.
Złożone rzeczy w prostych słowach
Trudno w prostych słowach opisać takie zjawisko jak czarna dziura. Jeśli uważasz się za technika zorientowanego w naukach ścisłych, radzę bezpośrednio czytać prace naukowców. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o tym zjawisku, przeczytaj pisma Stephena Hawkinga. Zrobił wiele dla nauki, a zwłaszcza w dziedzinie czarnych dziur. Jego imieniem nazwano parowanie czarnych dziur. Jest zwolennikiem podejścia pedagogicznego, dlatego wszystkie jego prace będą zrozumiałe nawet dla zwykłego człowieka.
Książki:
- Czarne dziury i młode wszechświaty, 1993.
- Świat w pigułce 2001.
- „Najkrótsza historia Wszechświata 2005” roku.
Szczególnie polecam jego filmy popularnonaukowe, które w zrozumiałym języku opowiedzą nie tylko o czarnych dziurach, ale ogólnie o Wszechświecie:
- „Wszechświat Stephena Hawkinga” – seria 6 odcinków.
- „W głąb wszechświata ze Stephenem Hawkingiem” – seria 3 odcinków.
Wszystkie te filmy zostały przetłumaczone na język rosyjski i często są pokazywane na kanałach Discovery.
Dziękuję za uwagę!
Najnowsze wskazówki dotyczące nauki i techniki:
Czy ta rada ci pomogła? Możesz pomóc projektowi, przekazując dowolną kwotę na jego rozwój. Na przykład 20 rubli. Albo więcej:)