Azt jósolja, hogy szingularitás van a fekete lyukban, egy olyan helyen, ahol az árapály -erők végtelenül nagyok lesznek, és ha egyszer túljut az eseményhorizonton, akkor már nem mehet máshová, mint a szingularitás. Ennek megfelelően jobb, ha nem használunk általános relativitáselméletet ezeken a helyeken - egyszerűen nem működik. Ahhoz, hogy elmondhassuk, mi történik egy fekete lyuk belsejében, szükségünk van a kvantum gravitáció elméletére. Általánosan elfogadott, hogy ez az elmélet a szingularitást valami mással helyettesíti.

Hogyan képződnek a fekete lyukak?

Jelenleg négy különböző módon ismerjük a fekete lyukakat. A legjobban a csillagok összeomlásával társul. Egy kellően nagy csillag fekete lyukat képez, miután magfúziója leállt, mert minden, ami már szintetizálható, szintetizálódott. Amikor a fúzió okozta nyomás megszűnik, az anyag zuhanni kezd a saját gravitációs középpontja felé, és egyre sűrűbb lesz. Végül olyan sűrűvé válik, hogy semmi sem tudja legyőzni a csillag felszínére gyakorolt ​​gravitációs hatást: így születik a fekete lyuk. Ezeket a fekete lyukakat "naptömegű fekete lyukaknak" nevezik, és ezek a leggyakoribbak.

A fekete lyuk következő gyakori típusa a "szupermasszív fekete lyukak", amelyek sok galaxis középpontjában találhatók, és tömegeik körülbelül egymilliárdszor nagyobbak, mint a napfényes fekete lyukak. Egyelőre nem tudni pontosan, hogyan keletkeztek. Úgy tartják, hogy egykor naptömegű fekete lyukakként kezdődtek, amelyek sok más csillagot is elnyeltek a sűrűn lakott galaktikus központokban, és növekedtek. Úgy tűnik azonban, hogy gyorsabban veszik fel az anyagot, mint ez az egyszerű ötlet sugallja, és hogy pontosan hogyan teszik, még mindig kutatás kérdése.

Egy ellentmondásosabb elképzelés az ősi fekete lyukak lettek, amelyeket a korai univerzum nagy sűrűségű ingadozásaiban gyakorlatilag bármilyen tömeg képezhetett. Bár lehetséges, nehéz olyan modellt találni, amely előállítja őket anélkül, hogy túlzottan létrehozná őket.

Végül az a nagyon spekulatív elképzelés, hogy a Nagy Hadronütközőnél apró fekete lyukak keletkezhetnek, amelyek tömege megközelíti a Higgs -bozon tömegét. Ez csak akkor működik, ha univerzumunk extra dimenziókkal rendelkezik. Eddig nem volt megerősítés ezen elmélet mellett.

Honnan tudjuk, hogy léteznek fekete lyukak?

Sok megfigyelési bizonyítékunk van a nagy tömegű, fényt nem kibocsátó kompakt tárgyakra. Ezek a tárgyak gravitációs vonzással adják magukat, például más csillagok vagy körülöttük lévő gázfelhők mozgása miatt. Gravitációs lencsét is létrehoznak. Tudjuk, hogy ezeknek a tárgyaknak nincs szilárd felülete. Ez a megfigyelésekből következik, mivel a felületű tárgyra eső anyagnak több részecskét kell felszabadítania, mint a horizonton eső anyagot.

Miért mondta Hawking tavaly, hogy fekete lyukak nem léteznek?

Úgy értette, hogy a fekete lyukaknak nincs örök eseményhorizontjuk, hanem csak ideiglenes látszólagos horizontjuk (lásd az első bekezdést). Szigorú értelemben csak az eseményhorizont tekinthető fekete lyuknak.

Hogyan bocsátanak ki sugárzást a fekete lyukak?

A fekete lyukak sugárzást bocsátanak ki a kvantumhatások miatt. Fontos megjegyezni, hogy ezek az anyag kvantumhatásai, nem pedig a gravitáció kvantumhatásai. Az összeomló fekete lyuk dinamikus térideje megváltoztatja a részecske definícióját. A fekete lyuk mellett eltorzult idő múlásához hasonlóan a részecskék fogalma is túlságosan függ a megfigyelőtől. Különösen, ha a fekete lyukba eső megfigyelő azt gondolja, hogy vákuumba esik, a fekete lyuktól távol lévő megfigyelő azt gondolja, hogy ez nem vákuum, hanem részecskékkel teli tér. A tér-idő nyújtása okozza ezt a hatást.

Először Stephen Hawking fedezte fel, a fekete lyuk által kibocsátott sugárzást Hawking -sugárzásnak nevezik. Ennek a sugárzásnak a hőmérséklete fordítottan arányos a fekete lyuk tömegével: minél kisebb a fekete lyuk, annál magasabb a hőmérséklet. Az általunk ismert csillagos és szupermasszív fekete lyukak hőmérséklete jóval a mikrohullámú háttér hőmérséklete alatt van, ezért nem figyelhetők meg.

Mi az információs paradoxon?

Az információvesztés paradoxonját Hawking -sugárzás okozza. Ez a sugárzás tisztán termikus, vagyis csak véletlenszerűen és bizonyos tulajdonságokkal rendelkezik. Maga a sugárzás semmilyen információt nem tartalmaz a fekete lyuk kialakulásáról. De amikor egy fekete lyuk sugárzást bocsát ki, tömeget veszít és összehúzódik. Mindez teljesen független attól az anyagtól, amely a fekete lyuk részévé vált, vagy amelyből létrejött. Kiderül, hogy csak a párolgás végső állapotát ismerve nem lehet megmondani, hogy miből alakult ki a fekete lyuk. Ez a folyamat "visszafordíthatatlan" - és a lényeg az, hogy a kvantummechanikában nincs ilyen folyamat.

Kiderült, hogy a fekete lyuk elpárolgása összeegyeztethetetlen a jelenlegi kvantumelmélettel, és valamit tenni kell ellene. Szüntesse meg az ellentmondást valahogy. A legtöbb fizikus úgy véli, hogy a megoldás az, hogy a Hawking -sugárzásnak valamilyen módon tartalmaznia kell információt.

Mit javasol Hawking a fekete lyuk információs paradoxonának megoldására?

Az ötlet az, hogy a fekete lyukaknak módot kell biztosítani az eddig nem elfogadott információk tárolására. Az információ a fekete lyuk horizontján tárolódik, és apró részecskék eltolódását okozhatja Hawking -sugárzásban. Ezekben az apró elmozdulásokban lehet információ a csapdába esett anyagról. Ennek a folyamatnak a pontos részletei jelenleg nincsenek meghatározva. A tudósok Stephen Hawking, Malcolm Perry és Andrew Strominger részletesebb fehér könyvét várják. Azt mondják, szeptember végén jelenik meg.

Jelenleg biztosak vagyunk abban, hogy léteznek fekete lyukak, tudjuk, hol vannak, hogyan képződnek és mivé válnak. De az információ hová való eljutásának részletei még mindig az univerzum egyik legnagyobb rejtélyét képviselik.

2013. január 24

Az univerzumban a tudományos elméletek által megjósolt hipotetikus objektumok közül a fekete lyukak teszik a legfélelmetesebb benyomást. És bár a létezésükre vonatkozó feltételezések csaknem másfél évszázaddal azelőtt kezdődtek, hogy Einstein publikálta az általános relativitáselméletet, létezésük valóságáról meggyőző bizonyítékokat kaptak egészen nemrég.

Kezdjük azzal, hogy megvizsgáljuk, hogyan foglalkozik az általános relativitáselmélet a gravitáció természetének kérdésével. A Newton -féle univerzális gravitációs törvény kimondja, hogy a világegyetem bármelyik két hatalmas teste között kölcsönös vonzóerő hat. E gravitációs vonzás miatt a Föld a Nap körül kering. Az általános relativitáselmélet arra kényszerít, hogy másként tekintsünk a Nap-Föld rendszerre. Ezen elmélet szerint egy olyan hatalmas égitest jelenlétében, mint a Nap, a téridő perforáltnak tűnik a súlya alatt, és szövetének egységessége megzavarodik. Képzeljünk el egy rugalmas trambulinot, amelyen nehéz labda (például bowlingpályáról) nyugszik. A kifeszített szövet súlya alatt meghajlik, és vákuumot hoz létre körülötte. Ugyanígy a Nap is téridőt tol maga körül.

E kép szerint a Föld egyszerűen gördül a kialakult tölcsér körül (kivéve, hogy a trambulinon egy nehéz golyó körül guruló kis golyó elkerülhetetlenül elveszíti sebességét és közelebb kerül a nagyhoz). És amit a mindennapi életünkben szokásosan gravitációs erőként érzékelünk, az sem más, mint a tér-idő geometriájának megváltozása, és nem erő a newtoni megértésben. A mai napig nem találtak ki sikeresebb magyarázatot a gravitáció természetére, mint amit az általános relativitáselmélet ad nekünk.

Most képzeljük el, mi történik, ha a javasolt kép keretein belül növeljük és növeljük egy nehéz golyó tömegét anélkül, hogy növelnénk annak fizikai méretét? Abszolút rugalmasságának köszönhetően a tölcsér addig mélyül, amíg felső szélei valahol magasan, a teljesen nehéz golyó felett összeérnek, majd a felszínről nézve egyszerűen megszűnik létezni. A valódi Világegyetemben, miután felhalmozta az anyag megfelelő tömegét és sűrűségét, a tárgy egy tér-idő csapdát csap maga köré, a téridő szövete bezárul, és elveszíti kapcsolatát az Univerzum többi részével, láthatatlanná válik számára. Így jelenik meg a fekete lyuk.

Schwarzschild és kortársai úgy vélték, hogy ilyen furcsa űrtárgyak nem léteznek a természetben. Einstein maga nemcsak ezt az álláspontot képviselte, hanem tévesen azt is hitte, hogy sikerült matematikailag alátámasztania véleményét.

Az 1930 -as években a fiatal indiai asztrofizikus, Chandrasekhar bebizonyította, hogy egy nukleáris tüzelőanyagot elhasználó csillag lehullja héját, és csak akkor válik lassan lehűlő fehér törpévé, ha tömege kevesebb, mint 1,4 -szerese a Nap tömegének. Hamarosan az amerikai Fritz Zwicky sejtette, hogy a szupernóva -robbanások rendkívül sűrű neutronanyag -testeket hoznak létre; később Lev Landau ugyanerre a következtetésre jutott. Chandrasekhar munkája után nyilvánvaló volt, hogy csak az 1,4 naptömeget meghaladó csillagok képesek ilyen fejlődésre. Ezért természetes kérdés merült fel - van -e felső tömege a neutroncsillagokat hátrahagyó szupernóváknak?

Az 1930 -as évek végén az amerikai atombomba leendő atyja, Robert Oppenheimer megállapította, hogy létezik ilyen határ, és nem haladja meg néhány naptömeget. Ekkor még nem lehetett pontosabb értékelést adni; ma már ismert, hogy a neutroncsillagok tömegeinek 1,5-3 Ms tartományban kell lenniük. De még Oppenheimer és végzős diákja, George Volkov hozzávetőleges számításaiból is az következett, hogy a szupernóvák legmasszívabb leszármazottai nem neutroncsillagokká válnak, hanem más állapotba kerülnek. 1939 -ben Oppenheimer és Hartland Snyder egy idealizált modellt alkalmazva bebizonyította, hogy egy hatalmas összeomló csillag összehúzódik gravitációs sugarával. Képletükből tulajdonképpen az következik, hogy a sztár nem áll meg itt, de a társszerzők tartózkodtak egy ilyen radikális következtetéstől.

09.07.1911 - 13.04.2008

A végső választ a 20. század második felében találták meg, ragyogó elméleti fizikusok egész galaxisának erőfeszítései révén, beleértve a szovjeteket is. Kiderült, hogy egy ilyen összeomlás mindig "egészen" összenyomja a csillagot, teljesen megsemmisítve annak lényegét. Ennek eredményeként szingularitás keletkezik, a gravitációs mező "szuperkoncentrátuma", végtelenül kicsi térfogatban. Álló lyuknál ez egy pont, forgónál gyűrű. A tér-idő görbülete és következésképpen a szingularitás közelében lévő gravitációs erő a végtelenség felé hajlik. 1967 végén John Archibald Wheeler amerikai fizikus elsőként fekete lyuknak nevezte az ilyen végső csillagösszeomlást. Az új kifejezés beleszeretett a fizikusokba, és örült az újságíróknak, akik szerte a világon elterjesztették (bár a franciáknak eleinte nem tetszett, mivel a trou noir kifejezés kétes asszociációkat sejtetett).

A fekete lyuk legfontosabb tulajdonsága, hogy bármi kerül is bele, nem jön vissza. Ez még a fényre is vonatkozik, ezért kapta a fekete lyukak a nevét: egy olyan test, amely elnyeli az összes rá eső fényt, és nem bocsát ki sajátot, abszolút feketének tűnik. Az általános relativitáselmélet szerint, ha egy tárgy kritikus távolságban közeledik a fekete lyuk középpontjához - ezt a távolságot Schwarzschild sugarának nevezik -, akkor soha nem mehet vissza. (Karl Schwarzschild (1873-1916) német csillagász élete utolsó éveiben, Einstein általános relativitáselméletének egyenleteit felhasználva, kiszámította a nulla térfogat körüli gravitációs mezőt.) A Nap tömegére a Schwarzschild-sugár 3 km, vagyis megfordulni A nap fekete lyukban van, teljes tömegét kisváros méretűre kell sűrítenie!

A Schwarzschild -sugár belsejében az elmélet még furcsább jelenségeket jósol: a fekete lyuk minden anyaga a végtelen sűrűség végtelenül kicsi pontjába gyűlik össze a közepén - a matematikusok egy ilyen objektumot egyedülálló zavarnak neveznek. Végtelen sűrűséggel minden véges anyagtömeg matematikailag nulla térfogatot foglal el. Azt, hogy ez a jelenség valóban egy fekete lyukon belül történik -e, természetesen kísérletileg nem tudjuk ellenőrizni, mivel minden, ami a Schwarzschild -sugár belsejébe került, nem tér vissza.

Így, mivel nem volt lehetőségünk "megvizsgálni" a "lyuk" hagyományos értelemben vett fekete lyukat, ennek ellenére felismerhetjük jelenlétét a szupererős és teljesen szokatlan gravitációs mezőre gyakorolt ​​hatásának közvetett jeleivel. számít körülötte.

Szupermasszív fekete lyukak

Tejútrendszerünk és más galaxisok középpontjában egy hihetetlenül hatalmas fekete lyuk található, amely milliószor nehezebb, mint a Nap. Ezeket a szupermasszív fekete lyukakat (ahogy ezt a nevet kapták) úgy fedezték fel, hogy figyelték a csillagközi gázok mozgását a galaxisok középpontjai közelében. A gázok, a megfigyelések alapján ítélve, a szupermasszív tárgytól közeli távolságban forognak, és a newtoni mechanika törvényeit használó egyszerű számítások azt mutatják, hogy az őket vonzó, csekély átmérőjű tárgy szörnyű tömegű. Csak egy fekete lyuk képes forgatni a csillagközi gázt a galaxis közepén. Valójában az asztrofizikusok tucatnyi ilyen hatalmas fekete lyukat találtak a szomszédos galaxisok központjában, és erősen gyanítják, hogy bármely galaxis középpontja egy fekete lyuk.

Csillagtömegű fekete lyukak

Jelenlegi elképzeléseink szerint a csillagok evolúciójáról, amikor egy körülbelül 30 naptömeget meghaladó csillag elpusztul egy szupernóva -robbanás során, külső héja szétszóródik, belső rétegei pedig gyorsan összeomlanak a középpont felé, és fekete lyukat képeznek a a csillag, amely elhasználta üzemanyag -tartalékait. Gyakorlatilag lehetetlen észlelni egy ilyen eredetű, csillagközi térben elszigetelt fekete lyukat, mivel az ritka vákuumban található, és semmilyen módon nem nyilvánul meg a gravitációs kölcsönhatások szempontjából. Ha azonban egy ilyen lyuk egy bináris csillagrendszer része (két forró csillag kering a tömegközéppontjuk körül), a fekete lyuk még mindig gravitációs hatást gyakorol párosított csillagára. A csillagászoknak ma több mint egy tucat jelöltjük van az ilyen típusú csillagrendszerekre, bár egyikre sincs szilárd bizonyíték.

Egy bináris rendszerben, amelynek összetétele fekete lyuk, az "élő" csillag anyaga elkerülhetetlenül "áramlik" a fekete lyuk irányába. És a fekete lyuk által kiszívott anyag kavarogni fog, amikor spirálisan a fekete lyukba esik, és eltűnik, amikor átlépi a Schwarzschild sugarát. Amikor azonban közeledünk a végzetes határhoz, a fekete lyuk tölcsérébe beszívott anyag elkerülhetetlenül megvastagszik és felmelegszik a lyuk által elnyelt részecskék közötti ütközések növekedése miatt, amíg fel nem melegszik a röntgensugárzás energiájával az elektromágneses spektrum tartománya. A csillagászok meg tudják mérni az ilyen típusú röntgensugárzás intenzitásának változásainak gyakoriságát, és más rendelkezésre álló adatokkal összehasonlítva kiszámíthatják az anyag hozzávetőleges tömegét. Ha egy tárgy tömege meghaladja a Chandrasekhar határértéket (1,4 naptömeg), akkor ez az objektum nem lehet fehér törpe, amelyben csillagunk elfajulásra van ítélve. Az ilyen bináris röntgencsillagok megfigyelésének legtöbb azonosított esetben a neutroncsillag hatalmas tárgy. Azonban már több mint egy tucat esetet számoltak, amikor az egyetlen ésszerű magyarázat a fekete lyuk jelenléte egy bináris csillagrendszerben.

A fekete lyukak minden más típusa sokkal spekulatívabb, és kizárólag elméleti kutatásokon alapul - létezésükre egyáltalán nincs kísérleti bizonyíték. Először is, ezek fekete mini lyukak, amelyek tömege összehasonlítható egy hegy tömegével, és egy proton sugarára van összenyomva. Eredetük gondolatát az Univerzum kialakulásának kezdeti szakaszában közvetlenül az ősrobbanás után Stephen Hawking angol kozmológus fejezte ki (lásd: Az idő visszafordíthatatlanságának rejtett elve). Hawking azt javasolta, hogy a mini lyukú robbanások megmagyarázhatják az univerzumban a vésett gamma-sugárzás valóban titokzatos jelenségét. Másodszor, az elemi részecskék némely elmélete megjósolja a világegyetemben - mikroszinten - a fekete lyukak valódi szitájának létezését, amelyek egyfajta hab az univerzum hulladékaiból. Az ilyen mikrolyukak átmérője állítólag körülbelül 10-33 cm-milliárdszor kisebbek, mint egy proton. Jelenleg nincs reményünk az ilyen fekete lyukrészecskék létezésének tényleges kísérleti ellenőrzésére, nemhogy tulajdonságaik vizsgálatára.

És mi történik a megfigyelővel, ha hirtelen a gravitációs sugár másik oldalán találja magát, más néven eseményhorizontnak. Itt kezdődik a fekete lyukak legcsodálatosabb tulajdonsága. Nem hiába, ha már a fekete lyukakról beszélünk, mindig az időt, vagy inkább a téridőt emlegettük. Einstein relativitáselmélete szerint minél gyorsabban mozog egy test, annál nagyobb lesz a tömege, de lassabban telik az idő! Kis sebességgel, normál körülmények között ez a hatás láthatatlan, de ha a test (űrhajó) a fénysebességhez közeli sebességgel mozog, akkor tömege nő, és az idő lelassul! Amikor a test sebessége megegyezik a fény sebességével, a tömeg a végtelenbe fordul, és az idő megáll! Ezt szigorú matematikai képletek bizonyítják. Térjünk vissza a fekete lyukhoz. Képzeljen el egy fantasztikus helyzetet, amikor egy űrhajó űrhajósokkal a fedélzetén megközelíti a gravitációs sugarat vagy az eseményhorizontot. Világos, hogy az eseményhorizont azért van így elnevezve, mert bármilyen eseményt (általában megfigyelhetünk valamit) csak e határig figyelhetünk meg. Hogy nem tudjuk betartani ezt a határt. Ennek ellenére a fekete lyukhoz közeledő űrhajó belsejében az űrhajósok ugyanazt fogják érezni, mint korábban, mert az ő órájukon az idő "normálisan" fog futni. Az űrhajó nyugodtan átlépi az eseményhorizontot, és továbblép. De mivel sebessége közel lesz a fénysebességhez, az űrhajó szó szerint egy pillanat alatt eléri a fekete lyuk közepét.

És egy külső szemlélő számára az űrhajó egyszerűen megáll az eseményhorizonton, és szinte örökre ott marad! Ez a fekete lyukak hatalmas gravitációjának paradoxona. Természetes kérdés, hogy az űrhajósok, akik külső megfigyelő órája szerint a végtelenbe mennek, életben maradnak -e. Nem. És a lényeg egyáltalán nem az óriási gravitációról szól, hanem az árapály -erőkről, amelyek egy ilyen kicsi és masszív testben nagy távolságokban nagyon eltérőek. 1 m 70 cm -es űrhajós növekedésével a fején az árapályerő sokkal kisebb lesz, mint a lábánál, és egyszerűen szét fog szakadni már az eseményhorizonton. Tehát alapvetően rájöttünk, hogy mi a fekete lyuk, de eddig csillagtömegű fekete lyukakról beszéltünk. Jelenleg a csillagászoknak sikerült szupermasszív fekete lyukakat találniuk, amelyek tömege egymilliárd nap lehet! A szupermasszív fekete lyukak tulajdonságai nem különböznek kisebb társaiktól. Csak sokkal masszívabbak, és általában a galaxisok középpontjában - az Univerzum csillagszigetein - helyezkednek el. A Galaxisunk (Tejút) közepén szupermasszív fekete lyuk is található. Az ilyen fekete lyukak hatalmas tömege lehetővé teszi, hogy ne csak a mi galaxisunkban keressük őket, hanem a távoli galaxisok központjaiban is, amelyek millió és milliárd fényév távolságra vannak a Földtől és a Naptól. Európai és amerikai tudósok globális kutatást végeztek a szupermasszív fekete lyukak után, amelyeket a modern elméleti számítások szerint minden galaxis közepén kell elhelyezni.

A modern technológiák lehetővé teszik ezeknek az ütközőknek a szomszédos galaxisokban való jelenlétének kimutatását, de nagyon keveset észleltek közülük. Ez azt jelenti, hogy vagy a fekete lyukak egyszerűen a galaxisok középső részének sűrű gáz- és porfelhőiben rejtőznek, vagy az Univerzum távolabbi zugaiban találhatók. Tehát a fekete lyukak kimutathatók az anyag felhalmozódása során kibocsátott röntgensugarakkal, és az ilyen források összeírása érdekében műholdakat bocsátottak röntgen távcsövekkel a Föld közeli képregénytérbe. A röntgenforrások keresése közben a Chandra és Rossi űrmegfigyelők azt találták, hogy az ég tele van háttérröntgennel, és milliószor világosabb, mint a látható fény. Ennek a háttérröntgen sugárzásnak az égből nagy része fekete lyukakból származik. Általában a csillagászatban háromféle fekete lyukról beszélnek. Az első a csillagtömegű fekete lyukak (körülbelül 10 naptömeg). Hatalmas csillagokból képződnek, amikor elfogy a termonukleáris üzemanyag. A második a szupermasszív fekete lyukak a galaxisok középpontjában (egymillió és milliárd milliárdnyi nap között). És végül a világegyetem életének kezdetén kialakult ős fekete lyukak, amelyek tömege kicsi (egy nagy aszteroida tömege). Így a lehetséges fekete lyukak tömegeinek nagy választéka marad kitöltetlen. De hol vannak ezek a lyukak? Miközben röntgensugarakkal töltik meg a teret, ennek ellenére nem akarják megmutatni valódi "arcukat". De ahhoz, hogy világos elméletet építsünk a háttér-röntgensugárzás és a fekete lyukak kapcsolatáról, ismernünk kell számukat. Jelenleg az űrteleszkópoknak csak kis számú szupermasszív fekete lyukat sikerült kimutatniuk, amelyek léte bizonyítottnak tekinthető. A közvetett jelek lehetővé teszik számunkra, hogy a megfigyelt fekete lyukak számát 15%-ra hozzuk. Azt kell feltételeznünk, hogy a szupermasszív fekete lyukak többi része egyszerűen egy vastag porfelhő mögé rejtőzik, amely csak nagy energiájú röntgensugarakat továbbít, vagy túl messze van ahhoz, hogy a modern megfigyelőeszközökkel észlelhető legyen.

Szupermasszív fekete lyuk (környék) az M87 galaxis közepén (röntgenfelvétel). Az eseményhorizontból kilökődés (jet) látható. Kép a www.college.ru/astronomy webhelyről

A rejtett fekete lyukak megtalálása a modern röntgencsillagászat egyik fő kihívása. A Chandra és Rossi távcsövekkel végzett kutatásokhoz kapcsolódó legújabb áttörések ezen a területen mindazonáltal csak a röntgensugarak alacsony energiatartományát ölelik fel-körülbelül 2000–20 000 elektronvoltot (összehasonlításképpen az optikai sugárzás energiája körülbelül 2 elektron -feszültség). volt). E tanulmányok lényeges módosításait az „Integral” európai űrtávcső végezheti el, amely képes behatolni a még nem kellően vizsgált röntgensugárzás területére, 20 000–300 000 elektronvolt energiával. Az ilyen típusú röntgensugarak tanulmányozásának fontossága az, hogy bár az égbolt röntgenháttérének energiája alacsony, ennek ellenére több, mintegy 30.000 elektronvolt energiájú sugárzási csúcs (pont) jelenik meg. A tudósok most nyitják le a fátylat a rejtélyről, hogy mi okozza ezeket a csúcsokat, és az "Integral" az első kellően érzékeny távcső, amely képes ilyen röntgenforrások megtalálására. A csillagászok szerint a nagy energiájú nyalábok az úgynevezett Compton-vastagságú tárgyakat, vagyis a porhéjba burkolt szupermasszív fekete lyukakat eredményeznek. A Compton-objektumok felelősek a háttérsugárzási mező 30.000 elektronvoltos röntgencsúcsáért.

Kutatásaikat folytatva azonban a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy a Compton-objektumok csak a fekete lyukak 10% -át teszik ki, amelyeknek nagy energiájú csúcsokat kell létrehozniuk. Ez komoly akadálya az elmélet további fejlődésének. Tehát a hiányzó röntgensugarak nem Compton-vastagságból származnak, hanem a közönséges szupermasszív fekete lyukakból? Akkor mi a helyzet a porfüggönyökkel az alacsony energiájú röntgensugarakhoz? Úgy tűnik, a válasz abban rejlik, hogy sok fekete lyuknak (Compton-objektum) volt elég ideje, hogy felvegye az összes őket körülvevő gázt és port, de előtte lehetőségük volt nagy energiájú röntgensugarakkal érvényesülni. Az összes anyag felszívódása után az ilyen fekete lyukak már nem tudtak röntgensugarakat generálni az eseményhorizonton. Világossá válik, hogy miért nem észlelhetők ezek a fekete lyukak, és lehetségessé válik a háttérsugárzás hiányzó forrásainak tulajdonítása, mivel bár a fekete lyuk már nem bocsát ki, az általa korábban létrehozott sugárzás folytatja útját a Világegyetemen. Teljesen lehetséges azonban, hogy a hiányzó fekete lyukak rejtettebbek, mint a csillagászok feltételezik, vagyis az, hogy nem látjuk őket, nem jelenti azt, hogy nincsenek ott. Egyszerűen nincs elég megfigyelő erőnk ahhoz, hogy lássuk őket. Eközben a NASA tudósai azt tervezik, hogy a rejtett fekete lyukak keresését még tovább bővítik az univerzumban. Azt mondják, hogy ott található a jéghegy víz alatti része. A Swift misszió részeként néhány hónapig kutatásokat végeznek. A mély univerzumba való behatolás felfedi a rejtett fekete lyukakat, megtalálja a háttérsugárzás hiányzó láncszemét, és megvilágítja tevékenységüket az univerzum korai korszakában.

Néhány fekete lyuk aktívabbnak tekinthető, mint csendes szomszéda. Az aktív fekete lyukak elnyelik a környező anyagot, és ha egy "tátongó" csillag, amely elhalad mellettük, gravitációs járatba kerül, akkor minden bizonnyal a legbarbárisabb módon "megeszik" (darabokra tépve). A fekete lyukra eső felszívódott anyag óriási hőmérsékletre melegszik fel, és villanást tapasztal a gamma-, röntgen- és ultraibolya tartományban. A Tejútrendszer közepén is van egy szupermasszív fekete lyuk, de nehezebb tanulmányozni, mint a közeli vagy akár távoli galaxisok lyukait. Ennek oka a galaxisunk középpontjában álló sűrű gáz- és porfal, mert a Naprendszer szinte a galaktikus korong szélén helyezkedik el. Ezért a fekete lyukak aktivitásának megfigyelése sokkal hatékonyabb azoknál a galaxisoknál, amelyek magja jól látható. Amikor a Bootes csillagképben elhelyezkedő távoli galaxisok egyikét figyelte meg 4 milliárd fényév távolságban, a csillagászoknak először sikerült a kezdetektől fogva és szinte a végéig nyomon követniük a csillagok szupermasszív fekete lyuk általi elnyelési folyamatát. Ez az óriás összeomló évezredeken át csendben pihent egy meg nem nevezett elliptikus galaxis közepén, amíg az egyik csillag nem mert elég közel kerülni hozzá.

A fekete lyuk nagy gravitációja szétszakította a csillagot. Az anyagcsomók elkezdtek hullni a fekete lyukra, és amikor elérik az eseményhorizontot, fényesen fellángolnak az ultraibolya tartományban. Ezeket a fellángolásokat rögzítette az új NASA űrtávcső, a Galaxy Evolution Explorer, amely ultraibolya fényben tanulmányozza az eget. A távcső ma is figyeli a kitüntetett tárgy viselkedését. a fekete lyuk étkezése még nem ért véget, és a csillag maradványai továbbra is az idő és a tér szakadékába esnek. Az ilyen folyamatok megfigyelései végül segítenek jobban megérteni, hogyan fejlődnek a fekete lyukak a szülőgalaxisukkal (vagy fordítva, a galaxisok a fekete lyukkal). A korábbi megfigyelések azt mutatják, hogy az ilyen túlkapások nem ritkák az univerzumban. A tudósok becslései szerint átlagosan egy csillagot egy tipikus galaxis szupermasszív fekete lyuka 10 000 évente egyszer elnyel, de mivel sok galaxis létezik, a csillagok abszorpciója sokkal gyakrabban figyelhető meg.

egy forrás

A fizika és a csillagászat óriási fejlődése ellenére számos jelenség létezik, amelyek lényegét nem tárták fel teljesen. Ezek a jelenségek magukban foglalják a titokzatos fekete lyukakat, amelyekről minden információ csak elméleti, és a gyakorlatban nem ellenőrizhető.

Léteznek fekete lyukak?

A csillagászok már a relativitáselmélet megjelenése előtt kifejtették a fekete tölcsérek létezésének elméletét. Einstein elméletének közzététele után felülvizsgálták a gravitáció kérdését, és új feltételezések jelentek meg a fekete lyukak problémájában. Irreális látni ezt a kozmikus tárgyat, mert elnyeli az összes fényt, ami a térbe kerül. A tudósok a csillagközi gázok mozgásának és a csillagok pályájának elemzése alapján bizonyítják a fekete lyukak létezését.

A fekete lyukak kialakulása a körülöttük lévő tér-idő jellemzők megváltozásához vezet. Úgy tűnik, hogy az idő hatalmas gravitáció hatására összenyomódik, és lelassul. A fekete tölcsér útjában elkapott csillagok eltérhetnek útvonaluktól, és akár irányt is változtathatnak. A fekete lyukak elnyelik ikercsillaguk energiáját, ami szintén megnyilvánul.

Hogyan néz ki a fekete lyuk?

A fekete lyukakkal kapcsolatos információk nagy része hipotetikus. A tudósok tanulmányozzák őket az űrre és a sugárzásra gyakorolt ​​hatásuk alapján. Az univerzumban nem lehet fekete lyukakat látni, mert elnyelik a közeli térbe jutó összes fényt. A fekete tárgyakról röntgenfelvételt készítettek speciális műholdakról, amelyeken világos középpont látható, amely a sugarak sugárzásának forrása.

Hogyan képződnek a fekete lyukak?

A fekete lyuk az űrben egy külön világ, amelynek megvannak a maga egyedi jellemzői és tulajdonságai. A kozmikus lyukak tulajdonságai a megjelenésük okai. A következő elméletek léteznek a fekete tárgyak megjelenésével kapcsolatban:

1. Ezek az űrben bekövetkező összeomlások következményei. Ez lehet nagy kozmikus testek ütközése vagy szupernóva -robbanás.
2. Ezek a térbeli objektumok súlyozásának eredményeként keletkeznek, miközben megtartják méretüket. Ennek okát nem határozták meg.

A fekete tölcsér olyan tárgy a térben, amely viszonylag kicsi, hatalmas tömeggel. A fekete lyuk elmélete szerint minden kozmikus objektum potenciálisan fekete tölcsérré válhat, ha bizonyos jelenségek következtében elveszíti méretét, de megtartja tömegét. A tudósok még sok fekete mikrolyuk létezéséről is beszélnek - viszonylag nagy tömegű miniatűr űrobjektumokról. A tömeg és a méret közötti eltérés a gravitációs mező növekedéséhez és az erős vonzerő megjelenéséhez vezet.

Mi van a fekete lyukban?

Egy fekete titokzatos tárgyat csak szakaszon lehet lyuknak nevezni. Ennek a jelenségnek a középpontja egy megnövelt gravitációjú kozmikus test. Az ilyen gravitáció eredménye erős vonzás e kozmikus test felszínén. Ebben az esetben örvényáram keletkezik, amelyben gázok és kozmikus porrészecskék forognak. Ezért helyesebb fekete lyukat fekete tölcsérnek nevezni.

A gyakorlatban lehetetlen megtudni, mi van a fekete lyuk belsejében, mert a kozmikus tölcsér gravitációs szintje nem engedi, hogy bármely tárgy elmeneküljön a befolyási zónából. A tudósok szerint teljes sötétség van a fekete lyukon belül, mert a fénykvantumok visszavonhatatlanul eltűnnek benne. Feltételezzük, hogy a tér és az idő torz a fekete tölcsér belsejében, a fizika és a geometria törvényei nem érvényesek ezen a helyen. A fekete lyukak ilyen tulajdonságai feltehetően antianyag kialakulásához vezethetnek, amely jelenleg nem ismerős a tudósok számára.

Miért veszélyesek a fekete lyukak?

Néha a fekete lyukakat olyan tárgyaknak nevezik, amelyek elnyelik a környező tárgyakat, sugárzást és részecskéket. Ez a nézet helytelen: a fekete lyuk tulajdonságai lehetővé teszik, hogy csak azt vegye fel, ami a befolyási zónájába esik. Kozmikus mikrorészecskéket és ikercsillagokból származó sugárzást tud magába szívni. Még akkor is, ha a bolygó a fekete lyuk közelében van, nem szívódik fel, hanem tovább fog mozogni a pályáján.

Mi történik, ha egy fekete lyukba esik?

A fekete lyukak tulajdonságai a gravitációs mező erősségétől függenek. A fekete tölcsérek vonzanak mindent, ami a befolyási zónájukba esik. Ebben az esetben a tér-idő jellemzők megváltoznak. A tudósok, akik mindent tanulmányoznak a fekete lyukakról, nem értenek egyet abban, hogy mi történik a tölcsérben lévő tárgyakkal:

• egyes tudósok feltételezik, hogy az ezekbe a lyukakba eső összes tárgy kifeszül vagy darabokra szakad, és nincs idejük elérni a vonzó tárgy felületét;
• más tudósok azzal érvelnek, hogy minden szokásos tulajdonság lyukakba van hajlítva, így az ottani tárgyak eltűnni látszanak időben és térben. Emiatt a fekete lyukakat néha más világok kapujának nevezik.

A fekete lyukak típusai

A fekete tölcséreket típusuk szerint osztják fel a kialakításuk módja szerint:

1. A csillagtömegek fekete tárgyai egyes csillagok életének végén születnek. A csillag teljes égése és a termonukleáris reakciók befejezése a csillag összehúzódásához vezet. Ha azonban a csillag gravitációs összeomláson megy keresztül, akkor fekete tölcsérré alakulhat át.
2. Szupermasszív fekete tölcsérek... A tudósok azzal érvelnek, hogy bármely galaxis magja egy szupermasszív tölcsér, amelynek kialakulása egy új galaxis kialakulásának kezdete.
3. Elsődleges fekete lyukak... Ez magában foglalhat különböző tömegeket, beleértve az anyagsűrűség és a gravitáció eltérései által létrehozott mikrolyukakat. Az ilyen lyukak az Univerzum születésének elején kialakított tölcsérek. Ide tartoznak az olyan tárgyak is, mint a szőrös fekete lyuk. Ezeket a lyukakat a szőrszálakhoz hasonló sugarak jelenítik meg. Feltételezzük, hogy ezek a fotonok és gravitonok tárolják a fekete lyukba eső információk egy részét.
4. Kvantum fekete lyukak... A nukleáris reakciók eredményeként jelennek meg, és rövid ideig élnek. A kvantumtölcsérek jelentik a legnagyobb érdeklődést, mivel tanulmányuk segíthet válaszolni a fekete űr objektumok problémájával kapcsolatos kérdésekre.
5. Egyes tudósok megkülönböztetik ezt a fajta űrtárgyat, a szőrös fekete lyukat. Ezeket a lyukakat a szőrszálakhoz hasonló sugarak jelenítik meg. Feltételezzük, hogy ezek a fotonok és gravitonok tárolják a fekete lyukba eső információk egy részét.

A Földhöz legközelebb eső fekete lyuk

A legközelebbi fekete lyuk 3000 fényévnyire van a Földtől. A neve V616 Monocerotis, vagy V616 Mon. Súlya eléri a 9-13 naptömeget. Ennek a lyuknak a bináris partnere a Nap tömege körülbelül fele. Egy másik, a Földhöz viszonylag közel lévő tölcsér a Cygnus X-1. 6 ezer fényévre található a Földtől és 15-ször nagyobb súlyú, mint a Nap. Ennek a fekete kozmikus lyuknak saját bináris partnere is van, amelynek mozgása segít nyomon követni a Cygnus X-1 hatását.

Fekete lyukak - érdekes tények

A tudósok ilyen érdekes tényeket mondanak a fekete tárgyakról:

1. Ha figyelembe vesszük, hogy ezek a tárgyak a galaxisok középpontja, akkor a legnagyobb tölcsér kereséséhez meg kell találni a legnagyobb galaxist. Ezért az univerzum legnagyobb fekete lyuka egy tölcsér, amely az IC 1101 galaxisban található, az Abell 2029 halmaz közepén.
2. A fekete tárgyak valójában többszínűnek tűnnek. Ennek oka a rádiómágneses sugárzásuk.
3. Nincsenek állandó fizikai vagy matematikai törvények a fekete lyuk közepén. Minden a lyuk tömegétől és gravitációs mezőjétől függ.
4. A fekete tölcsérek fokozatosan elpárolognak.
5. A fekete tölcsérek tömege hihetetlen lehet. A legnagyobb fekete lyuk tömege 30 millió naptömeg.

A fekete lyuk fogalma mindenki számára ismert - az iskolásoktól az idősekig - a tudományos és tudományos -fantasztikus irodalomban, a sárga médiában és a tudományos konferenciákon használják. De hogy pontosan mik ezek a lyukak, nem mindenki tudja.

A fekete lyukak történetéből

1783 g. A fekete lyuk jelenségének első hipotézisét John Michell angol tudós vetette fel 1783 -ban. Elméletében egyesítette Newton két alkotását - az optikát és a mechanikát. Michell ötlete a következő volt: ha a fény a legkisebb részecskék áramlása, akkor a részecskéknek, mint minden más testnek, meg kell tapasztalniuk a gravitációs mező vonzását. Kiderül, hogy minél masszívabb a csillag, annál nehezebben tud ellenállni a fény a vonzásának. Tizenhárom évvel Michell után Laplace francia csillagász és matematikus előterjesztett (valószínűleg brit kollégájától függetlenül) hasonló elméletet.

1915 g. Azonban minden művük a 20. század elejéig követelés nélkül maradt. 1915-ben Albert Einstein közzétette az Általános relativitás című könyvet, és kimutatta, hogy a gravitáció az anyag okozta tér-idő görbülete, és néhány hónappal később a német csillagász és elméleti fizikus, Karl Schwarzschild felhasználta egy konkrét csillagászati ​​probléma megoldására. Vizsgálta a Nap körüli görbült téridő szerkezetét, és újra felfedezte a fekete lyukak jelenségét.

(John Wheeler bevezette a "fekete lyukak" kifejezést a tudományos használatba)

1967 év John Wheeler amerikai fizikus felvázolt egy teret, amelyet össze lehet gyűrni, mint egy papírlapot, egy végtelen kicsi pontba, és megnevezte a "fekete lyuk" kifejezést.

1974 év Stephen Hawking brit fizikus bebizonyította, hogy a fekete lyukak, miközben a métert vissza nem szívják, sugárzást bocsáthatnak ki és végül elpárologhatnak. Ezt a jelenséget Hawking -sugárzásnak nevezik.

2013 g. A pulzárok és kvazárok legújabb tanulmányai, valamint az ereklyesugárzás felfedezése végre lehetővé tette a fekete lyukak fogalmának leírását. 2013 -ban a G2 gázfelhő nagyon közel került egy fekete lyukhoz, és valószínűleg magába szívja, az egyedi folyamat megfigyelése óriási lehetőségeket kínál a fekete lyukak tulajdonságainak új felfedezéséhez.

(A Nyilas A *masszív objektum, tömege 4 milliószor nagyobb, mint a Napé, ami csillaghalmazra és fekete lyuk kialakulására utal)

2017 év... A tudósok egy csoportja több ország Event Horizon Telescope együttműködéséből, miután nyolc távcsövet kötött össze a Föld kontinenseinek különböző pontjairól, megfigyeléseket végzett a fekete lyukról, amely szupermasszív objektum és az M87 galaxisban, a Szűz csillagképben található . A tárgy tömege 6,5 milliárd (!) Naptömeg, gigantikusan nagyobb, mint a nyilas A *masszív objektum, összehasonlításképpen, átmérője valamivel kisebb, mint a Nap és a Plútó közötti távolság.

A megfigyeléseket több szakaszban hajtották végre, 2017 tavaszától kezdve és 2018 egész időszakában. Az információ mennyiségét petabájtban számították ki, amelyet ezután meg kellett fejteni, és valódi pillanatképet kaptunk egy nagyon távoli objektumról. Ezért további két egész évbe telt az összes adat alapos feldolgozása és egyetlen egésszé való egyesítése.

2019. dec Az adatokat sikeresen dekódolták és a fekete lyuk első képévé tették.

(Az első pillanatfelvétel egy fekete lyukról az M87 galaxisban a Szűz csillagképben)

A képfelbontás lehetővé teszi, hogy a visszatérési pont árnyékát az objektum közepén lássa. A képet interferometrikus megfigyelések eredményeként kapták, nagyon hosszú alapvonallal. Ezek egy objektum úgynevezett szinkron megfigyelései több rádióteleszkópból, amelyeket egy hálózat köt össze, és amelyek a földgolyó különböző részein helyezkednek el, ugyanabba az irányba.

Milyenek a fekete lyukak valójában

A jelenség lakonikus magyarázata így hangzik.

A fekete lyuk egy tér-idő régió, amelynek gravitációs vonzereje olyan nagy, hogy egyetlen tárgy, beleértve a fénykvantumokat sem hagyhatja el.

A fekete lyuk egykor hatalmas csillag volt. Amíg a termonukleáris reakciók magas nyomást tartanak fenn a belekben, minden normális marad. De idővel az energiaellátás kimerül, és az égitest saját gravitációja hatására zsugorodni kezd. Ennek a folyamatnak az utolsó szakasza a csillagmag összeomlása és egy fekete lyuk kialakulása.

• 1. Fúvóka kilövése fekete lyuk által nagy sebességgel


• 2. Az anyag korongja fekete lyukba nő


• 3. Fekete lyuk


• 4. A fekete lyuk régiójának részletes diagramja


• 5. A talált új megfigyelések mérete

A legelterjedtebb elmélet szerint hasonló jelenségek léteznek minden galaxisban, beleértve a Tejútrendszerünk közepét is. A lyuk hatalmas gravitációs ereje képes több galaxist maga körül tartani, megakadályozva, hogy eltávolodjanak egymástól. A "lefedettségi terület" eltérő lehet, minden a csillag fekete lyukká alakult tömegétől függ, és több ezer fényév is lehet.

Schwarzschild sugár

A fekete lyuk fő tulajdonsága, hogy minden anyag, amely bejut, soha nem térhet vissza. Ugyanez vonatkozik a fényre is. Magukban a lyukak olyan testek, amelyek teljesen elnyelik az összes rájuk eső fényt, és nem bocsátják ki a sajátjukat. Az ilyen tárgyak vizuálisan az abszolút sötétség csomóiként jelenhetnek meg.

• 1. Anyag mozgásban a fénysebesség felével


• 2. Fotongyűrű


• 3. Belső fotonikus gyűrű


• 4. Eseményhorizont egy fekete lyukban

Einstein általános relativitáselmélete alapján, ha a test megközelítette a lyuk középpontjához tartozó kritikus távolságot, akkor már nem tud visszatérni. Ezt a távolságot Schwarzschild sugárnak nevezik. Hogy pontosan mi történik ezen a sugarú körön belül, nem biztos, de a leggyakoribb elmélet létezik. Úgy gondolják, hogy a fekete lyuk minden anyaga egy végtelenül kicsi pontban koncentrálódik, és a középpontjában egy végtelen sűrűségű tárgy található, amelyet a tudósok szinguláris zavarnak neveznek.

Hogyan történik a fekete lyukba esés?

(A képen a Nyilas A * fekete lyuk rendkívül fényes fényhalmaznak tűnik)

Nem is olyan régen, 2011 -ben a tudósok felfedezték a gázfelhőt, amely a szokatlan fényt kibocsátó, egyszerű G2 nevet kapta. Az ilyen izzás súrlódást okozhat a gázban és a porban, amelyet a Nyilas A * fekete lyuk hatása okoz, és amely felhalmozódási korong formájában forog körülötte. Így megfigyelőivé válunk annak a csodálatos jelenségnek, hogy a gázfelhőt egy szupermasszív fekete lyuk elnyeli.

A legújabb tanulmányok szerint a fekete lyukhoz legközelebb 2014 márciusában kerül sor. Újraalkothatunk egy képet arról, hogy ez a látványos látvány hogyan fog megvalósulni.

• 1. Amikor először megjelenik az adatokban, a gázfelhő hatalmas gáz- és porgolyóra hasonlít.


• 2. Most, 2013 júniusától a felhő tízmilliárd kilométerre van a fekete lyuktól. 2500 km / s sebességgel esik bele.


• 3. Várhatóan a felhő elhalad a fekete lyuk mellett, de a felhő vezető és hátsó szélére ható vonzáskülönbség okozta dagályos erők hatására egyre hosszabb lesz.


• 4. Miután a felhő szétesett, annak nagy része valószínűleg a Nyilas A *körüli akkréciós korongba áramlik, és lökéshullámokat generál benne. Ugyanakkor a hőmérséklet több millió fokra ugrik.


• 5. A felhő egy része közvetlenül a fekete lyukba esik. Senki sem tudja pontosan, mi fog történni ezzel az anyaggal később, de várható, hogy az esés során erős röntgensugarakat bocsát ki, és senki más nem fogja látni.

Videó: egy fekete lyuk elnyeli a gázfelhőt

(Számítógépes szimuláció arról, hogy a G2 gázfelhő nagy részét hogyan fogja elpusztítani és elnyelni a fekete lyuk Nyilas A *)

Mi van a fekete lyuk belsejében

Van egy elmélet, amely azt állítja, hogy a fekete lyuk gyakorlatilag üres belül, és minden tömege egy hihetetlenül kis pontban koncentrálódik, amely a közepén található - szingularitás.

Egy másik, fél évszázada létező elmélet szerint minden, ami egy fekete lyukba esik, egy másik univerzumba kerül, amely magában a fekete lyukban található. Most nem ez az elmélet a fő.

És van egy harmadik, legmodernebb és szívós elmélet, amely szerint minden, ami egy fekete lyukba esik, feloldódik a vonal rezgéseiben az eseményhorizontként kijelölt felületén.

Tehát mi az eseményhorizont? Még egy szupererős távcsővel sem lehet belenézni a fekete lyukba, mivel még a fénynek is, amely egy óriási kozmikus tölcsérbe kerül, esélye sincs visszatérni. Minden, ami legalább valahogy látható, a közvetlen közelében van.

Az eseményhorizont egy hagyományos felszíni vonal, amely alól semmi (sem gáz, sem por, sem csillag, sem fény) már nem tud menekülni. És ez ugyanaz a titokzatos pont, amely nem tér vissza az Univerzum fekete lyukaiba.

S. TRANKOVSKY

A modern fizika és asztrofizika legfontosabb és legérdekesebb problémái között VL Ginzburg akadémikus a fekete lyukakkal kapcsolatos kérdéseket nevezte meg (lásd: "Tudomány és élet", 1999. 11., 12.). Ezeknek a furcsa tárgyaknak a létezését több mint kétszáz évvel ezelőtt jósolták meg, kialakulásukhoz vezető feltételeket pontosan kiszámították a 20. század harmincas éveinek végén, és az asztrofizika kevesebb mint negyven évvel ezelőtt érte őket. Ma a tudományos folyóiratok világszerte évente több ezer cikket publikálnak a fekete lyukakról.

A fekete lyuk háromféleképpen képződhet.

Szokás az összeomló fekete lyuk közelében zajló folyamatokat ábrázolni. Az idő múlásával (Y) a körülötte lévő (X) tér (a kitöltött terület) összehúzódik, hajlamos a szingularitásra.

A fekete lyuk gravitációs mezeje hozza a legerősebb torzulásokat a tér geometriájában.

A távcsövön keresztül láthatatlan fekete lyuk csak gravitációs hatása révén tárul fel.

A fekete lyuk erőteljes gravitációs mezőjében részecske-részecskék párok jönnek létre.

Részecske-antirészecske pár létrehozása a laboratóriumban.

HOGYAN KELNEK

A fényes égitest, amelynek sűrűsége megegyezik a Földével, és átmérője kétszázötvenszer a Nap átmérője, vonzereje miatt, nem engedi, hogy fénye elérjen minket. Így lehetséges, hogy a világegyetem legnagyobb fénytestei, éppen méretük miatt, láthatatlanok maradnak.
Pierre Simon Laplace.
A világ rendszerének vázlata. 1796 év.

1783 -ban John Mitchell angol matematikus, tizenhárom évvel később, tőle függetlenül, Pierre Simon Laplace francia csillagász és matematikus nagyon furcsa tanulmányt végzett. Fontolóra vették azokat a körülményeket, amelyek mellett a fény nem hagyhatja el a csillagot.

A tudósok logikája egyszerű volt. Bármely csillagászati ​​objektum (bolygó vagy csillag) esetén kiszámíthatja az úgynevezett menekülési sebességet, vagy a második kozmikus sebességet, amely lehetővé teszi, hogy bármely test vagy részecske örökre elhagyja azt. Az akkori fizikában pedig a newtoni elmélet uralkodott, amely szerint a fény részecskeáram (csaknem százötven év maradt az elektromágneses hullámok és kvantumok elmélete előtt). A részecskék menekülési sebessége kiszámítható a bolygó felszínén lévő potenciális energia és a végtelenül nagy távolságra "megszökött" test mozgási energiájának egyenlősége alapján. Ezt a sebességet az # 1 # képlet határozza meg

ahol M- az űrtárgy tömege, R- sugara, G- gravitációs állandó.

Ebből könnyen megkapható egy adott tömegű test sugara (később "gravitációs sugárnak" nevezik r g "), amelynél a menekülési sebesség egyenlő a fény sebességével:

Ez azt jelenti, hogy egy csillag egy sugárgömbbé tömörül r g< 2GM/c 2, leállítja a kibocsátást - a fény nem hagyhatja el. Fekete lyuk jelenik meg az univerzumban.

Nem nehéz kiszámítani, hogy a Nap (tömege 2,1033 g) fekete lyuk lesz, ha körülbelül 3 kilométeres sugarú körben összehúzódik. Anyagának sűrűsége ekkor eléri a 10 16 g / cm 3 -et. A Föld sugara egy fekete lyuk állapotába préselve körülbelül egy centiméterre csökken.

Hihetetlennek tűnt, hogy a természetben létezhetnek olyan erők, amelyek képesek ilyen jelentéktelen méretűre tömöríteni egy csillagot. Ezért a Mitchell és Laplace munkáiból levont következtetéseket több mint száz éven keresztül olyan matematikai paradoxonnak tekintették, amelynek nincs fizikai jelentése.

Szigorú matematikai bizonyíték arra, hogy egy ilyen egzotikus objektum az űrben lehetséges, csak 1916 -ban nyert. Karl Schwarzschild német csillagász, Albert Einstein általános relativitáselméletének egyenleteit elemezve, érdekes eredményt kapott. Miután tanulmányozta egy részecske mozgását egy masszív test gravitációs mezőjében, arra a következtetésre jutott, hogy az egyenlet elveszti fizikai jelentését (megoldása a végtelenségig megy) r= 0 és r = r g.

Azokat a pontokat, amelyeken a mező jellemzői elveszítik jelentését, egyesnek, azaz különlegesnek nevezzük. A nullpont szingularitása a mező pontját, vagy ugyanazt a központilag szimmetrikus szerkezetét tükrözi (elvégre bármely gömb alakú test - csillag vagy bolygó - anyagi pontként ábrázolható). És a gömbfelületen elhelyezkedő pontok egy sugárral r g, képezze azt a felületet, amelyről a menekülési sebesség egyenlő a fény sebességével. Az általános relativitáselméletben Schwarzschild -szinguláris szférának vagy eseményhorizontnak nevezik (miért - később kiderül).

Már a számunkra ismert tárgyak - a Föld és a Nap - példáján is egyértelmű, hogy a fekete lyukak nagyon furcsa tárgyak. Még azok a csillagászok is nagyon egzotikusnak tartják őket, akik szélsőséges hőmérsékleten, sűrűségben és nyomáson foglalkoznak az anyaggal, és egészen a közelmúltig nem mindenki hitt a létezésükben. A fekete lyukak kialakulásának lehetőségére vonatkozó első jeleket azonban már A. Einstein 1915 -ben létrehozott általános relativitáselmélete tartalmazta. Arthur Eddington angol csillagász, a relativitáselmélet egyik első értelmezője és népszerűsítője a 30 -as években a csillagok belső szerkezetét leíró egyenletrendszert vezetett le. Ebből következik, hogy a csillag egyensúlyban van az ellentétes irányú gravitációs erők és a belső nyomás hatására, amelyet a forró plazma részecskék csillagban való mozgása és a belsejében keletkező sugárzás nyomása hoz létre. Ez azt jelenti, hogy a csillag egy gázgolyó, amelynek közepén magas a hőmérséklet, fokozatosan csökken a periféria felé. Az egyenletekből különösen az következett, hogy a Nap felszínének hőmérséklete körülbelül 5500 fok (ami teljesen megfelel a csillagászati ​​mérések adatainak), és a középpontjában körülbelül 10 millió foknak kell lennie. Ez lehetővé tette Eddington számára, hogy prófétai következtetést vonjon le: ezen a hőmérsékleten egy termonukleáris reakció "meggyullad", ami elegendő a Nap ragyogásának biztosításához. Az akkori atomfizikusok ezzel nem értettek egyet. Számukra úgy tűnt, hogy a csillag belsejében túlságosan "hideg" van: az ottani hőmérséklet nem volt elegendő ahhoz, hogy a reakció "menjen". Erre a feldühödött teoretikus így válaszolt: "Keress melegebb helyet!"

És végül igaza lett: a termonukleáris reakció valóban a csillag közepén játszódik le (egy másik dolog az, hogy a termonukleáris fúzió koncepcióján alapuló úgynevezett "standard napmodell" nyilvánvalóan megfordult ha téves - lásd például: Tudomány és élet ", 2000, 2, 3). Ennek ellenére a csillag közepén lezajló reakció elmúlik, a csillag ragyog, és a folyamat során fellépő sugárzás stabil állapotban tartja. De a csillagban lévő nukleáris "üzemanyag" kiég. Az energia felszabadulása leáll, a sugárzás kialszik, és a gravitációs vonzást korlátozó erő eltűnik. A csillag tömege korlátozott, ezt követően a csillag visszafordíthatatlanul összehúzódni kezd. A számítások azt mutatják, hogy ez akkor fordul elő, ha a csillag tömege meghaladja a Nap tömegének kétszer -háromszorosát.

Gravitációs összeomlás

Kezdetben a csillag összehúzódásának sebessége kicsi, de sebessége folyamatosan növekszik, mivel a gravitációs erő fordítottan arányos a távolság négyzetével. A kompresszió visszafordíthatatlanná válik, nincsenek olyan erők, amelyek képesek ellensúlyozni az öngravitációt. Ezt a folyamatot gravitációs összeomlásnak nevezik. A csillag burkának a középpontja felé történő mozgásának sebessége megnő, megközelítve a fénysebességet. És itt a relativitáselmélet hatásai kezdenek szerepet játszani.

A menekülési sebességet Newtonnak a fény természetére vonatkozó elképzelései alapján számították ki. Az általános relativitáselmélet szempontjából az összeomló csillag közelében lévő jelenségek némileg eltérően fordulnak elő. Erőteljes gravitációs mezőjében megjelenik az úgynevezett gravitációs vöröseltolódás. Ez azt jelenti, hogy a masszív tárgyból származó sugárzás frekvenciája az alacsonyabb frekvenciák felé tolódik el. A határban, a Schwarzschild -gömb határán a sugárzási frekvencia nullává válik. Vagyis a rajta kívüli megfigyelő semmit sem tudhat meg arról, ami belül történik. Ezért hívják a Schwarzschild -szférát eseményhorizontnak.

De a frekvencia csökkentése egyenlő az idő lelassításával, és amikor a frekvencia nullára csökken, az idő leáll. Ez azt jelenti, hogy egy külső szemlélő nagyon furcsa képet fog látni: a csillag héja, amely egyre gyorsabban esik le, ahelyett, hogy elérné a fénysebességet, megáll. Az ő szemszögéből a tömörítés abbamarad, amint a csillag mérete megközelíti a gravitációt
bajusz. Soha nem fog látni legalább egy részecskét "búvárkodni" a Schwarzschiel gömb alatt igen. De egy hipotetikus megfigyelőnek, aki egy fekete lyukba esik, minden pillanatok alatt véget ér az óráján. Így a Nap méretű csillag gravitációs összeomlásának ideje 29 perc, egy sokkal sűrűbb és kompaktabb neutroncsillagé pedig mindössze 1 / 20.000 másodperc. És itt csapdába ejti a fekete-lyuk közelében lévő tér-idő geometriájához kapcsolódó kellemetlenség.

A megfigyelő egy ívelt térbe esik. A gravitációs sugár közelében a gravitációs erők végtelenül nagyok lesznek; végtelen vékony, végtelen hosszú szálká nyújtják a rakétát a megfigyelő űrhajóssal. De ezt ő maga nem fogja észrevenni: minden deformációja megfelel a tér-idő koordináták torzításainak. Ez az érvelés természetesen az ideális, hipotetikus esetre utal. Bármilyen valódi testet az árapály -erők jóval a Schwarzschild -szféra megközelítése előtt szétszakítanak.

FEKETE lyukak mérete

A fekete lyuk mérete, vagy inkább a Schwarzschild gömb sugara arányos a csillag tömegével. És mivel az asztrofizika nem ír elő semmilyen korlátozást a csillag méretére, akkor a fekete lyuk tetszőlegesen nagy lehet. Ha például egy 10 8 naptömegű csillag összeomlása során keletkezett (vagy több százezer, vagy akár több millió viszonylag kis csillag összeolvadása miatt), annak sugara körülbelül 300 millió kilométer lesz, kétszer a Föld pályája. És egy ilyen óriás anyagának átlagos sűrűsége közel áll a víz sűrűségéhez.

Nyilvánvalóan ezek a fekete lyukak találhatók a galaxisok központjában. Mindenesetre a csillagászok ma körülbelül ötven galaxist számlálnak, amelyek középpontjában, közvetett jelekből ítélve (alább beszélünk róluk), egymilliárdos (10 9) nagyságú naptömegű fekete lyukak találhatók. A mi Galaxisunknak is nyilvánvalóan saját fekete lyuka van; tömeget egészen pontosan meg lehetett becsülni - 2.4. 10 6 ± 10% -a a Nap tömegének.

Az elmélet azt sugallja, hogy az ilyen szuperóriásokkal együtt meg kellett volna jelenniük a körülbelül 10 14 g tömegű és körülbelül 10-12 cm sugarú (mini atomméretű) fekete mini lyukaknak. Az Univerzum létezésének első pillanataiban jelenhetnek meg, mint a tér-idő nagyon erős inhomogenitásának megnyilvánulása kolosszális energiasűrűség mellett. A Világegyetemben akkor fennálló körülményeket most erőteljes ütközők (gyorsítók ütköző gerendákon) kutatói valósítják meg. A CERN -nél az év elején végzett kísérletek lehetővé tették kvark -gluon plazma - olyan anyag előállítását, amely az elemi részecskék megjelenése előtt létezett. Az anyag állapotának kutatása folytatódik Brookhaven -ben, az American Accelerator Centerben. Képes a részecskéket másfél -két nagyságrenddel magasabb energiává gyorsítani, mint a gyorsító
CERN. A készülő kísérlet komoly aggodalmat keltett: nem jelenik-e meg a megvalósítás során egy fekete mini lyuk, amely meghajlítja a térünket és elpusztítja a Földet?

Ez a félelem olyan erős visszhangot váltott ki, hogy az amerikai kormány kénytelen volt tekintélyes bizottságot összehívni ennek a lehetőségnek a tesztelésére. A prominens kutatókból álló bizottság arra a következtetésre jutott, hogy a gyorsító energiája túl alacsony ahhoz, hogy fekete lyuk jelenjen meg (ezt a kísérletet a "Science and Life" folyóirat ismerteti, 2000. 3. szám).

HOGYAN LÁTSZÁS A LÁTHATATlant

A fekete lyukak nem bocsátanak ki semmit, még fényt sem. A csillagászok azonban megtanulták látni őket, vagy inkább "jelölteket" találni erre a szerepre. A fekete lyuk megtalálásának három módja van.

1. Szükséges nyomon követni a csillagok forgását fürtökben egy bizonyos súlypont körül. Ha kiderül, hogy ebben a központban nincs semmi, és a csillagok mintha egy üres tér körül forognak, bátran kijelenthetjük: fekete lyuk van ebben az „ürességben”. Ezen az alapon feltételezték a galaxisunk közepén lévő fekete lyuk jelenlétét és a tömegét.

2. A fekete lyuk aktívan szívja az anyagot a környező térből. A csillagközi por, gáz, a közeli csillagok anyaga spirálisan hull rá, és a Szaturnusz gyűrűjéhez hasonlóan úgynevezett felhalmozódási korongot képez. (Pontosan ez ijesztette meg a Brookhaven-kísérletet: a gyorsítóban kialakult fekete mini lyuk elkezdi magába szívni a Földet, és ezt a folyamatot semmilyen erő nem tudta megállítani.) A Schwarzschild-gömbhöz közeledve a részecskék gyorsulnak és a röntgentartományban kezdenek kibocsátani. Ennek a sugárzásnak a jellemző spektruma hasonló a szinkrotronban felgyorsított részecskék jól tanulmányozott sugárzásához. És ha az ilyen sugárzás az Univerzum valamely területéről érkezik, akkor nyugodtan mondhatjuk, hogy fekete lyuknak kell lennie.

3. Amikor két fekete lyuk összeolvad, megjelenik a gravitációs sugárzás. A számítások szerint, ha mindegyikük tömege körülbelül tízszerese a Nap tömegének, akkor amikor néhány óra alatt egyesülnek, az össztömegük 1% -ának megfelelő energia gravitációs hullámok formájában szabadul fel. Ez ezerszer több, mint a fény, a hő és más energia, amelyet a Nap bocsátott ki fennállása során - ötmilliárd év alatt. Azt remélik, hogy a gravitációs sugárzást a LIGO és mások gravitációs hullámú obszervatóriumok segítségével tudják kimutatni, amelyeket most Amerikában és Európában építenek orosz kutatók részvételével (lásd: "Tudomány és élet", 2000. 5. sz.).

És mégis, bár a csillagászoknak nincs kétsége a fekete lyukak létezésével kapcsolatban, senki sem vállalja, hogy kategorikusan azt állítja, hogy az űr egy adott pontján pontosan ezek közé tartozik. A tudományos etika és a kutató lelkiismeretessége egyértelmű választ igényel a feltett kérdésre, amely nem tűri az eltérést. Nem elég megbecsülni egy láthatatlan tárgy tömegét, meg kell mérni a sugarát, és meg kell mutatni, hogy nem haladja meg a Schwarzschild -t. És még a galaxisunk határain belül is ez a probléma még nem megoldható. Éppen ezért a tudósok bizonyos visszafogottságot tanúsítottak felfedezésük bejelentésében, a tudományos folyóiratok pedig szó szerint tele vannak elméleti munkáról szóló beszámolókkal és hatások megfigyelésével, amelyek megvilágíthatják rejtélyüket.

Vannak azonban fekete lyukak és egy további, elméletileg megjósolt tulajdonság, amelyek talán lehetővé teszik, hogy lássák őket. De egy feltétellel: a fekete lyuk tömegének sokkal kisebbnek kell lennie, mint a Nap tömegének.

A FEKETE lyuk "FEHÉR"

Sokáig a fekete lyukakat tartották a sötétség megtestesülésének, olyan tárgyakat, amelyek vákuumban, az anyag felszívódásának hiányában nem bocsátanak ki semmit. 1974 -ben azonban a híres angol teoretikus, Stephen Hawking kimutatta, hogy a hőmérséklet a fekete lyukaknak tulajdonítható, és ezért sugározniuk kell.

A kvantummechanika fogalmai szerint a vákuum nem üresség, hanem egyfajta "tér-idő hab", virtuális (a mi világunkban megfigyelhetetlen) részecskék zűrzavara. A kvantumenergia-ingadozások azonban képesek egy részecske-részecske-antirészecske-pár "kidobására" a vákuumból. Például, amikor két vagy három gamma kvantuma ütközik, egy elektron és egy pozitron jelenik meg, mintha a semmiből származna. Ezt és hasonló jelenségeket sokszor megfigyelték a laboratóriumokban.

A fekete lyukak sugárzási folyamatait a kvantumingadozások határozzák meg. Ha egy pár részecskék energiákkal Eés -E(a pár teljes energiája nulla), a Schwarzschild -gömb közelében keletkezik, a részecskék további sorsa más lesz. Szinte azonnal megsemmisíthetnek, vagy együtt mennek az eseményhorizont alá. Ebben az esetben a fekete lyuk állapota nem változik. De ha csak egy részecske kerül a látóhatár alá, a megfigyelő regisztrál egy másikat, és úgy tűnik számára, hogy azt egy fekete lyuk hozta létre. Ebben az esetben egy fekete lyuk, amely energiával szívta fel a részecskéket -E, csökkenti energiáját, és energiával E- növekedni fog.

Hawking kiszámította a folyamatok sebességét, és arra a következtetésre jutott: nagyobb a negatív energiájú részecskék abszorpciójának valószínűsége. Ez azt jelenti, hogy a fekete lyuk energiát és tömeget veszít - elpárolog. Ezenkívül abszolút fekete testként sugároz, hőmérséklettel T = 6 . 10 -8 M val vel / M kelvin, hol Mс - a Nap tömege (2,10 33 g), M a fekete lyuk tömege. Ez az egyszerű összefüggés azt mutatja, hogy a naptömeg hatszoros tömegű fekete lyuk hőmérséklete egyenlő százmilliomodik fokgal. Nyilvánvaló, hogy egy ilyen hideg test gyakorlatilag nem sugároz semmit, és a fenti érvelés mind érvényes marad. A mini lyukak más kérdés. Könnyen belátható, hogy 10 14 -10 30 gramm tömeggel kiderül, hogy tízezer fokra hevülnek és fehéren forróak! Azonban azonnal meg kell jegyezni, hogy nincs ellentmondás a fekete lyukak tulajdonságaival: ezt a sugárzást a Schwarzschild -gömb feletti réteg bocsátja ki, és nem alatta.

Tehát egy fekete lyuk, amely örökre fagyott tárgynak tűnt, előbb -utóbb eltűnik, elpárolog. Sőt, mivel "lefogy", a párolgási sebesség növekszik, de még mindig rendkívül hosszú ideig tart. Becslések szerint a 10 14 gramm tömegű mini lyukaknak, amelyek közvetlenül az ősrobbanás után jelentek meg 10-15 milliárd évvel ezelőtt, korunknak teljesen el kellett párolognia. Életük utolsó szakaszában a hőmérséklet eléri a kolosszális értékeket, ezért a párolgási termékeknek rendkívül nagy energiájú részecskéknek kell lenniük. Lehetséges, hogy éppen ezek okozzák a széles atmoszférikus záporokat a Föld légkörében - EAS. Mindenesetre az anomálisan nagy energiájú részecskék eredete egy másik fontos és érdekes probléma, amely szorosan összefügghet a fekete lyukak fizikájának ugyanolyan izgalmas kérdéseivel.