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. egzotycznej materii, 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 z powodu absorpcji 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 ich obserwacja 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 z otaczającym światem. 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.

Data publikacji: 27.09.2012

Większość 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 za pomocą promieni rentgenowskich lub 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:)

Każda osoba, która ma styczność z astronomią, prędzej czy później odczuwa silną ciekawość najbardziej tajemniczych obiektów we wszechświecie – czarnych dziur. To prawdziwi władcy ciemności, zdolni "połknąć" każdy przechodzący w pobliżu atom i nie pozwalając nawet światłu uciec - ich przyciąganie jest tak potężne. Obiekty te stanowią prawdziwe wyzwanie dla fizyków i astronomów. Ci pierwsi wciąż nie mogą zrozumieć, co dzieje się z materią, która wpadła do wnętrza czarnej dziury, a drudzy, choć najbardziej energochłonne zjawiska kosmiczne tłumaczą istnieniem czarnych dziur, nigdy nie mieli okazji zaobserwować żadnego z nich bezpośrednio. Porozmawiamy o tych najciekawszych obiektach niebieskich, dowiemy się, co już zostało odkryte, a co pozostaje jeszcze do odkrycia, aby podnieść zasłonę tajemnicy.

Co to jest czarna dziura?

Nazwę „czarna dziura” (w języku angielskim – czarna dziura) zaproponował w 1967 roku amerykański fizyk teoretyczny John Archibald Wheeler (patrz zdjęcie po lewej). Służył do oznaczenia ciała niebieskiego, którego przyciąganie jest tak silne, że nawet światło nie puszcza samo siebie. Dlatego jest „czarny”, ponieważ nie emituje światła.

obserwacje pośrednie

To jest powód takiej tajemnicy: ponieważ czarne dziury nie świecą, nie możemy ich zobaczyć bezpośrednio i jesteśmy zmuszeni ich szukać i badać, używając jedynie pośrednich dowodów, które ich istnienie pozostawia w otaczającej przestrzeni. Innymi słowy, jeśli czarna dziura pochłonie gwiazdę, nie możemy zobaczyć czarnej dziury, ale możemy obserwować niszczycielskie skutki jej potężnego pola grawitacyjnego.

Intuicja Laplace'a

Pomimo faktu, że wyrażenie „czarna dziura” na określenie hipotetycznego końcowego etapu ewolucji gwiazdy, która zapadła się w sobie pod wpływem grawitacji, pojawiło się stosunkowo niedawno, idea możliwości istnienia takich ciał pojawiła się bardziej niż dwa wieki temu. Anglik John Michell i Francuz Pierre-Simon de Laplace niezależnie postawili hipotezę istnienia „niewidzialnych gwiazd”; podczas gdy były one oparte na zwykłych prawach dynamiki i prawie powszechnego ciążenia Newtona. Dziś czarne dziury otrzymały poprawny opis oparty na ogólnej teorii względności Einsteina.

W swojej pracy „Oświadczenie o systemie świata” (1796) Laplace napisał: „Jasna gwiazda o tej samej gęstości co Ziemia, o średnicy 250 razy większej niż średnica Słońca, ze względu na jej przyciąganie grawitacyjne, nie pozwoli, aby promienie światła do nas dotarły. Dlatego możliwe, że największe i najjaśniejsze ciała niebieskie są z tego powodu niewidoczne.

Niezwyciężona grawitacja

Pomysł Laplace'a opierał się na koncepcji prędkości ucieczki (druga prędkość kosmiczna). Czarna dziura jest tak gęstym obiektem, że jej przyciąganie jest w stanie zatrzymać nawet światło, które rozwija największą prędkość w przyrodzie (prawie 300 000 km/s). W praktyce, aby uciec z czarnej dziury, potrzebujesz prędkości większej niż prędkość światła, ale to jest niemożliwe!

Oznacza to, że gwiazda tego rodzaju byłaby niewidoczna, ponieważ nawet światło nie byłoby w stanie pokonać jej potężnej grawitacji. Einstein wyjaśnił ten fakt zjawiskiem ugięcia światła pod wpływem pola grawitacyjnego. W rzeczywistości w pobliżu czarnej dziury czasoprzestrzeń jest tak zakrzywiona, że ścieżki promieni świetlnych również zamykają się na sobie. Aby zamienić Słońce w czarną dziurę, będziemy musieli skoncentrować całą jego masę w kuli o promieniu 3 km, a Ziemia będzie musiała zamienić się w kulę o promieniu 9 mm!

Rodzaje czarnych dziur

Około dziesięć lat temu obserwacje sugerowały istnienie dwóch typów czarnych dziur: gwiezdnej, której masa jest porównywalna z masą Słońca lub nieco ją przewyższa, oraz supermasywnej, której masa wynosi od kilkuset tysięcy do wielu milionów mas Słońca. Jednak stosunkowo niedawno wysokiej rozdzielczości zdjęcia rentgenowskie i widma uzyskane ze sztucznych satelitów, takich jak Chandra i XMM-Newton, wydobyły na pierwszy plan trzeci rodzaj czarnych dziur - o średniej masie tysiące razy większej od masy Słońca .

gwiezdne czarne dziury

Gwiezdne czarne dziury stały się znane wcześniej niż inne. Powstają, gdy masywnej gwieździe na końcu swojej ścieżki ewolucyjnej zabraknie paliwa jądrowego i zapadnie się w sobie pod wpływem własnej grawitacji. Eksplozja niszcząca gwiazdy (znana jako „eksplozja supernowej”) ma katastrofalne skutki: jeśli jądro gwiazdy ma masę ponad 10 razy większą od masy Słońca, żadna siła jądrowa nie jest w stanie wytrzymać grawitacyjnego zapadnięcia się, które spowoduje pojawienie się czarna dziura.

Supermasywne czarne dziury

Supermasywne czarne dziury, po raz pierwszy zauważone w jądrach niektórych aktywnych galaktyk, mają inne pochodzenie. Istnieje kilka hipotez dotyczących ich narodzin: gwiezdna czarna dziura, która przez miliony lat pożera wszystkie otaczające ją gwiazdy; połączona gromada czarnych dziur; kolosalna chmura gazu zapadająca się bezpośrednio w czarną dziurę. Te czarne dziury należą do najbardziej energetycznych obiektów w kosmosie. Znajdują się one w centrach bardzo wielu galaktyk, jeśli nie wszystkich. Nasza Galaktyka też ma taką czarną dziurę. Czasami z powodu obecności takiej czarnej dziury jądra tych galaktyk stają się bardzo jasne. Galaktyki z czarnymi dziurami w centrum, otoczone dużą ilością spadającej materii, a zatem zdolne do wytwarzania ogromnych ilości energii, nazywane są „aktywnymi”, a ich jądra nazywane są „aktywnymi jądrami galaktycznymi” (AGN). Na przykład kwazary (najbardziej oddalone od nas obiekty kosmiczne dostępne dla naszej obserwacji) to aktywne galaktyki, w których widzimy tylko bardzo jasne jądro.

Średnie i „mini”

Kolejną tajemnicą pozostają czarne dziury o średniej masie, które według najnowszych badań mogą znajdować się w centrum niektórych gromad kulistych, takich jak M13 i NCC 6388. Wielu astronomów jest sceptycznie nastawionych do tych obiektów, ale niektóre ostatnie badania sugerują obecność czarne dziury średniej wielkości nawet niedaleko centrum naszej Galaktyki. Angielski fizyk Stephen Hawking wysunął również teoretyczne założenie o istnieniu czwartego typu czarnej dziury - „mini-dziury” o masie zaledwie miliarda ton (co jest w przybliżeniu równe masie dużej góry). Mówimy o obiektach pierwotnych, czyli takich, które pojawiły się w pierwszych chwilach życia Wszechświata, kiedy ciśnienie było jeszcze bardzo wysokie. Jednak do tej pory nie odkryto żadnego śladu ich istnienia.

Jak znaleźć czarną dziurę

Zaledwie kilka lat temu nad czarnymi dziurami zapaliło się światło. Dzięki stale ulepszanym instrumentom i technologiom (zarówno ziemskim, jak i kosmicznym) obiekty te stają się coraz mniej tajemnicze; dokładniej, otaczająca ich przestrzeń staje się mniej tajemnicza. Rzeczywiście, ponieważ sama czarna dziura jest niewidoczna, możemy ją rozpoznać tylko wtedy, gdy jest otoczona wystarczającą ilością materii (gwiazd i gorącego gazu) krążącej wokół niej w niewielkiej odległości.

Oglądanie podwójnych systemów

Niektóre gwiezdne czarne dziury zostały odkryte poprzez obserwację ruchu orbitalnego gwiazdy wokół niewidzialnego podwójnego towarzysza. Bliskie układy podwójne (czyli składające się z dwóch bardzo blisko siebie gwiazd), w których jeden z towarzyszy jest niewidoczny, są ulubionym obiektem obserwacji astrofizyków poszukujących czarnych dziur.

Oznaką obecności czarnej dziury (lub gwiazdy neutronowej) jest silna emisja promieniowania rentgenowskiego, spowodowana złożonym mechanizmem, który można schematycznie opisać w następujący sposób. Ze względu na potężną grawitację czarna dziura może wyrwać materię z gwiazdy towarzyszącej; gaz ten jest rozprowadzany w postaci płaskiego dysku i opada spiralnie do czarnej dziury. Tarcie powstałe w wyniku zderzeń cząstek opadającego gazu nagrzewa wewnętrzne warstwy dysku do kilku milionów stopni, co powoduje silną emisję promieniowania rentgenowskiego.

Obserwacje rentgenowskie

Prowadzone od kilkudziesięciu lat obserwacje w promieniowaniu rentgenowskim obiektów w naszej Galaktyce i sąsiednich galaktykach umożliwiły wykrycie zwartych źródeł podwójnych, z których kilkanaście to układy zawierające kandydatów na czarne dziury. Głównym problemem jest wyznaczenie masy niewidzialnego ciała niebieskiego. Wartość masy (choć niezbyt dokładną) można znaleźć badając ruch towarzysza lub, co jest znacznie trudniejsze, mierząc intensywność promieniowania rentgenowskiego padającej materii. Intensywność ta jest powiązana równaniem z masą ciała, na które ta substancja spada.

Laureat Nagrody Nobla

Coś podobnego można powiedzieć o supermasywnych czarnych dziurach obserwowanych w jądrach wielu galaktyk, których masy szacuje się mierząc prędkości orbitalne gazu wpadającego do czarnej dziury. W tym przypadku, wywołany silnym polem grawitacyjnym bardzo dużego obiektu, gwałtowny wzrost prędkości obłoków gazu krążących wokół centrum galaktyk ujawniają obserwacje w zakresie radiowym, a także w wiązkach optycznych. Obserwacje w zakresie rentgenowskim mogą potwierdzić zwiększone uwalnianie energii spowodowane opadaniem materii do czarnej dziury. Badania nad promieniowaniem rentgenowskim na początku lat 60. rozpoczął pracujący w USA Włoch Riccardo Giacconi. W 2002 roku otrzymał Nagrodę Nobla za „przełomowy wkład w astrofizykę, który doprowadził do odkrycia źródeł promieniowania rentgenowskiego w kosmosie”.

Cygnus X-1: pierwszy kandydat

Nasza Galaktyka nie jest odporna na obecność obiektów kandydujących na czarną dziurę. Na szczęście żaden z tych obiektów nie znajduje się na tyle blisko nas, aby stanowić zagrożenie dla istnienia Ziemi lub Układu Słonecznego. Pomimo dużej liczby odnotowanych kompaktowych źródeł promieniowania rentgenowskiego (a są to najbardziej prawdopodobni kandydaci do znalezienia tam czarnych dziur), nie jesteśmy pewni, czy faktycznie zawierają one czarne dziury. Jedynym spośród tych źródeł, które nie ma wersji alternatywnej, jest bliski układ podwójny Cygnus X-1, czyli najjaśniejsze źródło promieniowania rentgenowskiego w gwiazdozbiorze Łabędzia.

masywne gwiazdy

Układ ten, którego okres orbitalny wynosi 5,6 dnia, składa się z bardzo jasnej, niebieskiej gwiazdy o dużych rozmiarach (jej średnica jest 20 razy większa od Słońca, a masa około 30 razy większa), łatwej do odróżnienia nawet w teleskopie, oraz niewidzialna druga gwiazda, której masę szacuje się na kilka mas Słońca (do 10). Znajdująca się w odległości 6500 lat świetlnych od nas druga gwiazda byłaby doskonale widoczna, gdyby była zwykłą gwiazdą. Jego niewidzialność, potężne promieniowanie rentgenowskie układu, a wreszcie oszacowanie jego masy sprawiają, że większość astronomów uważa, że jest to pierwsze potwierdzone odkrycie gwiezdnej czarnej dziury.

Wątpienie

Jednak są też sceptycy. Wśród nich jest jeden z największych badaczy czarnych dziur, fizyk Stephen Hawking. Założył się nawet ze swoim amerykańskim kolegą Keelem Thorne, zdecydowanym zwolennikiem klasyfikacji Cygnus X-1 jako czarnej dziury.

Spór o naturę obiektu Cygnus X-1 to nie jedyny zakład Hawkinga. Poświęciwszy kilkadziesiąt lat na teoretyczne badania czarnych dziur, przekonał się o błędności swoich wcześniejszych wyobrażeń o tych tajemniczych obiektach.W szczególności Hawking zakładał, że materia po wpadnięciu do czarnej dziury znika na zawsze, a wraz z nią znika cały jej bagaż informacyjny . Był tego tak pewien, że założył się na ten temat w 1997 roku ze swoim amerykańskim kolegą Johnem Preskillem.

Przyznanie się do błędu

21 lipca 2004 r. w swoim przemówieniu na Kongresie Teorii Względności w Dublinie Hawking przyznał, że Preskill miał rację. Czarne dziury nie prowadzą do całkowitego zniknięcia materii. Ponadto mają pewien rodzaj „pamięci”. Wewnątrz nich mogą być przechowywane ślady tego, co wchłonęły. W ten sposób „odparowując” (czyli powoli emitując promieniowanie w wyniku efektu kwantowego) mogą zwrócić te informacje do naszego Wszechświata.

Czarne dziury w galaktyce

Astronomowie wciąż mają wiele wątpliwości co do obecności gwiazdowych czarnych dziur w naszej Galaktyce (jak ta należąca do układu podwójnego Cygnus X-1); ale jest znacznie mniej wątpliwości co do supermasywnych czarnych dziur.

W centrum

W naszej galaktyce jest co najmniej jedna supermasywna czarna dziura. Jego źródło, znane jako Sagittarius A*, znajduje się dokładnie w centrum płaszczyzny Drogi Mlecznej. Jego nazwę tłumaczy fakt, że jest to najpotężniejsze źródło radiowe w gwiazdozbiorze Strzelca. To właśnie w tym kierunku znajdują się zarówno geometryczne, jak i fizyczne centra naszego układu galaktycznego. Znajdująca się w odległości około 26 tysięcy lat świetlnych od nas supermasywna czarna dziura związana ze źródłem fal radiowych, Strzelcem A*, ma masę szacowaną na około 4 miliony mas Słońca, zawartą w przestrzeni, której objętość jest porównywalna do objętości Układu Słonecznego. Jego względna bliskość do nas (ta supermasywna czarna dziura jest bez wątpienia najbliższa Ziemi) spowodowała, że w ostatnich latach obiekt został poddany szczególnie dokładnej analizie przez obserwatorium kosmiczne Chandra. Okazało się w szczególności, że jest również potężnym źródłem promieniowania rentgenowskiego (ale nie tak potężnym jak źródła w aktywnych jądrach galaktyk). Strzelec A* może być uśpioną pozostałością tego, co było aktywnym rdzeniem naszej Galaktyki miliony lub miliardy lat temu.

Druga czarna dziura?

Jednak niektórzy astronomowie uważają, że w naszej galaktyce jest jeszcze jedna niespodzianka. Mówimy o drugiej czarnej dziurze o średniej masie, która trzyma razem gromadę młodych gwiazd i nie pozwala im wpaść do supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum samej Galaktyki. Jak to możliwe, że w odległości mniejszej niż rok świetlny od niej może znajdować się gromada gwiazd mająca zaledwie 10 milionów lat, czyli bardzo młoda według astronomicznych standardów? Zdaniem naukowców, odpowiedź leży w fakcie, że gromada nie narodziła się tam (środowisko wokół centralnej czarnej dziury jest zbyt nieprzyjazne dla formowania się gwiazd), ale została tam „wciągnięta” z powodu istnienia w środku drugiej czarnej dziury to, które ma masę wartości średnich.

Na orbicie

Poszczególne gwiazdy gromady, przyciągane przez supermasywną czarną dziurę, zaczęły przesuwać się w kierunku centrum galaktyki. Jednak zamiast rozproszyć się w przestrzeni, pozostają razem dzięki przyciąganiu drugiej czarnej dziury znajdującej się w centrum gromady. Masę tej czarnej dziury można oszacować na podstawie jej zdolności do utrzymywania całej gromady gwiazd „na smyczy”. Średniej wielkości czarna dziura wydaje się obracać wokół centralnej czarnej dziury za około 100 lat. Oznacza to, że wieloletnie obserwacje pozwolą nam to „zobaczyć”.

« Fantastyka naukowa może być przydatna – pobudza wyobraźnię i łagodzi lęk przed przyszłością. Jednak fakty naukowe mogą być znacznie bardziej uderzające. Fantastyka naukowa nawet nie przewidywała takich rzeczy jak czarne dziury.»
Stephena Hawkinga

W głębi wszechświata dla człowieka leżą niezliczone tajemnice i tajemnice. Jednym z nich są czarne dziury - obiekty, których nie są w stanie zrozumieć nawet największe umysły ludzkości. Setki astrofizyków próbują odkryć naturę czarnych dziur, ale na tym etapie nawet nie udowodniliśmy ich istnienia w praktyce.

Reżyserzy filmowi dedykują im swoje filmy, a wśród zwykłych ludzi czarne dziury stały się zjawiskiem na tyle kultowym, że utożsamiane są z końcem świata i nieuchronną śmiercią. Boją się ich i nienawidzą, ale jednocześnie są idolami i kłaniają się nieznanemu, w które obfitują te dziwne fragmenty Wszechświata. Zgadzam się, bycie połkniętym przez czarną dziurę to taki rodzaj romansu. Z ich pomocą jest to możliwe, a oni również mogą stać się dla nas przewodnikami w.

Żółta prasa często spekuluje na temat popularności czarnych dziur. Znalezienie nagłówków w gazetach związanych z końcem świata na planecie w wyniku kolejnego zderzenia z supermasywną czarną dziurą nie stanowi problemu. Znacznie gorsze jest to, że niepiśmienna część społeczeństwa traktuje wszystko poważnie i wywołuje prawdziwą panikę. Aby wprowadzić trochę jasności, udamy się w podróż do genezy odkrycia czarnych dziur i spróbujemy zrozumieć, co to jest i jak się do tego odnieść.

niewidzialne gwiazdy

Tak się złożyło, że współcześni fizycy opisują budowę naszego Wszechświata za pomocą teorii względności, którą Einstein starannie przekazał ludzkości na początku XX wieku. Tym bardziej tajemnicze są czarne dziury, na których horyzoncie zdarzeń przestają działać wszystkie znane nam prawa fizyki, w tym teoria Einsteina. Czy to nie wspaniałe? Ponadto przypuszczenie o istnieniu czarnych dziur zostało wyrażone na długo przed narodzinami samego Einsteina.

W 1783 roku nastąpił znaczny wzrost aktywności naukowej w Anglii. W tamtych czasach nauka szła ramię w ramię z religią, dobrze się ze sobą dogadywali, a naukowców nie uważano już za heretyków. Ponadto księża zajmowali się badaniami naukowymi. Jednym z takich sług Bożych był angielski pastor John Michell, który stawiał sobie nie tylko pytania życiowe, ale także całkiem naukowe zadania. Michell był bardzo utytułowanym naukowcem: początkowo był nauczycielem matematyki i lingwistyki starożytnej w jednej z uczelni, a potem został przyjęty do Royal Society of London za szereg odkryć.

John Michell zajmował się sejsmologią, ale w wolnych chwilach lubił rozmyślać o wieczności i kosmosie. W ten sposób wpadł na pomysł, że gdzieś w głębi Wszechświata mogą istnieć supermasywne ciała o tak potężnej grawitacji, że aby pokonać siłę grawitacji takiego ciała, trzeba poruszać się z prędkością równą lub większa od prędkości światła. Jeśli przyjmiemy taką teorię za prawdziwą, to nawet światło nie będzie w stanie rozwinąć drugiej prędkości kosmicznej (prędkości niezbędnej do pokonania przyciągania grawitacyjnego opuszczającego ciała), więc takie ciało pozostanie niewidoczne gołym okiem.

Michell nazwał swoją nową teorię „ciemnymi gwiazdami” i jednocześnie próbował obliczyć masę takich obiektów. Swoje przemyślenia na ten temat wyraził w liście otwartym do Royal Society of London. Niestety, w tamtych czasach takie badania nie miały szczególnej wartości dla nauki, dlatego list Michella trafił do archiwum. Zaledwie dwieście lat później, w drugiej połowie XX wieku, odnaleziono go wśród tysięcy innych dokumentów starannie przechowywanych w starożytnej bibliotece.

Pierwszy naukowy dowód na istnienie czarnych dziur

Po wydaniu Ogólnej Teorii Względności Einsteina matematycy i fizycy na poważnie zabrali się do rozwiązywania równań przedstawionych przez niemieckiego naukowca, które miały nam wiele powiedzieć o budowie Wszechświata. Niemiecki astronom, fizyk Karl Schwarzschild postanowił zrobić to samo w 1916 roku.

Naukowiec na podstawie swoich obliczeń doszedł do wniosku, że istnienie czarnych dziur jest możliwe. Jako pierwszy opisał też to, co później nazwano romantycznym zwrotem „horyzont zdarzeń” – wyimaginowaną granicę czasoprzestrzeni na czarnej dziurze, po przekroczeniu której następuje punkt bez powrotu. Nic nie umknie horyzontowi zdarzeń, nawet światło. To właśnie poza horyzontem zdarzeń pojawia się tzw. „osobliwość”, w której przestają działać znane nam prawa fizyki.

Kontynuując rozwijanie swojej teorii i rozwiązywanie równań, Schwarzschild odkrył dla siebie i świata nowe tajemnice czarnych dziur. Był więc w stanie obliczyć, wyłącznie na papierze, odległość od środka czarnej dziury, gdzie skupia się jej masa, do horyzontu zdarzeń. Schwarzschild nazwał tę odległość promieniem grawitacji.

Pomimo tego, że matematycznie rozwiązania Schwarzschilda były wyjątkowo poprawne i nie dawały się obalić, społeczność naukowa początku XX wieku nie mogła od razu zaakceptować tak szokującego odkrycia, a istnienie czarnych dziur spisano na straty jako fantazję, która od czasu do czasu objawiła się w teorii względności. Przez następne piętnaście lat badania przestrzeni pod kątem obecności czarnych dziur postępowały powoli i zajmowało się nimi tylko kilku zwolenników teorii niemieckiego fizyka.

Gwiazdy, które rodzą ciemność

Po rozebraniu równań Einsteina przyszedł czas na wykorzystanie wyciągniętych wniosków do zrozumienia struktury Wszechświata. W szczególności w teorii ewolucji gwiazd. Nie jest tajemnicą, że nic w naszym świecie nie trwa wiecznie. Nawet gwiazdy mają swój własny cykl życia, choć dłuższy niż człowiek.

Jednym z pierwszych naukowców, który poważnie zainteresował się ewolucją gwiazd, był pochodzący z Indii młody astrofizyk Subramanyan Chandrasekhar. W 1930 roku opublikował pracę naukową, w której opisał rzekomą wewnętrzną budowę gwiazd, a także ich cykle życia.

Już na początku XX wieku naukowcy domyślali się takiego zjawiska, jak skurcz grawitacyjny (zapaść grawitacyjna). W pewnym momencie swojego życia gwiazda zaczyna kurczyć się w ogromnym tempie pod wpływem sił grawitacyjnych. Z reguły dzieje się to w momencie śmierci gwiazdy, jednak przy zapaści grawitacyjnej istnieje kilka sposobów dalszego istnienia rozpalonej do czerwoności kuli.

Kierownik Chandrasekhara, Ralph Fowler, szanowany w swoim czasie fizyk teoretyczny, zasugerował, że podczas kolapsu grawitacyjnego każda gwiazda zamienia się w mniejszą i gorętszą - białego karła. Okazało się jednak, że uczeń „złamał” teorię nauczyciela, którą na początku ubiegłego wieku podzielała większość fizyków. Według pracy młodego Hindusa śmierć gwiazdy zależy od jej początkowej masy. Na przykład tylko te gwiazdy, których masa nie przekracza 1,44 masy Słońca, mogą stać się białymi karłami. Liczba ta została nazwana granicą Chandrasekhara. Jeśli masa gwiazdy przekroczyła tę granicę, umiera w zupełnie inny sposób. W pewnych warunkach taka gwiazda w chwili śmierci może odrodzić się w nową gwiazdę neutronową – kolejną zagadkę współczesnego Wszechświata. Z drugiej strony teoria względności podpowiada nam jeszcze jedną opcję - kompresję gwiazdy do bardzo małych wartości i tutaj zaczyna się najciekawsza.

W 1932 roku w jednym z czasopism naukowych ukazał się artykuł, w którym genialny fizyk z ZSRR Lev Landau zasugerował, że podczas kolapsu supermasywna gwiazda jest ściśnięta w punkt o nieskończenie małym promieniu i nieskończonej masie. Pomimo faktu, że takie wydarzenie jest bardzo trudne do wyobrażenia z punktu widzenia nieprzygotowanej osoby, Landau nie był daleki od prawdy. Fizyk zasugerował też, że zgodnie z teorią względności grawitacja w takim punkcie byłaby tak duża, że zaczęłaby zakrzywiać czasoprzestrzeń.

Astrofizykom podobała się teoria Landaua i nadal ją rozwijali. W 1939 roku w Ameryce, dzięki wysiłkom dwóch fizyków – Roberta Oppenheimera i Hartlanda Sneijdera – pojawiła się teoria szczegółowo opisująca supermasywną gwiazdę w momencie zapadnięcia się. W wyniku takiego zdarzenia powinna pojawić się prawdziwa czarna dziura. Pomimo przekonujących argumentów naukowcy nadal zaprzeczali możliwości istnienia takich ciał, a także przekształcania się w nie gwiazd. Nawet Einstein zdystansował się od tego pomysłu, uważając, że gwiazda nie jest zdolna do tak fenomenalnych przemian. Inni fizycy nie byli skąpi w swoich wypowiedziach, nazywając możliwość takich zdarzeń śmiesznością.
Jednak nauka zawsze dochodzi do prawdy, trzeba tylko trochę poczekać. I tak się stało.

Najjaśniejsze obiekty we wszechświecie

Nasz świat jest zbiorem paradoksów. Czasami współistnieją w nim rzeczy, których współistnienie wymyka się wszelkiej logice. Na przykład termin „czarna dziura” nie kojarzyłby się normalnemu człowiekowi z wyrażeniem „niesamowicie jasna”, ale odkrycie z początku lat 60. ubiegłego wieku pozwoliło naukowcom uznać to stwierdzenie za niepoprawne.

Przy pomocy teleskopów astrofizykom udało się wykryć na rozgwieżdżonym niebie nieznane dotąd obiekty, które mimo tego, że wyglądały jak zwykłe gwiazdy, zachowywały się dość dziwnie. Badając te dziwne luminarze, amerykański naukowiec Martin Schmidt zwrócił uwagę na ich spektrografię, której dane wykazały wyniki odmienne od skanowania innych gwiazd. Mówiąc najprościej, te gwiazdy nie były takie jak inne, do których jesteśmy przyzwyczajeni.

Nagle Schmidt olśnił i zwrócił uwagę na przesunięcie widma w zakresie czerwonym. Okazało się, że obiekty te są znacznie dalej od nas niż gwiazdy, do których jesteśmy przyzwyczajeni widzieć na niebie. Na przykład obiekt obserwowany przez Schmidta znajdował się dwa i pół miliarda lat świetlnych od naszej planety, ale świecił tak jasno, jak gwiazda odległa o kilkaset lat świetlnych. Okazuje się, że światło jednego takiego obiektu jest porównywalne z jasnością całej galaktyki. To odkrycie było prawdziwym przełomem w astrofizyce. Naukowiec nazwał te obiekty „quasi-gwiezdnymi” lub po prostu „kwazarami”.

Martin Schmidt kontynuował badanie nowych obiektów i odkrył, że tak jasna poświata może być spowodowana tylko jednym powodem - akrecją. Akrecja to proces pochłaniania otaczającej materii przez supermasywne ciało za pomocą grawitacji. Naukowiec doszedł do wniosku, że w centrum kwazarów znajduje się ogromna czarna dziura, która z niewiarygodną siłą wciąga w siebie materię otaczającą ją w przestrzeni. W procesie pochłaniania materii przez dziurę cząstki rozpędzane są do ogromnych prędkości i zaczynają świecić. Osobliwa świetlista kopuła wokół czarnej dziury nazywana jest dyskiem akrecyjnym. Jej wizualizację dobrze pokazał film Christophera Nolana „Interstellar”, który zrodził wiele pytań „jak czarna dziura może świecić?”.

Do tej pory naukowcy odkryli tysiące kwazarów na rozgwieżdżonym niebie. Te dziwne, niewiarygodnie jasne obiekty nazywane są latarniami we wszechświecie. Pozwalają nieco lepiej wyobrazić sobie strukturę kosmosu i przybliżyć się do momentu, od którego wszystko się zaczęło.

Pomimo faktu, że astrofizycy od wielu lat zdobywają pośrednie dowody na istnienie we Wszechświecie supermasywnych niewidzialnych obiektów, termin „czarna dziura” nie istniał aż do 1967 roku. Aby uniknąć skomplikowanych nazw, amerykański fizyk John Archibald Wheeler zaproponował nazywanie takich obiektów „czarnymi dziurami”. Dlaczego nie? Do pewnego stopnia są czarne, bo ich nie widzimy. W dodatku przyciągają wszystko, można w nie wpaść, zupełnie jak w prawdziwą dziurę. A wydostanie się z takiego miejsca zgodnie ze współczesnymi prawami fizyki jest po prostu niemożliwe. Jednak Stephen Hawking twierdzi, że podróżując przez czarną dziurę można dostać się do innego Wszechświata, innego świata i to jest nadzieja.

Strach przed nieskończonością

Ze względu na nadmierną tajemniczość i romantyzację czarnych dziur obiekty te stały się wśród ludzi prawdziwym horrorem. Żółta prasa lubi spekulować na temat analfabetyzmu ludności, opowiadając zdumiewające historie o tym, jak wielka czarna dziura zbliża się do naszej Ziemi, która pochłonie Układ Słoneczny w ciągu kilku godzin lub po prostu wyemituje fale toksycznego gazu w kierunku naszej planety. planeta.

Szczególnie popularny jest temat zniszczenia planety za pomocą Wielkiego Zderzacza Hadronów, który został zbudowany w Europie w 2006 roku na terenie Europejskiej Rady Badań Jądrowych (CERN). Fala paniki zaczęła się od czyjegoś głupiego żartu, ale rosła jak kula śnieżna. Ktoś rozpuścił plotkę, że w akceleratorze cząstek zderzacza może powstać czarna dziura, która całkowicie pochłonie naszą planetę. Oczywiście oburzeni ludzie zaczęli domagać się zakazu eksperymentów w LHC, bojąc się takiego wyniku. Do Trybunału Europejskiego zaczęły napływać pozwy domagające się zamknięcia zderzacza, a naukowców, którzy go stworzyli, ukarania z całą surowością prawa.

W rzeczywistości fizycy nie zaprzeczają, że gdy cząstki zderzają się w Wielkim Zderzaczu Hadronów, mogą pojawić się obiekty podobne właściwościami do czarnych dziur, ale ich rozmiar jest na poziomie cząstek elementarnych, a takie „dziury” istnieją przez tak krótki czas że nie możemy nawet zarejestrować ich wystąpienia.

Jednym z głównych ekspertów, którzy próbują rozwiać falę ignorancji przed ludźmi, jest Stephen Hawking – słynny fizyk teoretyczny, który zresztą uważany jest za prawdziwego „guru” w kwestii czarnych dziur. Hawking udowodnił, że czarne dziury nie zawsze pochłaniają światło pojawiające się w dyskach akrecyjnych, a część z nich jest rozpraszana w przestrzeni. Zjawisko to nazwano promieniowaniem Hawkinga lub parowaniem czarnej dziury. Hawking ustalił też zależność między rozmiarami czarnej dziury a tempem jej „parowania” – im jest mniejsza, tym mniej istnieje w czasie. A to oznacza, że wszyscy przeciwnicy Wielkiego Zderzacza Hadronów nie powinni się martwić: czarne dziury w nim nie będą mogły istnieć nawet przez jedną milionową sekundy.

Teoria nie potwierdzona w praktyce

Niestety technologie ludzkości na tym etapie rozwoju nie pozwalają nam przetestować większości teorii opracowanych przez astrofizyków i innych naukowców. Z jednej strony istnienie czarnych dziur jest dość przekonująco udowodnione na papierze i wydedukowane za pomocą wzorów, w których wszystko jest zbieżne z każdą zmienną. Z drugiej strony w praktyce nie udało nam się jeszcze zobaczyć prawdziwej czarnej dziury na własne oczy.

Mimo wszystkich nieporozumień fizycy sugerują, że w centrum każdej z galaktyk znajduje się supermasywna czarna dziura, która swoją grawitacją gromadzi gwiazdy w gromady i sprawia, że podróżuje się po Wszechświecie w dużym i przyjaznym towarzystwie. W naszej galaktyce Droga Mleczna według różnych szacunków znajduje się od 200 do 400 miliardów gwiazd. Wszystkie te gwiazdy krążą wokół czegoś, co ma ogromną masę, wokół czegoś, czego nie możemy zobaczyć za pomocą teleskopu. Najprawdopodobniej jest to czarna dziura. Czy powinna się bać? - Nie, przynajmniej nie w ciągu najbliższych kilku miliardów lat, ale możemy zrobić o niej kolejny ciekawy film.

Czarne dziury – być może najbardziej tajemnicze i enigmatyczne obiekty astronomiczne w naszym Wszechświecie, od czasu ich odkrycia przyciągają uwagę ekspertów i pobudzają wyobraźnię pisarzy science fiction. Czym są czarne dziury i jak wyglądają? Czarne dziury to wygasłe gwiazdy, ze względu na swoje właściwości fizyczne, które mają tak dużą gęstość i tak silną grawitację, że nawet światło nie może się z nich wydostać.

Historia odkrycia czarnych dziur

Po raz pierwszy teoretyczne istnienie czarnych dziur, na długo przed ich faktycznym odkryciem, zostało zasugerowane przez niejakiego D. Michela (angielskiego księdza z Yorkshire, który w wolnym czasie lubi astronomię) w 1783 roku. Według jego obliczeń, jeśli weźmiemy naszą i skompresujemy ją (w nowoczesnych terminach komputerowych, zarchiwizujemy) do promienia 3 km, powstanie tak duża (po prostu ogromna) siła grawitacji, że nawet światło nie może jej opuścić. Tak powstało pojęcie „czarna dziura”, choć w rzeczywistości wcale nie jest czarna, naszym zdaniem bardziej odpowiednie byłoby określenie „ciemna dziura”, ponieważ to właśnie brak światła ma miejsce.

Później, w 1918 roku, wielki naukowiec Albert Einstein pisał o problemie czarnych dziur w kontekście teorii względności. Ale dopiero w 1967 roku, dzięki staraniom amerykańskiego astrofizyka Johna Wheelera, koncepcja czarnych dziur ostatecznie zdobyła miejsce w kręgach akademickich.

Tak czy inaczej, zarówno D. Michel, jak i Albert Einstein i John Wheeler w swoich pracach zakładali jedynie teoretyczne istnienie tych tajemniczych ciał niebieskich w przestrzeni kosmicznej, jednak prawdziwe odkrycie czarnych dziur miało miejsce w 1971 r. wtedy po raz pierwszy zauważono je w kosmosie.teleskop.

Tak wygląda czarna dziura.

Jak powstają czarne dziury w kosmosie?

Jak wiemy z astrofizyki, wszystkie gwiazdy (w tym nasze Słońce) mają pewną ograniczoną ilość paliwa. I chociaż życie gwiazdy może trwać miliardy lat świetlnych, prędzej czy później ten warunkowy zapas paliwa dobiega końca i gwiazda „gaśnie”. Procesowi „wymierania” gwiazdy towarzyszą intensywne reakcje, podczas których gwiazda przechodzi znaczną przemianę iw zależności od swoich rozmiarów może zamienić się w białego karła, gwiazdę neutronową lub czarną dziurę. Co więcej, największe gwiazdy, które mają niewiarygodnie imponujące rozmiary, zwykle zamieniają się w czarną dziurę - w wyniku kompresji tych najbardziej niesamowitych rozmiarów masa i siła grawitacji nowo utworzonej czarnej dziury mnożą się, co zamienia się w rodzaj galaktycznej próżni czystszy - pochłania wszystko i wszystko wokół.

Czarna dziura pochłania gwiazdę.

Mała uwaga - nasze Słońce, jak na galaktyczne standardy, wcale nie jest dużą gwiazdą, a po wyblaknięciu, które nastąpi za około kilka miliardów lat, najprawdopodobniej nie zamieni się w czarną dziurę.

Ale bądźmy z tobą szczerzy - dzisiaj naukowcy nie znają jeszcze wszystkich zawiłości powstawania czarnej dziury, niewątpliwie jest to niezwykle złożony proces astrofizyczny, który sam w sobie może trwać miliony lat świetlnych. Chociaż możliwe jest posuwanie się w tym kierunku, wykrywanie i późniejsze badanie tzw. czarnych dziur pośrednich, czyli gwiazd znajdujących się w stanie wyginięcia, w których zachodzi aktywny proces formowania się czarnej dziury . Nawiasem mówiąc, podobną gwiazdę odkryli astronomowie w 2014 roku w ramieniu galaktyki spiralnej.

Ile czarnych dziur istnieje we wszechświecie

Według teorii współczesnych naukowców w naszej galaktyce Drogi Mlecznej może znajdować się nawet kilkaset milionów czarnych dziur. Nie mniej może ich być w galaktyce obok nas, do której nie ma co latać z naszej Drogi Mlecznej - 2,5 miliona lat świetlnych.

Teoria czarnych dziur

Pomimo ogromnej masy (która jest setki tysięcy razy większa od masy naszego Słońca) i niesamowitej siły grawitacji, nie było łatwo zobaczyć czarne dziury przez teleskop, ponieważ w ogóle nie emitują światła. Naukowcom udało się zauważyć czarną dziurę dopiero w momencie jej "posiłku" - absorpcji innej gwiazdy, w tym momencie pojawia się charakterystyczne promieniowanie, które już można zaobserwować. W ten sposób teoria czarnej dziury znalazła faktyczne potwierdzenie.

Właściwości czarnych dziur

Główną właściwością czarnej dziury są jej niesamowite pola grawitacyjne, które nie pozwalają otaczającej przestrzeni i czasu pozostać w swoim zwykłym stanie. Tak, dobrze słyszeliście, czas wewnątrz czarnej dziury płynie wielokrotnie wolniej niż zwykle i gdybyście tam byli, a potem wracając (oczywiście, gdybyście mieli tyle szczęścia), zdziwilibyście się, widząc, że na Ziemi minęły wieki, i nawet nie zestarzejesz się, masz czas. Chociaż bądźmy prawdomówni, gdybyś był w czarnej dziurze, prawie byś nie przeżył, ponieważ siła grawitacji jest tam taka, że każdy materialny obiekt zostałby po prostu rozerwany, nawet na części, na atomy.

Ale gdybyś był choćby blisko czarnej dziury, w zasięgu jej pola grawitacyjnego, to też miałbyś trudności, bo im bardziej stawiałeś opór jej grawitacji, próbując odlecieć, tym szybciej wpadłbyś w nią. Powodem tego pozornie paradoksalnego pola wirowego jest grawitacyjne pole wirowe, które posiadają wszystkie czarne dziury.

Co jeśli ktoś wpadnie do czarnej dziury

Odparowywanie czarnych dziur

Angielski astronom S. Hawking odkrył interesujący fakt: okazuje się, że czarne dziury również emitują parowanie. To prawda, że \u200b\u200bdotyczy to tylko otworów o stosunkowo małej masie. Potężna grawitacja wokół nich tworzy pary cząstek i antycząstek, jedna z pary jest wciągana do wewnątrz przez dziurę, a druga jest wyrzucana na zewnątrz. W ten sposób czarna dziura emituje twarde antycząstki i promienie gamma. To parowanie lub promieniowanie z czarnej dziury zostało nazwane na cześć naukowca, który je odkrył - "promieniowaniem Hawkinga".

Największa czarna dziura

Zgodnie z teorią czarnych dziur, w centrum prawie wszystkich galaktyk znajdują się ogromne czarne dziury o masach od kilku milionów do kilku miliardów mas Słońca. A stosunkowo niedawno naukowcy odkryli dwie największe znane do tej pory czarne dziury, znajdują się one w dwóch pobliskich galaktykach: NGC 3842 i NGC 4849.

NGC 3842 to najjaśniejsza galaktyka w konstelacji Lwa, znajdująca się w odległości 320 milionów lat świetlnych od nas. W jej centrum znajduje się ogromna czarna dziura o masie 9,7 miliarda mas Słońca.

NGC 4849 to galaktyka w gromadzie Coma, oddalona o 335 milionów lat świetlnych, szczycąca się równie imponującą czarną dziurą.

Strefy działania pola grawitacyjnego tych gigantycznych czarnych dziur, lub w kategoriach akademickich, ich horyzont zdarzeń, to około 5 razy odległość od Słońca do! Taka czarna dziura zjadłaby nasz Układ Słoneczny i nawet się nie zakrztusiła.

Najmniejsza czarna dziura

Ale w ogromnej rodzinie czarnych dziur są bardzo mali przedstawiciele. Tak więc najbardziej karłowata czarna dziura odkryta w tej chwili przez naukowców ma masę zaledwie 3 razy większą od masy naszego Słońca. W rzeczywistości jest to teoretyczne minimum niezbędne do powstania czarnej dziury, gdyby ta gwiazda była trochę mniejsza, dziura by się nie utworzyła.

Czarne dziury to kanibale

Tak, istnieje takie zjawisko, jak pisaliśmy powyżej, czarne dziury to swego rodzaju „galaktyczne odkurzacze”, które pochłaniają wszystko wokół siebie, w tym… inne czarne dziury. Niedawno astronomowie odkryli, że czarna dziura z jednej galaktyki jest zjadana przez innego wielkiego czarnego żarłoka z innej galaktyki.

Według hipotez niektórych naukowców czarne dziury to nie tylko galaktyczne odkurzacze, które zasysają wszystko do siebie, ale w pewnych okolicznościach same mogą generować nowe wszechświaty.
Czarne dziury mogą z czasem wyparować. Powyżej pisaliśmy, że angielski naukowiec Stephen Hawking odkrył, że czarne dziury mają właściwość promieniowania i po bardzo długim czasie, kiedy nie ma wokół czego się wchłaniać, czarna dziura zacznie bardziej parować, aż w końcu oddaje całą swoją masę otaczającej przestrzeni. Chociaż to tylko przypuszczenie, hipoteza.
Czarne dziury spowalniają czas i zakrzywiają przestrzeń. O dylatacji czasu już pisaliśmy, ale przestrzeń w warunkach czarnej dziury będzie całkowicie zakrzywiona.
Czarne dziury ograniczają liczbę gwiazd we wszechświecie. Mianowicie ich pola grawitacyjne zapobiegają ochładzaniu się chmur gazu w kosmosie, z których, jak wiadomo, rodzą się nowe gwiazdy.

Czarne dziury na Discovery Channel, wideo

Na zakończenie proponujemy Państwu ciekawy dokument naukowy o czarnych dziurach z kanału Discovery.