ทำนายว่าในหลุมดำจะมีภาวะเอกฐาน ซึ่งเป็นสถานที่ที่พลังคลื่นมีขนาดใหญ่เป็นอนันต์ และเมื่อคุณผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ คุณจะไม่สามารถไปที่อื่นได้นอกจากภาวะเอกภาวะ ดังนั้นจึงเป็นการดีกว่าที่จะไม่ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในสถานที่เหล่านี้ - มันไม่ได้ผล เพื่อบอกว่าเกิดอะไรขึ้นภายในหลุมดำ เราจำเป็นต้องมีทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าทฤษฎีนี้จะแทนที่เอกภาวะด้วยสิ่งอื่น

หลุมดำก่อตัวได้อย่างไร?

ขณะนี้เรารู้สี่แห่ง ในรูปแบบที่แตกต่างกันการก่อตัวของหลุมดำ เราเข้าใจสิ่งที่เกี่ยวข้องกับการล่มสลายของดวงดาวได้ดีที่สุด ดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่พอจะก่อตัวเป็นหลุมดำหลังจากที่นิวเคลียร์ฟิวชันของมันหยุดลง เนื่องจากทุกสิ่งที่สามารถหลอมรวมได้ได้ถูกหลอมรวมกันแล้ว เมื่อความดันที่เกิดจากการสังเคราะห์หยุดลง สสารเริ่มตกลงสู่ศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงของมันเอง และมีความหนาแน่นมากขึ้น ในที่สุดมันก็หนาแน่นมากจนไม่มีสิ่งใดสามารถเอาชนะอิทธิพลแรงโน้มถ่วงบนพื้นผิวดาวฤกษ์ได้ นั่นคือวิธีที่หลุมดำถือกำเนิดขึ้น หลุมดำเหล่านี้เรียกว่า "หลุมดำมวลดวงอาทิตย์" และเป็นหลุมดำที่พบได้บ่อยที่สุด

หลุมดำประเภทถัดไปที่พบบ่อยคือ “หลุมดำมวลมหาศาล” ซึ่งสามารถพบได้ที่ใจกลางกาแลคซีหลายแห่ง และมีมวลมากกว่าหลุมดำมวลดวงอาทิตย์ประมาณพันล้านเท่า ยังไม่ทราบแน่ชัดว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไร เชื่อกันว่าพวกมันเคยเริ่มต้นจากการเป็นหลุมดำมวลดวงอาทิตย์ซึ่งในใจกลางกาแลคซีที่มีประชากรหนาแน่น ได้กลืนดาวฤกษ์อื่นๆ จำนวนมากและเติบโตขึ้น อย่างไรก็ตาม ดูเหมือนว่าจะดูดซับสารได้เร็วกว่าที่แนะนำ ความคิดง่ายๆและวิธีที่พวกเขาทำเช่นนี้ยังคงเป็นเรื่องของการวิจัย

แนวคิดที่ถกเถียงกันมากกว่านี้คือหลุมดำดึกดำบรรพ์ ซึ่งอาจก่อตัวขึ้นจากมวลใดๆ ก็ตามที่มีการผันผวนของความหนาแน่นสูงในเอกภพยุคแรกเริ่ม แม้ว่าสิ่งนี้จะเป็นไปได้ แต่ก็ค่อนข้างยากที่จะหาแบบจำลองที่ผลิตสิ่งเหล่านี้โดยไม่ต้องสร้างจำนวนมากเกินไป

สุดท้าย มีแนวคิดที่คาดเดาได้ยากว่าเครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่สามารถก่อให้เกิดหลุมดำเล็กๆ ที่มีมวลใกล้เคียงกับมวลของฮิกส์โบซอน ใช้งานได้ก็ต่อเมื่อจักรวาลของเรามีมิติพิเศษเพิ่มเติม จนถึงขณะนี้ยังไม่มีหลักฐานสนับสนุนทฤษฎีนี้

เราจะรู้ได้อย่างไรว่ามีหลุมดำอยู่?

เรามีหลักฐานเชิงสังเกตการณ์มากมายเกี่ยวกับการมีอยู่ของวัตถุขนาดกะทัดรัดที่มีมวลมากซึ่งไม่เปล่งแสง วัตถุเหล่านี้เปิดเผยตัวเองผ่านแรงดึงดูด เช่น จากการโคจรของดาวดวงอื่นหรือเมฆก๊าซที่อยู่รอบๆ พวกมันยังสร้างเลนส์โน้มถ่วงด้วย เรารู้ว่าวัตถุเหล่านี้ไม่มีพื้นผิวแข็ง สิ่งนี้ตามมาจากการสังเกตเพราะว่าสสารที่ตกลงบนวัตถุที่มีพื้นผิวควรทำให้เกิดการแผ่รังสีของอนุภาคมากกว่าสสารที่ตกลงสู่ขอบฟ้า

ทำไมฮอว์คิงถึงบอกว่าปีที่แล้วไม่มีหลุมดำ?

เขาหมายความว่าหลุมดำไม่มีขอบฟ้าเหตุการณ์นิรันดร์ แต่มีเพียงขอบฟ้าที่ปรากฏชั่วคราวเท่านั้น (ดูจุดที่หนึ่ง) ในแง่ที่เข้มงวด เฉพาะขอบฟ้าเหตุการณ์เท่านั้นที่ถือว่าเป็นหลุมดำ

หลุมดำปล่อยรังสีอย่างไร?

หลุมดำปล่อยรังสีเนื่องจากผลกระทบทางควอนตัม สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าสิ่งเหล่านี้เป็นผลควอนตัมของสสาร ไม่ใช่ผลควอนตัมจากแรงโน้มถ่วง กาลอวกาศแบบไดนามิกของหลุมดำที่ยุบตัวเปลี่ยนคำจำกัดความของอนุภาค เช่นเดียวกับกระแสเวลาที่บิดเบี้ยวใกล้หลุมดำ แนวคิดเรื่องอนุภาคขึ้นอยู่กับผู้สังเกตมากเกินไป โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อผู้สังเกตการณ์ที่ตกลงไปในหลุมดำคิดว่าตนกำลังตกสู่สุญญากาศ ผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกลจากหลุมดำจะคิดว่าไม่ใช่สุญญากาศ แต่เป็นพื้นที่ที่เต็มไปด้วยอนุภาค การยืดเยื้อของกาล-อวกาศทำให้เกิดผลเช่นนี้

ค้นพบครั้งแรกโดย Stephen Hawking รังสีที่ปล่อยออกมาจากหลุมดำเรียกว่า "รังสีฮอว์คิง" การแผ่รังสีนี้มีอุณหภูมิแปรผกผันกับมวลของหลุมดำ ยิ่งหลุมดำมีขนาดเล็ก อุณหภูมิก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย หลุมดำดาวฤกษ์และมวลมหาศาลที่เราทราบมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิพื้นหลังไมโครเวฟมาก ดังนั้นจึงไม่สามารถสังเกตได้

ความขัดแย้งทางข้อมูลคืออะไร?

ความขัดแย้งในการสูญเสียข้อมูลมีสาเหตุมาจากรังสีฮอว์กิง การแผ่รังสีนี้เป็นความร้อนล้วนๆ กล่าวคือ เป็นการสุ่มและมีเพียงอุณหภูมิในคุณสมบัติบางประการเท่านั้น การแผ่รังสีนั้นไม่มีข้อมูลว่าหลุมดำก่อตัวได้อย่างไร แต่เมื่อหลุมดำปล่อยรังสีออกมา มันจะสูญเสียมวลและหดตัวลง ทั้งหมดนี้เป็นอิสระอย่างสมบูรณ์จากสสารที่กลายมาเป็นส่วนหนึ่งของหลุมดำหรือที่มันก่อตัวขึ้นมา ปรากฎว่าการรู้เพียงสถานะสุดท้ายของการระเหยจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะบอกว่าหลุมดำก่อตัวมาจากอะไร กระบวนการนี้ "ไม่สามารถย้อนกลับได้" และประเด็นก็คือไม่มีกระบวนการดังกล่าวในกลศาสตร์ควอนตัม

ปรากฎว่าการระเหยของหลุมดำไม่สอดคล้องกับทฤษฎีควอนตัมอย่างที่เราทราบ และจำเป็นต้องทำอะไรบางอย่างเกี่ยวกับเรื่องนี้ ยังไงก็แก้ไขความไม่สอดคล้องกัน นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่เชื่อว่าวิธีแก้ปัญหาคือรังสีฮอว์กิงต้องมีข้อมูลอยู่

ฮอว์คิงเสนออะไรให้แก้ไขความขัดแย้งด้านข้อมูลหลุมดำ

แนวคิดก็คือหลุมดำจะต้องมีวิธีในการจัดเก็บข้อมูลซึ่งยังไม่ได้รับการยอมรับ ข้อมูลจะถูกเก็บไว้ที่ขอบฟ้าของหลุมดำและอาจทำให้เกิดการกระจัดของอนุภาคเล็กๆ ในรังสีฮอว์กิงได้ การกระจัดเล็กๆ เหล่านี้อาจมีข้อมูลเกี่ยวกับสสารที่ติดอยู่ข้างใน รายละเอียดที่แท้จริงของกระบวนการนี้ยังไม่ชัดเจนในขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์กำลังรอรายงานทางเทคนิคที่มีรายละเอียดเพิ่มเติมจาก Stephen Hawking, Malcolm Perry และ Andrew Strominger พวกเขาบอกว่าจะปรากฏในช่วงปลายเดือนกันยายน

ในขณะนี้ เรามั่นใจว่าหลุมดำมีอยู่จริง เรารู้ว่าพวกมันอยู่ที่ไหน ก่อตัวอย่างไร และสุดท้ายจะกลายเป็นอย่างไร แต่รายละเอียดว่าข้อมูลที่ป้อนเข้าไปนั้นยังคงเป็นหนึ่งในความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของจักรวาล

24 มกราคม 2556

จากวัตถุสมมุติทั้งหมดในจักรวาลทำนายไว้ ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์หลุมดำก่อให้เกิดความรู้สึกน่าขนลุกที่สุด และแม้ว่าข้อเสนอแนะเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของพวกเขาจะเริ่มมีขึ้นเกือบหนึ่งศตวรรษครึ่งก่อนที่ไอน์สไตน์จะตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่หลักฐานที่น่าเชื่อถือเกี่ยวกับความเป็นจริงของการดำรงอยู่ของพวกมันนั้นได้รับมาเมื่อไม่นานมานี้เท่านั้น

เรามาเริ่มกันที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปตอบคำถามเกี่ยวกับธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงกันก่อน กฎ แรงโน้มถ่วงสากลนิวตันกล่าวว่าระหว่างวัตถุขนาดใหญ่สองแห่งในจักรวาลจะมีแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน ด้วยแรงดึงดูดโน้มถ่วงนี้ โลกจึงหมุนรอบดวงอาทิตย์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปบังคับให้เรามองระบบดวงอาทิตย์-โลกแตกต่างออกไป ตามทฤษฎีนี้ เมื่อมีเทห์ฟากฟ้าขนาดใหญ่เช่นดวงอาทิตย์ ดูเหมือนว่าอวกาศ-เวลาจะพังทลายลงตามน้ำหนักของมัน และความสม่ำเสมอของเส้นใยของมันก็ถูกรบกวน ลองจินตนาการถึงแทรมโพลีนแบบยืดหยุ่นที่มีลูกบอลหนักๆ (เช่น ลูกโบว์ลิ่ง) อยู่บนนั้น ผ้าที่ยืดออกจะโค้งงอตามน้ำหนักของผ้า ทำให้เกิดสุญญากาศรอบๆ ผ้า ในทำนองเดียวกัน ดวงอาทิตย์ผลักกาล-อวกาศไปรอบๆ ตัวมันเอง

ตามภาพนี้ โลกเพียงแค่หมุนไปรอบ ๆ ช่องทางที่เกิดขึ้น (ยกเว้นว่าลูกบอลเล็ก ๆ ที่กลิ้งไปรอบ ๆ อันหนักบนแทรมโพลีนจะสูญเสียความเร็วและหมุนวนเข้าใกล้อันใหญ่อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้) และสิ่งที่เรารับรู้เป็นประจำว่าเป็นแรงโน้มถ่วงในชีวิตประจำวันของเรานั้นก็ไม่มีอะไรมากไปกว่าการเปลี่ยนแปลงในเรขาคณิตของอวกาศ-เวลา และไม่ใช่พลังในความเข้าใจของนิวตัน ปัจจุบัน ไม่มีคำอธิบายเกี่ยวกับธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงที่ประสบความสำเร็จมากไปกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่มอบให้เราแล้ว

ตอนนี้ลองจินตนาการว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราเพิ่มและเพิ่มมวลของลูกบอลหนักโดยไม่เพิ่มขนาดทางกายภาพภายในกรอบภาพที่เสนอ เนื่องจากมีความยืดหยุ่นสูง กรวยจะลึกขึ้นจนกระทั่งขอบด้านบนมาบรรจบกันที่ไหนสักแห่งที่อยู่สูงเหนือลูกบอลที่หนักมาก และจากนั้นก็จะหยุดอยู่เมื่อมองจากพื้นผิว ในจักรวาลที่แท้จริง เมื่อมวลและความหนาแน่นของสสารสะสมเพียงพอ วัตถุก็กระแทกกับดักอวกาศ-เวลารอบๆ ตัวมันเอง โครงสร้างของกาล-อวกาศปิดลง และมันจะสูญเสียการติดต่อกับส่วนอื่นๆ ของจักรวาล และมองไม่เห็นมัน นี่คือลักษณะของหลุมดำ

Schwarzschild และผู้ร่วมสมัยของเขาเชื่อว่าวัตถุอวกาศแปลก ๆ ดังกล่าวไม่มีอยู่ในธรรมชาติ ไอน์สไตน์เองไม่เพียงแต่ยึดมั่นในมุมมองนี้เท่านั้น แต่ยังเชื่ออย่างผิด ๆ ว่าเขาประสบความสำเร็จในการยืนยันความคิดเห็นของเขาทางคณิตศาสตร์ด้วย

ในช่วงทศวรรษที่ 1930 Chandrasekhar นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวอินเดียหนุ่มได้พิสูจน์ว่าดาวฤกษ์ที่ใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะหลุดเปลือกออกและกลายเป็นดาวแคระขาวที่ค่อยๆ เย็นลงก็ต่อเมื่อมีมวลน้อยกว่า 1.4 เท่ามวลดวงอาทิตย์ ในไม่ช้า Fritz Zwicky ชาวอเมริกันก็ตระหนักว่าการระเบิดของซูเปอร์โนวาทำให้เกิดสสารนิวตรอนที่มีความหนาแน่นสูงมาก ต่อมา Lev Landau ได้ข้อสรุปเดียวกัน หลังจากงานของ Chandrasekhar เห็นได้ชัดว่ามีเพียงดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่า 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์เท่านั้นที่สามารถเกิดวิวัฒนาการเช่นนี้ได้ ดังนั้นจึงมีคำถามเกิดขึ้น: มีขีดจำกัดบนสำหรับมวลของซุปเปอร์โนวาที่ดาวนิวตรอนทิ้งไว้หรือไม่

ในช่วงปลายทศวรรษที่ 30 บิดาในอนาคตของระเบิดปรมาณูอเมริกัน Robert Oppenheimer ได้กำหนดว่าขีดจำกัดดังกล่าวมีอยู่จริงและไม่เกินมวลดวงอาทิตย์หลายดวง ตอนนั้นไม่สามารถให้การประเมินที่แม่นยำกว่านี้ได้ เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่ามวลของดาวนิวตรอนจะต้องอยู่ในช่วง 1.5-3 Ms. แต่ถึงแม้จะคำนวณคร่าวๆ ของออพเพนไฮเมอร์และจอร์จ โวลโคว์ นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของเขา ก็ตามมาว่าซูเปอร์โนวาที่มีมวลมากที่สุดไม่ได้กลายเป็นดาวนิวตรอน แต่เปลี่ยนสภาพไปเป็นสถานะอื่น ในปี 1939 ออพเพนไฮเมอร์และฮาร์ตแลนด์ สไนเดอร์ใช้แบบจำลองในอุดมคติเพื่อพิสูจน์ว่าดาวฤกษ์มวลมากที่กำลังยุบตัวถูกดึงเข้าหารัศมีความโน้มถ่วง จากสูตรของพวกเขาตามจริงว่าดาวไม่ได้หยุดอยู่แค่นั้น แต่ผู้เขียนร่วมละเว้นจากข้อสรุปที่ต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

09.07.1911 - 13.04.2008

คำตอบสุดท้ายถูกพบในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 ผ่านความพยายามของนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่เก่งกาจทั้งกาแล็กซีรวมถึงโซเวียตด้วย ปรากฎว่าการล่มสลายดังกล่าวจะบีบอัดดาวฤกษ์ "ตลอดทาง" เสมอและทำลายสสารของมันโดยสิ้นเชิง ผลที่ตามมาคือเกิดภาวะเอกฐานขึ้น ซึ่งเป็น "ความเข้มข้นยิ่งยวด" ของสนามโน้มถ่วง ซึ่งปิดด้วยปริมาตรที่น้อยมาก สำหรับรูที่อยู่นิ่งคือจุด สำหรับรูหมุนคือวงแหวน ความโค้งของกาล-อวกาศ ดังนั้น แรงโน้มถ่วงใกล้กับภาวะเอกฐานจึงมีแนวโน้มที่จะไม่มีที่สิ้นสุด ในตอนท้ายของปี 1967 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน John Archibald Wheeler เป็นคนแรกที่เรียกดาวดวงสุดท้ายที่ยุบหลุมดำ คำใหม่นี้เป็นที่ชื่นชอบของนักฟิสิกส์และนักข่าวที่น่ายินดีซึ่งเผยแพร่ไปทั่วโลก (แม้ว่าชาวฝรั่งเศสจะไม่ชอบในตอนแรกเนื่องจากสำนวน trou noir บ่งบอกถึงความสัมพันธ์ที่น่าสงสัย)

คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของหลุมดำคือ อะไรก็ตามที่ตกลงไป สิ่งนั้นจะไม่กลับมาอีก สิ่งนี้ใช้ได้กับแสงด้วย ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมหลุมดำจึงได้ชื่อมาว่า วัตถุที่ดูดซับแสงทั้งหมดที่ตกใส่มันและไม่ปล่อยแสงใดๆ ออกมาจะปรากฏเป็นสีดำสนิท ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หากวัตถุเข้าใกล้จุดศูนย์กลางของหลุมดำด้วยระยะห่างวิกฤต ระยะนี้เรียกว่ารัศมีชวาร์ซชิลด์ วัตถุนั้นไม่สามารถย้อนกลับได้ (นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน คาร์ล ชวาซชิลด์ (พ.ศ. 2416-2459)) ปีที่ผ่านมาชีวิตของเขาโดยใช้สมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ เขาคำนวณสนามโน้มถ่วงรอบมวลปริมาตรศูนย์) สำหรับมวลของดวงอาทิตย์ รัศมีชวาร์ซไชลด์คือ 3 กม. นั่นคือเปลี่ยนดวงอาทิตย์ของเราให้เป็นสีดำ รู คุณต้องอัดมวลทั้งหมดให้มีขนาดเท่ากับเมืองเล็กๆ!

ภายในรัศมี Schwarzschild ทฤษฎีทำนายแม้กระทั่งปรากฏการณ์แปลก ๆ ทุกเรื่องของหลุมดำรวมตัวกันเป็นจุดเล็ก ๆ ที่มีความหนาแน่นไม่สิ้นสุดที่ใจกลางของมัน - นักคณิตศาสตร์เรียกวัตถุดังกล่าวว่าการก่อกวนเอกพจน์ ที่ความหนาแน่นอนันต์ มวลจำกัดใดๆ ของสสารในทางคณิตศาสตร์จะมีปริมาตรเชิงพื้นที่เป็นศูนย์ โดยธรรมชาติแล้ว เราไม่สามารถยืนยันได้จากการทดลองว่าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นจริงภายในหลุมดำหรือไม่ เนื่องจากทุกสิ่งที่อยู่ภายในรัศมีชวาร์สไชลด์จะไม่ย้อนกลับไป

ดังนั้น หากไม่สามารถ "ดู" หลุมดำในความหมายดั้งเดิมของคำว่า "ดู" ได้ เราก็สามารถตรวจจับการมีอยู่ของมันได้โดย สัญญาณทางอ้อมอิทธิพลของสนามโน้มถ่วงที่มีพลังมหาศาลและผิดปกติอย่างสิ้นเชิงกับสสารรอบตัว

หลุมดำมวลมหาศาล

ที่ใจกลางทางช้างเผือกของเราและกาแลคซีอื่นๆ มีหลุมดำขนาดใหญ่อย่างไม่น่าเชื่อหนักกว่าดวงอาทิตย์หลายล้านเท่า หลุมดำมวลมหาศาลเหล่านี้ (ตามชื่อของมัน) ถูกค้นพบจากการสังเกตธรรมชาติการเคลื่อนที่ของก๊าซระหว่างดาวใกล้ใจกลางกาแลคซี ตัดสินโดยการสังเกตก๊าซหมุนในระยะใกล้จากวัตถุมวลมหาศาลและ การคำนวณง่ายๆโดยใช้กฎกลศาสตร์ของนิวตัน พวกมันแสดงให้เห็นว่าวัตถุที่ดึงดูดพวกมันซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กมากนั้นมีมวลมหาศาล มีเพียงหลุมดำเท่านั้นที่สามารถหมุนก๊าซระหว่างดาวในใจกลางกาแลคซีด้วยวิธีนี้ได้ ในความเป็นจริง นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้ค้นพบหลุมดำขนาดใหญ่เช่นนี้หลายสิบหลุมในใจกลางกาแลคซีใกล้เคียงของเรา และพวกเขาสงสัยอย่างยิ่งว่าใจกลางของกาแลคซีใดๆ ก็ตามคือหลุมดำ

หลุมดำที่มีมวลดาวฤกษ์

ตามความเข้าใจของเราในปัจจุบันเกี่ยวกับวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ เมื่อดาวฤกษ์ที่มีมวลเกินประมาณ 30 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ตายจากการระเบิดของซูเปอร์โนวา เปลือกนอกของมันก็กระจัดกระจาย และชั้นในก็พังทลายลงอย่างรวดเร็วสู่ใจกลางและก่อตัวเป็นหลุมดำในบริเวณนั้น ของดาวฤกษ์ที่ใช้เชื้อเพลิงสำรองจนหมด หลุมดำที่มีต้นกำเนิดนี้โดดเดี่ยวในอวกาศระหว่างดวงดาวแทบเป็นไปไม่ได้เลยที่จะตรวจพบ เนื่องจากมันตั้งอยู่ในสุญญากาศที่ทำให้บริสุทธิ์ และไม่ปรากฏตัวเองในทางใดทางหนึ่งในแง่ของปฏิกิริยาโน้มถ่วง อย่างไรก็ตาม หากหลุมดังกล่าวเป็นส่วนหนึ่งของระบบดาวคู่ (ดาวร้อนสองดวงที่โคจรรอบจุดศูนย์กลางมวล) หลุมดำนั้นจะยังคงมีอิทธิพลโน้มถ่วงต่อดาวฤกษ์คู่ของมัน นักดาราศาสตร์ในปัจจุบันมีผู้สมัครชิงบทบาทของระบบดาวประเภทนี้มากกว่าหนึ่งโหล แม้ว่าจะไม่ได้รับหลักฐานที่เข้มงวดก็ตาม

ในระบบดาวคู่ที่มีหลุมดำประกอบอยู่ สสารของดาวฤกษ์ที่มีชีวิตจะ "ไหล" ไปในทิศทางของหลุมดำอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ และสสารที่ถูกดูดออกมาจากหลุมดำจะหมุนเป็นเกลียวเมื่อตกลงไปในหลุมดำและหายไปเมื่อข้ามรัศมีชวาร์สชิลด์ อย่างไรก็ตาม เมื่อเข้าใกล้ขอบเขตร้ายแรง สสารที่ถูกดูดเข้าไปในปล่องของหลุมดำจะมีความหนาแน่นและร้อนขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เนื่องจากความถี่ของการชนกันระหว่างอนุภาคที่ถูกดูดซับโดยหลุมนั้นเพิ่มขึ้น จนกระทั่งมันอุ่นขึ้นตามพลังงานที่ปล่อยออกมาของคลื่นใน ช่วงรังสีเอกซ์ของสเปกตรัมรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า นักดาราศาสตร์สามารถวัดคาบของการเปลี่ยนแปลงความเข้มของรังสีเอกซ์ประเภทนี้และคำนวณมวลโดยประมาณของวัตถุที่ "ดึง" เข้าหาตัวมันเองโดยการเปรียบเทียบกับข้อมูลอื่นที่มีอยู่ หากมวลของวัตถุเกินขีดจำกัดจันทรเศขา (1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) วัตถุนี้จะไม่สามารถเป็นดาวแคระขาวได้ ซึ่งดาวของเราถูกกำหนดให้เสื่อมถอยไปในนั้น ในการสังเกตการณ์ดาวฤกษ์คู่รังสีเอกซ์ที่ระบุส่วนใหญ่ วัตถุมวลมากคือดาวนิวตรอน อย่างไรก็ตาม มีมากกว่าหนึ่งโหลกรณีที่คำอธิบายที่สมเหตุสมผลเพียงอย่างเดียวคือการมีอยู่สองครั้ง ระบบดาวหลุมดำ

หลุมดำประเภทอื่นๆ ทั้งหมดเป็นการคาดเดามากกว่าและมีพื้นฐานมาจากการวิจัยเชิงทฤษฎีเท่านั้น ไม่มีหลักฐานเชิงทดลองเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของพวกมันเลย ประการแรก สิ่งเหล่านี้คือหลุมดำขนาดเล็กที่มีมวลเทียบได้กับมวลของภูเขาและถูกบีบอัดจนมีรัศมีเท่ากับโปรตอน ความคิดเกี่ยวกับต้นกำเนิดของพวกเขาในระยะเริ่มแรกของการก่อตัวของจักรวาลทันทีหลังจากบิกแบงถูกแสดงโดยนักจักรวาลวิทยาชาวอังกฤษ Stephen Hawking (ดูหลักการที่ซ่อนอยู่ของเวลาที่ไม่สามารถย้อนกลับได้) ฮอว์คิงแนะนำว่าการระเบิดแบบรูเล็กๆ สามารถอธิบายปรากฏการณ์ลึกลับที่แท้จริงของการระเบิดรังสีแกมมาแบบระบุจุดในจักรวาลได้ ประการที่สอง ทฤษฎีอนุภาคมูลฐานบางทฤษฎีทำนายการมีอยู่ของจักรวาลในระดับจุลภาคของตะแกรงหลุมดำที่แท้จริง ซึ่งเป็นโฟมชนิดหนึ่งจากขยะในจักรวาล เส้นผ่านศูนย์กลางของรูไมโครดังกล่าวน่าจะอยู่ที่ประมาณ 10-33 ซม. ซึ่งเล็กกว่าโปรตอนหลายพันล้านเท่า ในขณะนี้ เราไม่มีความหวังใดๆ ที่จะตรวจสอบการทดลองได้แม้กระทั่งข้อเท็จจริงของการมีอยู่ของอนุภาคหลุมดำดังกล่าว ไม่ต้องพูดถึงการสำรวจคุณสมบัติของพวกมันด้วย

แล้วจะเกิดอะไรขึ้นกับผู้สังเกตหากจู่ๆ เขาพบว่าตัวเองอยู่อีกฟากหนึ่งของรัศมีความโน้มถ่วง หรือเรียกอีกอย่างว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ นี่คือจุดที่ทุกอย่างเริ่มต้นขึ้น คุณสมบัติที่น่าทึ่งหลุมดำ ไม่ใช่เพื่ออะไรเมื่อพูดถึงหลุมดำ เรามักจะพูดถึงเวลาหรืออวกาศ-เวลาอย่างแม่นยำมากขึ้น ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ ยิ่งวัตถุเคลื่อนที่เร็วเท่าไร มวลก็จะมากขึ้นเท่านั้น แต่เวลาที่ช้าลงก็เริ่มผ่านไป! ที่ความเร็วต่ำภายใต้สภาวะปกติ ผลกระทบนี้จะไม่สังเกตเห็นได้ชัดเจน แต่ถ้าร่างกาย ( ยานอวกาศ) เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง จากนั้นมวลของมันจะเพิ่มขึ้นและเวลาก็ช้าลง! ด้วยความเร็วของร่างกาย ความเร็วเท่ากันแสง มวลกลายเป็นอนันต์ และเวลาหยุด! สูตรทางคณิตศาสตร์ที่เข้มงวดพูดถึงเรื่องนี้ กลับมาที่หลุมดำกันเถอะ ลองจินตนาการถึงสถานการณ์ที่น่าอัศจรรย์เมื่อยานอวกาศที่มีนักบินอวกาศอยู่บนเรือเข้าใกล้รัศมีความโน้มถ่วงหรือขอบฟ้าเหตุการณ์ เป็นที่แน่ชัดว่าขอบฟ้าเหตุการณ์มีชื่อเช่นนั้นเพราะเราสามารถสังเกตเหตุการณ์ใดๆ (สังเกตสิ่งใดเลย) ได้จนถึงขอบเขตนี้เท่านั้น ที่เราไม่สามารถสังเกตได้เกินขอบเขตนี้ อย่างไรก็ตาม เมื่ออยู่ในเรือที่กำลังเข้าใกล้หลุมดำ นักบินอวกาศจะรู้สึกเหมือนเดิม เพราะ... ตามนาฬิกาของพวกเขา เวลาจะเดิน "ตามปกติ" ยานอวกาศจะข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์อย่างสงบและเดินหน้าต่อไป แต่เนื่องจากความเร็วของมันจะใกล้เคียงกับความเร็วแสง ยานอวกาศจึงจะไปถึงใจกลางหลุมดำอย่างแท้จริงในทันที

และสำหรับผู้สังเกตการณ์ภายนอก ยานอวกาศจะหยุดที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ และจะคงอยู่ที่นั่นเกือบตลอดไป! นี่คือความขัดแย้งของแรงโน้มถ่วงขนาดมหึมาของหลุมดำ คำถามตามธรรมชาติก็คือ นักบินอวกาศที่กำลังเข้าสู่ระยะอนันต์ตามนาฬิกาของผู้สังเกตการณ์ภายนอกจะยังมีชีวิตอยู่หรือไม่ เลขที่ และประเด็นไม่ได้อยู่ที่แรงโน้มถ่วงมหาศาลเลย แต่อยู่ที่แรงขึ้นน้ำลงซึ่งสำหรับวัตถุที่มีขนาดเล็กและใหญ่เช่นนั้นจะเปลี่ยนไปอย่างมากในระยะทางสั้น ๆ ด้วยความสูงของนักบินอวกาศ 1 ม. 70 ซม. แรงขึ้นน้ำลงที่ศีรษะของเขาจะน้อยกว่าเท้าของเขามากและเขาจะถูกแยกออกจากกันที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ ดังนั้นเราจึงค้นพบโดยทั่วไปว่าหลุมดำคืออะไร แต่จนถึงขณะนี้ เรายังพูดถึงหลุมดำมวลดาวฤกษ์อยู่ ปัจจุบัน นักดาราศาสตร์ได้ค้นพบหลุมดำมวลมหาศาลซึ่งมีมวลมากถึงหนึ่งพันล้านดวงอาทิตย์! หลุมดำมวลมหาศาลมีคุณสมบัติไม่แตกต่างจากหลุมดำที่มีขนาดเล็กกว่า พวกมันมีขนาดใหญ่กว่ามากและตามกฎแล้วตั้งอยู่ในใจกลางกาแลคซี - หมู่เกาะที่เป็นตัวเอกของจักรวาล ที่ใจกลางกาแล็กซีของเรา (ทางช้างเผือก) ยังมีหลุมดำมวลมหาศาลอยู่ด้วย มวลมหึมาของหลุมดำดังกล่าวจะทำให้สามารถค้นหาพวกมันได้ไม่เฉพาะในกาแล็กซีของเราเท่านั้น แต่ยังอยู่ในใจกลางกาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปซึ่งอยู่ห่างจากโลกและดวงอาทิตย์เป็นล้านล้านปีแสงด้วย นักวิทยาศาสตร์ชาวยุโรปและอเมริกาทำการค้นหาหลุมดำมวลมหาศาลทั่วโลก ซึ่งตามการคำนวณทางทฤษฎีสมัยใหม่ ควรอยู่ที่ใจกลางของกาแลคซีทุกแห่ง

เทคโนโลยีสมัยใหม่ทำให้สามารถตรวจจับการมีอยู่ของการยุบตัวเหล่านี้ในกาแลคซีใกล้เคียงได้ แต่มีเพียงไม่กี่แห่งเท่านั้นที่ถูกค้นพบ ซึ่งหมายความว่าหลุมดำทั้งสองถูกซ่อนอยู่ในเมฆก๊าซและฝุ่นหนาแน่นในใจกลางกาแลคซี หรืออยู่ในมุมที่ห่างไกลออกไปของจักรวาล ดังนั้น หลุมดำจึงสามารถตรวจพบได้ด้วยรังสีเอกซ์ที่ปล่อยออกมาในระหว่างการเพิ่มมวลของสสารลงบนพวกมัน และเพื่อทำการสำรวจแหล่งที่มาดังกล่าว ดาวเทียมที่มีกล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์บนเรือจึงถูกปล่อยสู่อวกาศจักรวาลใกล้โลก ขณะค้นหาแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ หอสังเกตการณ์อวกาศจันทราและรอสซีค้นพบว่าท้องฟ้าเต็มไปด้วยรังสีเอกซ์พื้นหลังซึ่งสว่างกว่ารังสีที่มองเห็นได้หลายล้านเท่า การแผ่รังสีเอกซ์พื้นหลังส่วนใหญ่จากท้องฟ้าต้องมาจากหลุมดำ โดยปกติแล้วในทางดาราศาสตร์จะมีหลุมดำอยู่สามประเภท ประการแรกคือหลุมดำที่มีมวลดาวฤกษ์ (ประมาณ 10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) พวกมันก่อตัวจากดาวฤกษ์มวลมากเมื่อพวกมันหมดเชื้อเพลิงแสนสาหัส อย่างที่สองคือหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางกาแลคซี (มวลนับล้านถึงหลายพันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์) และในที่สุดหลุมดำปฐมภูมิก็ก่อตัวขึ้นในช่วงเริ่มต้นของจักรวาลซึ่งมีมวลน้อย (ตามลำดับมวลของดาวเคราะห์น้อยขนาดใหญ่) ดังนั้นช่วงใหญ่ มวลที่เป็นไปได้หลุมดำยังคงไม่เต็ม แต่หลุมเหล่านี้อยู่ที่ไหน? อย่างไรก็ตาม เมื่อเติมช่องว่างด้วยรังสีเอกซ์ พวกเขาไม่ต้องการแสดง "ใบหน้า" ที่แท้จริงของตน แต่เพื่อสร้างทฤษฎีที่ชัดเจนเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างรังสีเอกซ์พื้นหลังกับหลุมดำ จำเป็นต้องทราบจำนวนของมัน ในขณะนี้ กล้องโทรทรรศน์อวกาศสามารถตรวจจับหลุมดำมวลมหาศาลได้เพียงจำนวนเล็กน้อยเท่านั้น ซึ่งสามารถพิจารณาการมีอยู่ของหลุมดำได้ สัญญาณทางอ้อมทำให้สามารถเพิ่มจำนวนหลุมดำที่สังเกตได้ซึ่งรับผิดชอบต่อรังสีพื้นหลังเป็น 15% เราต้องสันนิษฐานว่าหลุมดำมวลมหาศาลที่เหลืออยู่นั้นซ่อนอยู่หลังเมฆฝุ่นหนาที่ส่งรังสีเอกซ์พลังงานสูงเท่านั้นหรืออยู่ไกลเกินกว่าจะตรวจพบได้ด้วยวิธีการสังเกตการณ์สมัยใหม่

หลุมดำมวลมหาศาล (บริเวณโดยรอบ) ที่ใจกลางกาแล็กซี M87 (ภาพรังสีเอกซ์) มองเห็นการดีดออก (เจ็ต) จากขอบฟ้าเหตุการณ์ ภาพจาก www.college.ru/ดาราศาสตร์

การค้นหาหลุมดำที่ซ่อนอยู่เป็นหนึ่งในภารกิจหลักของดาราศาสตร์รังสีเอกซ์สมัยใหม่ ความก้าวหน้าล่าสุดในพื้นที่นี้ซึ่งเกี่ยวข้องกับการวิจัยโดยใช้กล้องโทรทรรศน์จันทราและรอสซี แต่ครอบคลุมเฉพาะรังสีเอกซ์ที่มีช่วงพลังงานต่ำ - ประมาณ 2,000-20,000 อิเล็กตรอนโวลต์ (สำหรับการเปรียบเทียบพลังงานของรังสีเอกซ์คือประมาณ 2 อิเล็กตรอน -โวลต์) โวลต์) การแก้ไขที่สำคัญในการศึกษาเหล่านี้สามารถทำได้โดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศอินทิกรัลของยุโรป ซึ่งสามารถเจาะเข้าไปในบริเวณรังสีเอกซ์ที่ยังมีการศึกษาไม่เพียงพอด้วยพลังงาน 20,000-300,000 อิเล็กตรอนโวลต์ ความสำคัญของการศึกษารังสีเอกซ์ประเภทนี้ก็คือ แม้ว่าพื้นหลังรังสีเอกซ์ของท้องฟ้าจะมีพลังงานต่ำ แต่จุดสูงสุด (จุด) ของการแผ่รังสีหลายจุดที่มีพลังงานประมาณ 30,000 อิเล็กตรอนโวลต์ก็ปรากฏบนพื้นหลังนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังคงปิดบังสิ่งที่ก่อให้เกิดยอดเขาเหล่านี้ และอินทิกรัลเป็นกล้องโทรทรรศน์ตัวแรกที่ไวพอที่จะตรวจจับแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ดังกล่าว ตามที่นักดาราศาสตร์ระบุ รังสีพลังงานสูงสร้างวัตถุที่เรียกว่าหนาคอมป์ตัน ซึ่งก็คือหลุมดำมวลมหาศาลที่ปกคลุมไปด้วยเปลือกฝุ่น เป็นวัตถุคอมป์ตันที่รับผิดชอบยอดรังสีเอกซ์ 30,000 อิเล็กตรอนโวลต์ในสนามรังสีพื้นหลัง

แต่เมื่อดำเนินการวิจัยต่อไป นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อสรุปว่าวัตถุของคอมป์ตันคิดเป็นสัดส่วนเพียง 10% ของจำนวนหลุมดำที่ควรจะสร้างจุดสูงสุดที่มีพลังงานสูง นี่เป็นอุปสรรคสำคัญต่อการพัฒนาทฤษฎีต่อไป ดังนั้นรังสีเอกซ์ที่หายไปไม่ได้มาจากหลุมดำมวลมหาศาลธรรมดาที่คอมป์ตัน แต่มาจากหลุมดำมวลมหาศาล แล้วม่านกันฝุ่นสำหรับการเอ็กซเรย์พลังงานต่ำล่ะ? คำตอบดูเหมือนจะอยู่ในความจริงที่ว่าหลุมดำจำนวนมาก (วัตถุคอมป์ตัน) มีเวลาเพียงพอที่จะดูดซับก๊าซและฝุ่นทั้งหมดที่ห่อหุ้มพวกมันไว้ แต่ก่อนหน้านั้นหลุมดำเหล่านั้นมีโอกาสที่จะทำให้ตัวเองเป็นที่รู้จักด้วยรังสีเอกซ์พลังงานสูง หลังจากกลืนสสารทั้งหมดไปแล้ว หลุมดำดังกล่าวก็ไม่สามารถสร้างรังสีเอกซ์ที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ได้อีกต่อไป เป็นที่ชัดเจนว่าทำไมหลุมดำเหล่านี้จึงไม่สามารถตรวจพบได้ และมีความเป็นไปได้ที่จะระบุแหล่งที่มาของการแผ่รังสีพื้นหลังที่หายไปเนื่องจากแม้ว่าหลุมดำจะไม่ปล่อยออกมาอีกต่อไป แต่รังสีที่มันสร้างขึ้นก่อนหน้านี้ยังคงเดินทางผ่านจักรวาล อย่างไรก็ตาม มีความเป็นไปได้ที่หลุมดำที่หายไปนั้นซ่อนเร้นเกินกว่าที่นักดาราศาสตร์จะตระหนัก ซึ่งหมายความว่าการที่เราไม่เห็นพวกมันไม่ได้หมายความว่าพวกมันจะไม่อยู่ที่นั่น เรายังมีพลังในการสังเกตไม่เพียงพอที่จะมองเห็นพวกมัน ในขณะเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ของ NASA วางแผนที่จะขยายการค้นหาหลุมดำที่ซ่อนอยู่ให้ไกลออกไปในจักรวาล พวกเขาเชื่อว่านี่คือส่วนที่อยู่ใต้น้ำของภูเขาน้ำแข็ง ตลอดระยะเวลาหลายเดือน การวิจัยจะดำเนินการโดยเป็นส่วนหนึ่งของภารกิจ Swift การเจาะเข้าไปในจักรวาลอันลึกล้ำจะเผยให้เห็นหลุมดำที่ซ่อนอยู่ ค้นหาการเชื่อมโยงที่หายไปไปยังรังสีพื้นหลัง และให้ความกระจ่างเกี่ยวกับกิจกรรมของพวกมันในยุคแรกของจักรวาล

เชื่อกันว่าหลุมดำบางแห่งมีการเคลื่อนไหวมากกว่าเพื่อนบ้านที่เงียบสงบ หลุมดำกัมมันต์ดูดซับสสารที่อยู่รอบๆ และหากดาวฤกษ์ที่ "ไม่ระวัง" ที่บินผ่านไปมาติดอยู่ระหว่างการบินด้วยแรงโน้มถ่วง มันก็จะถูก "กิน" ในลักษณะที่ป่าเถื่อนที่สุดอย่างแน่นอน (ฉีกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย) วัสดุที่ถูกดูดซับซึ่งตกลงไปในหลุมดำนั้นจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิมหาศาลและเกิดเปลวไฟในช่วงแกมมา รังสีเอกซ์ และรังสีอัลตราไวโอเลต นอกจากนี้ยังมีหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางทางช้างเผือกด้วย แต่จะศึกษาได้ยากกว่าหลุมในกาแลคซีใกล้เคียงหรือไกลออกไป นี่เป็นเพราะกำแพงหนาแน่นของก๊าซและฝุ่นที่ขวางทางใจกลางกาแล็กซีของเราเพราะว่า ระบบสุริยะอยู่เกือบถึงขอบของดิสก์กาแลคซี ดังนั้น การสังเกตกิจกรรมของหลุมดำจึงมีประสิทธิภาพมากกว่ามากในกาแลคซีที่มองเห็นแกนกลางได้ชัดเจน ขณะสำรวจกาแลคซีแห่งหนึ่งที่อยู่ไกลออกไปซึ่งอยู่ในกลุ่มดาวบูเอเตสที่ระยะห่าง 4 พันล้านปีแสง นักดาราศาสตร์เป็นครั้งแรกที่สามารถติดตามตั้งแต่ต้นจนจบกระบวนการดูดกลืนดาวฤกษ์ด้วยหลุมดำมวลมหาศาลได้ตั้งแต่ต้นจนจบกระบวนการดูดกลืนดาวฤกษ์ด้วยหลุมดำมวลมหาศาล . เป็นเวลาหลายพันปีมาแล้วที่การยุบตัวขนาดยักษ์นี้พักอย่างเงียบๆ ในใจกลางกาแลคซีทรงรีที่ไม่มีชื่อ จนกระทั่งดาวดวงหนึ่งกล้าเข้าใกล้มันมากพอ

แรงโน้มถ่วงอันทรงพลังของหลุมดำทำให้ดาวฤกษ์แตกออกจากกัน ก้อนสสารเริ่มตกลงสู่หลุมดำ และเมื่อถึงขอบฟ้าเหตุการณ์ ก็สว่างจ้าในช่วงอัลตราไวโอเลต แสงแฟลร์เหล่านี้ถูกบันทึกโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Galaxy Evolution Explorer ใหม่ของ NASA ซึ่งศึกษาท้องฟ้าด้วยแสงอัลตราไวโอเลต กล้องโทรทรรศน์ยังคงสังเกตพฤติกรรมของวัตถุที่โดดเด่นในปัจจุบันเพราะว่า มื้ออาหารของหลุมดำยังไม่สิ้นสุด และซากดาวฤกษ์ยังคงตกลงไปในห้วงเวลาและอวกาศ การสังเกตการณ์กระบวนการดังกล่าวในที่สุดจะช่วยให้เข้าใจได้ดีขึ้นว่าหลุมดำวิวัฒนาการไปพร้อมกับกาแลคซีต้นทางอย่างไร (หรือในทางกลับกัน กาแลคซีวิวัฒนาการมาพร้อมกับหลุมดำต้นกำเนิด) การสังเกตการณ์ก่อนหน้านี้บ่งชี้ว่าส่วนเกินดังกล่าวไม่ใช่เรื่องแปลกในจักรวาล นักวิทยาศาสตร์คำนวณว่าโดยเฉลี่ยแล้ว หลุมดำมวลมหาศาลในดาราจักรทั่วไปจะกลืนดาวฤกษ์ทุกๆ 10,000 ปี แต่เนื่องจากมีดาราจักรจำนวนมาก การดูดกลืนดาวจึงสามารถสังเกตได้บ่อยกว่ามาก

แหล่งที่มา

แม้จะประสบความสำเร็จอย่างมากในสาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ แต่ก็มีปรากฏการณ์มากมายที่ยังเปิดเผยแก่นแท้ไม่ครบถ้วน ปรากฏการณ์ดังกล่าวรวมถึงหลุมดำลึกลับ ข้อมูลทั้งหมดเป็นเพียงทฤษฎีเท่านั้นและไม่สามารถตรวจสอบได้ในทางปฏิบัติ

หลุมดำมีอยู่จริงหรือไม่?

ก่อนที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพจะเกิดขึ้น นักดาราศาสตร์ได้เสนอทฤษฎีเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของกรวยสีดำด้วยซ้ำ หลังจากการตีพิมพ์ทฤษฎีของไอน์สไตน์ คำถามเรื่องแรงโน้มถ่วงได้รับการแก้ไข และข้อสันนิษฐานใหม่ปรากฏขึ้นในปัญหาหลุมดำ การมองเห็นวัตถุในจักรวาลนี้ไม่สมจริง เพราะมันดูดซับแสงทั้งหมดที่เข้ามาในอวกาศ นักวิทยาศาสตร์พิสูจน์การมีอยู่ของหลุมดำโดยอาศัยการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของก๊าซระหว่างดวงดาวและวิถีโคจรของดวงดาว

การก่อตัวของหลุมดำทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในลักษณะกาล-อวกาศรอบตัว ดูเหมือนว่าเวลาจะถูกบีบอัดภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงมหาศาลและช้าลง ดวงดาวที่พบว่าตัวเองอยู่ในเส้นทางของกรวยสีดำสามารถเบี่ยงเบนไปจากเส้นทางของมันและแม้กระทั่งเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ หลุมดำดูดซับพลังงานของดาวแฝดของพวกมันซึ่งปรากฏให้เห็นด้วยเช่นกัน

หลุมดำมีหน้าตาเป็นอย่างไร?

ข้อมูลเกี่ยวกับหลุมดำส่วนใหญ่เป็นข้อมูลสมมุติ นักวิทยาศาสตร์ศึกษาถึงผลกระทบต่ออวกาศและการแผ่รังสี เป็นไปไม่ได้ที่จะเห็นหลุมดำในจักรวาล เนื่องจากพวกมันดูดซับแสงทั้งหมดที่เข้าสู่อวกาศใกล้เคียง จากดาวเทียมพิเศษ ได้มีการถ่ายภาพเอ็กซ์เรย์ของวัตถุสีดำซึ่งแสดงให้เห็นจุดศูนย์กลางที่สว่างซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของรังสี

หลุมดำก่อตัวได้อย่างไร?

หลุมดำในอวกาศเป็นโลกที่แยกจากกันซึ่งมีลักษณะและคุณสมบัติเฉพาะของตัวเอง คุณสมบัติของหลุมจักรวาลนั้นพิจารณาจากสาเหตุของการเกิดขึ้น เกี่ยวกับการปรากฏตัวของวัตถุสีดำมีทฤษฎีดังต่อไปนี้:

1. เป็นผลจากการล่มสลายที่เกิดขึ้นในอวกาศ นี่อาจเป็นการชนกันของวัตถุในจักรวาลขนาดใหญ่หรือการระเบิดของซูเปอร์โนวา
2. เกิดขึ้นเนื่องจากการถ่วงน้ำหนักของวัตถุอวกาศในขณะที่ยังคงขนาดไว้ ยังไม่ได้กำหนดสาเหตุของปรากฏการณ์นี้

กรวยสีดำเป็นวัตถุในอวกาศที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก แต่มีมวลมหาศาล ทฤษฎีหลุมดำกล่าวว่าวัตถุในจักรวาลทุกชนิดสามารถกลายเป็นกรวยสีดำได้ หากเป็นผลจากปรากฏการณ์บางอย่าง วัตถุนั้นสูญเสียขนาดแต่ยังคงมีมวลอยู่ นักวิทยาศาสตร์ยังพูดถึงการมีอยู่ของหลุมไมโครสีดำจำนวนมากซึ่งเป็นวัตถุอวกาศขนาดเล็กที่มีมวลค่อนข้างมาก ความแตกต่างระหว่างมวลและขนาดทำให้สนามโน้มถ่วงเพิ่มขึ้นและมีลักษณะเป็นแรงดึงดูดที่รุนแรง

มีอะไรอยู่ในหลุมดำ?

วัตถุลึกลับสีดำนี้เรียกได้ว่าเป็นเพียงหลุมที่ยืดออกมากเท่านั้น ศูนย์กลางของปรากฏการณ์นี้คือวัตถุในจักรวาลที่มีแรงโน้มถ่วงเพิ่มขึ้น ผลของแรงโน้มถ่วงดังกล่าวเป็นแรงดึงดูดที่แข็งแกร่งต่อพื้นผิวของวัตถุในจักรวาลนี้ ในกรณีนี้ กระแสน้ำวนจะเกิดขึ้นโดยที่ก๊าซและเม็ดฝุ่นจักรวาลหมุนรอบตัว ดังนั้นจึงถูกต้องกว่าที่จะเรียกหลุมดำว่ากรวยดำ

ในทางปฏิบัติเป็นไปไม่ได้ที่จะค้นหาว่ามีอะไรอยู่ภายในหลุมดำ เนื่องจากระดับแรงโน้มถ่วงของกระแสน้ำวนของจักรวาลไม่อนุญาตให้วัตถุใด ๆ หลุดออกไปจากขอบเขตอิทธิพลของมัน ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวไว้ มีความมืดสนิทอยู่ภายในหลุมดำ เนื่องจากควอนตัมแสงหายไปภายในหลุมดำอย่างไม่อาจเพิกถอนได้ สันนิษฐานว่าอวกาศและเวลาบิดเบี้ยวภายในช่องทางสีดำ กฎของฟิสิกส์และเรขาคณิตใช้ไม่ได้ในสถานที่นี้ ลักษณะของหลุมดำดังกล่าวน่าจะนำไปสู่การก่อตัวของปฏิสสารซึ่งนักวิทยาศาสตร์ยังไม่ทราบในปัจจุบัน

ทำไมหลุมดำถึงเป็นอันตราย?

บางครั้งหลุมดำถูกอธิบายว่าเป็นวัตถุที่ดูดซับวัตถุโดยรอบ รังสี และอนุภาค แนวคิดนี้ไม่ถูกต้อง: คุณสมบัติของหลุมดำยอมให้มันดูดซับเฉพาะสิ่งที่ตกอยู่ภายใต้อิทธิพลของมันเท่านั้น มันสามารถดูดซับอนุภาคขนาดเล็กของจักรวาลและรังสีที่เล็ดลอดออกมาจากดาวแฝด แม้ว่าดาวเคราะห์จะอยู่ใกล้กับหลุมดำ มันก็จะไม่ถูกดูดกลืน แต่จะยังคงเคลื่อนที่ในวงโคจรของมันต่อไป

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณตกลงไปในหลุมดำ?

คุณสมบัติของหลุมดำขึ้นอยู่กับความแรงของสนามโน้มถ่วง ช่องทางสีดำดึงดูดทุกสิ่งที่เข้ามาอยู่ในขอบเขตอิทธิพลของมัน ในกรณีนี้ลักษณะเฉพาะของ spatiotemporal จะเปลี่ยนไป นักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาทุกสิ่งเกี่ยวกับหลุมดำไม่เห็นด้วยกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับวัตถุในกระแสน้ำวนนี้:

• นักวิทยาศาสตร์บางคนแนะนำว่าวัตถุทั้งหมดที่ตกลงไปในรูเหล่านี้ถูกยืดหรือฉีกเป็นชิ้น ๆ และไม่มีเวลาไปถึงพื้นผิวของวัตถุที่ดึงดูด
• นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ อ้างว่าในหลุมลักษณะปกติทั้งหมดนั้นบิดเบี้ยว ดังนั้นวัตถุในนั้นจึงดูเหมือนจะหายไปตามเวลาและอวกาศ ด้วยเหตุนี้ บางครั้งหลุมดำจึงถูกเรียกว่าเป็นประตูสู่โลกอื่น

ประเภทของหลุมดำ

ช่องทางสีดำแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ตามวิธีการสร้าง:

1. วัตถุสีดำที่มีมวลดาวฤกษ์ถือกำเนิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์บางดวงมีอายุสิ้นสุด การเผาไหม้โดยสมบูรณ์ของดาวฤกษ์และการสิ้นสุดของปฏิกิริยาแสนสาหัสจะนำไปสู่การอัดตัวของดาวฤกษ์ หากดาวฤกษ์เกิดการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วง มันก็อาจกลายเป็นกรวยสีดำได้
2. ช่องทางสีดำมวลมหาศาล- นักวิทยาศาสตร์อ้างว่าแกนกลางของกาแลคซีใด ๆ นั้นเป็นช่องทางที่มีมวลมหาศาล การก่อตัวซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการเกิดขึ้นของกาแลคซีใหม่
3. หลุมดำดึกดำบรรพ์- สิ่งเหล่านี้อาจรวมถึงรูที่มีมวลต่างกัน รวมถึงรูไมโครที่เกิดขึ้นเนื่องจากความหนาแน่นของสสารไม่ตรงกันและแรงโน้มถ่วง หลุมดังกล่าวเป็นช่องทางที่ก่อตัวขึ้นที่จุดเริ่มต้นของจักรวาล รวมถึงวัตถุอย่างหลุมดำที่มีขนดกด้วย รูเหล่านี้มีความโดดเด่นด้วยการมีรังสีคล้ายกับเส้นขน สันนิษฐานว่าโฟตอนและกราวิตอนเหล่านี้เก็บข้อมูลบางส่วนที่ตกลงไปในหลุมดำ
4. หลุมดำควอนตัม- ปรากฏเป็นผลมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์และมีชีวิตอยู่ในช่วงเวลาสั้น ๆ ช่องทางควอนตัมเป็นที่สนใจมากที่สุด เนื่องจากการศึกษาสามารถช่วยตอบคำถามเกี่ยวกับปัญหาวัตถุจักรวาลสีดำได้
5. นักวิทยาศาสตร์บางคนระบุว่าวัตถุอวกาศประเภทนี้เป็นหลุมดำมีขน รูเหล่านี้มีความโดดเด่นด้วยการมีรังสีคล้ายกับเส้นขน สันนิษฐานว่าโฟตอนและกราวิตอนเหล่านี้เก็บข้อมูลบางส่วนที่ตกลงไปในหลุมดำ

หลุมดำใกล้โลกมากที่สุด

หลุมดำที่ใกล้ที่สุดอยู่ห่างจากโลก 3,000 ปีแสง มันถูกเรียกว่า V616 Monocerotis หรือ V616 Mon น้ำหนักของมันสูงถึง 9-13 มวลดวงอาทิตย์ คู่ดาวคู่ของหลุมนี้คือดาวฤกษ์ที่มีมวลครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์ อีกช่องทางหนึ่งที่ค่อนข้างใกล้กับโลกคือ Cygnus X-1 อยู่ห่างจากโลก 6,000 ปีแสง และมีน้ำหนักมากกว่าดวงอาทิตย์ 15 เท่า หลุมดำจักรวาลนี้ยังมีคู่ไบนารีของมันเองด้วย ซึ่งการเคลื่อนที่ดังกล่าวช่วยติดตามอิทธิพลของ Cygnus X-1

หลุมดำ – ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ

นักวิทยาศาสตร์บอกข้อเท็จจริงที่น่าสนใจเกี่ยวกับวัตถุสีดำดังต่อไปนี้:

1. หากเราคำนึงว่าวัตถุเหล่านี้เป็นศูนย์กลางของกาแลคซี เพื่อที่จะหาช่องทางที่ใหญ่ที่สุด เราต้องตรวจจับกาแลคซีที่ใหญ่ที่สุด ดังนั้นหลุมดำที่ใหญ่ที่สุดในจักรวาลจึงเป็นปล่องที่อยู่ในกาแลคซี IC 1101 ใจกลางกระจุกดาวเอเบลล์ 2029
2. วัตถุสีดำดูเหมือนวัตถุหลากสีจริงๆ เหตุผลนี้อยู่ที่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
3. ไม่มีกฎทางกายภาพหรือทางคณิตศาสตร์ถาวรที่อยู่ตรงกลางหลุมดำ ทุกอย่างขึ้นอยู่กับมวลของหลุมและสนามโน้มถ่วงของมัน
4. ช่องทางสีดำจะค่อยๆระเหยออกไป
5. น้ำหนักของกรวยสีดำสามารถไปถึงขนาดที่น่าทึ่งได้ หลุมดำที่ใหญ่ที่สุดมีมวลเท่ากับ 30 ล้านมวลดวงอาทิตย์

ทุกคนรู้จักแนวคิดเรื่องหลุมดำ ตั้งแต่เด็กนักเรียนไปจนถึงผู้สูงอายุ มันถูกใช้ในวรรณกรรมวิทยาศาสตร์และนิยาย ในสื่อสีเหลืองและอื่นๆ การประชุมทางวิทยาศาสตร์- แต่ทุกคนไม่ทราบถึงหลุมดังกล่าวอย่างแน่นอน

จากประวัติศาสตร์หลุมดำ

พ.ศ. 2326สมมติฐานแรกของการดำรงอยู่ของปรากฏการณ์เช่น หลุมดำถูกหยิบยกขึ้นมาในปี พ.ศ. 2326 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ จอห์น มิเชลล์ ตามทฤษฎีของเขา เขาผสมผสานการสร้างสรรค์สองอย่างของนิวตันเข้าด้วยกัน ได้แก่ ทัศนศาสตร์และกลศาสตร์ แนวคิดของมิเชลล์คือ หากแสงเป็นกระแสของอนุภาคขนาดเล็ก อนุภาคเหล่านั้นก็ควรจะสัมผัสกับแรงดึงดูดของสนามโน้มถ่วง เช่นเดียวกับวัตถุอื่นๆ ปรากฎว่ายิ่งดาวฤกษ์มีมวลมาก แสงก็จะยิ่งต้านทานแรงดึงดูดได้ยากมากขึ้นเท่านั้น 13 ปีหลังจากมิเชล นักดาราศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ลาปลาซได้หยิบยกทฤษฎีที่คล้ายกัน (น่าจะเป็นอิสระจากเพื่อนร่วมงานชาวอังกฤษของเขา)

พ.ศ. 2458อย่างไรก็ตาม ผลงานทั้งหมดของพวกเขายังคงไม่มีใครอ้างสิทธิ์จนกระทั่งต้นศตวรรษที่ 20 ในปี 1915 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และแสดงให้เห็นว่าแรงโน้มถ่วงคือความโค้งของกาลอวกาศที่เกิดจากสสาร และไม่กี่เดือนต่อมา นักดาราศาสตร์และนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวเยอรมัน คาร์ล ชวาร์ซชิลด์ ใช้แรงโน้มถ่วงนี้เพื่อแก้ปัญหาทางดาราศาสตร์โดยเฉพาะ เขาสำรวจโครงสร้างของกาล-อวกาศโค้งรอบดวงอาทิตย์ และค้นพบปรากฏการณ์หลุมดำอีกครั้ง

(จอห์น วีลเลอร์ เป็นผู้บัญญัติคำว่า "หลุมดำ")

1967นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน จอห์น วีลเลอร์ ได้สรุปพื้นที่ที่สามารถยับยู่ยี่ได้เหมือนกระดาษแผ่นหนึ่ง ให้กลายเป็นจุดที่เล็กที่สุด และกำหนดด้วยคำว่า "หลุมดำ"

1974 Stephen Hawking นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้พิสูจน์ว่าหลุมดำ แม้ว่าพวกมันจะดูดซับสสารโดยไม่กลับมา แต่ก็สามารถปล่อยรังสีและระเหยไปในที่สุด ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “รังสีฮอว์กิง”

2013การวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับพัลซาร์และควาซาร์ ตลอดจนการค้นพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิก ทำให้สามารถอธิบายแนวคิดเรื่องหลุมดำได้ในที่สุด ในปี พ.ศ. 2556 เมฆก๊าซ G2 เข้ามาใกล้หลุมดำมากและมีแนวโน้มที่จะถูกมันดูดกลืนไว้ การสังเกตกระบวนการพิเศษนี้ให้โอกาสมหาศาลสำหรับการค้นพบคุณลักษณะใหม่ของหลุมดำ

(วัตถุขนาดใหญ่ราศีธนู A* มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 4 ล้านเท่า ซึ่งหมายถึงกระจุกดาวและการก่อตัวของหลุมดำ)

2017- กลุ่มนักวิทยาศาสตร์จาก Event Horizon Telescope ซึ่งทำงานร่วมกันในหลายประเทศ ซึ่งเชื่อมต่อกล้องโทรทรรศน์ 8 ตัวจากจุดต่างๆ บนทวีปต่างๆ ของโลก ได้สังเกตเห็นหลุมดำ ซึ่งเป็นวัตถุมวลมหาศาลที่อยู่ในกาแลคซี M87 ซึ่งเป็นกลุ่มดาวราศีกันย์ มวลของวัตถุคือมวลดวงอาทิตย์ 6.5 พันล้าน (!) ซึ่งมากกว่าวัตถุมวลมากอย่าง Sagittarius A* เท่า โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่าระยะห่างจากดวงอาทิตย์ถึงดาวพลูโตเล็กน้อย

การสังเกตได้ดำเนินการในหลายขั้นตอน เริ่มตั้งแต่ฤดูใบไม้ผลิปี 2017 และตลอดช่วงปี 2018 ปริมาณข้อมูลมีจำนวนเพตะไบต์ ซึ่งจากนั้นจะต้องถอดรหัสและได้รับภาพของแท้ของวัตถุที่อยู่ห่างไกลเป็นพิเศษ ดังนั้นจึงต้องใช้เวลาอีกสองปีเต็มในการประมวลผลข้อมูลทั้งหมดอย่างละเอียดและรวมเป็นข้อมูลเดียว

2019ข้อมูลได้รับการถอดรหัสและแสดงผลได้สำเร็จ ทำให้เกิดภาพหลุมดำเป็นครั้งแรก

(ภาพถ่ายหลุมดำครั้งแรกในกาแล็กซี M87 ในกลุ่มดาวราศีกันย์)

ความละเอียดของภาพช่วยให้คุณเห็นเงาของจุดที่ไม่มีการย้อนกลับตรงกลางวัตถุ ภาพได้มาจากผลการสังเกตอินเทอร์เฟอโรเมตริกที่เส้นฐานยาวเป็นพิเศษ สิ่งเหล่านี้เรียกว่าการสังเกตการณ์แบบซิงโครนัสของวัตถุหนึ่งจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุหลายตัวที่เชื่อมต่อกันด้วยเครือข่ายและตั้งอยู่ในส่วนต่าง ๆ ของโลกโดยมุ่งไปในทิศทางเดียวกัน

จริงๆ แล้วหลุมดำคืออะไร

คำอธิบายสั้น ๆ ของปรากฏการณ์เป็นเช่นนี้

หลุมดำเป็นบริเวณอวกาศ-เวลาซึ่งมีแรงดึงดูดแรงดึงดูดสูงจนไม่มีวัตถุใดๆ รวมทั้งควอนตัมแสงสามารถออกไปได้

หลุมดำเคยเป็นดาวฤกษ์มวลมาก ในขณะที่ปฏิกิริยาแสนสาหัสยังคงอยู่ในส่วนลึก ความดันโลหิตสูง,ทุกอย่างยังคงปกติ แต่เมื่อเวลาผ่านไป ปริมาณพลังงานจะหมดลง และเทห์ฟากฟ้าเริ่มหดตัวภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของมันเอง ขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการนี้คือการล่มสลายของแกนดาวฤกษ์และการก่อตัวของหลุมดำ

• 1. พ่นไอพ่นออกจากหลุมดำ ความเร็วสูง


• 2. ดิสก์สสารเติบโตเป็นหลุมดำ


• 3. หลุมดำ


• 4. แผนภาพโดยละเอียดของบริเวณหลุมดำ


• 5. ขนาดของการสำรวจใหม่ที่พบ

ทฤษฎีที่พบบ่อยที่สุดคือปรากฏการณ์ที่คล้ายกันนี้มีอยู่ในทุกดาราจักร รวมถึงใจกลางของเราด้วย ทางช้างเผือก- แรงโน้มถ่วงมหาศาลของหลุมนี้สามารถกักดาราจักรหลายแห่งไว้รอบๆ ได้ ป้องกันไม่ให้พวกมันเคลื่อนที่ออกจากกัน “พื้นที่ครอบคลุม” อาจแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับมวลของดาวฤกษ์ที่กลายเป็นหลุมดำ และอาจมีอายุหลายพันปีแสง

รัศมีชวาร์สชิลด์

คุณสมบัติหลักของหลุมดำคือสสารใดๆ ที่ตกลงไปนั้นไม่สามารถกลับคืนมาได้ เช่นเดียวกับแสง ที่แกนกลางของพวกมัน หลุมคือวัตถุที่ดูดซับแสงทั้งหมดที่ตกใส่พวกมันอย่างสมบูรณ์ และไม่เปล่งแสงใดๆ ออกมาเลย วัตถุดังกล่าวอาจปรากฏให้เห็นเป็นก้อนในความมืดสนิท

• 1. วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วครึ่งหนึ่งของแสง


• 2. แหวนโฟตอน


• 3. วงแหวนโฟตอนด้านใน


• 4. ขอบฟ้าเหตุการณ์ในหลุมดำ

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ หากวัตถุเข้าใกล้ศูนย์กลางของหลุมในระยะวิกฤต วัตถุนั้นจะไม่สามารถกลับมาได้อีก ระยะนี้เรียกว่ารัศมีชวาร์สชิลด์ สิ่งที่เกิดขึ้นภายในรัศมีนี้ไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด แต่มีทฤษฎีที่พบบ่อยที่สุด เชื่อกันว่าสสารทั้งหมดของหลุมดำกระจุกตัวอยู่ในจุดที่เล็กที่สุด และที่ใจกลางของหลุมดำนั้นมีวัตถุที่มีความหนาแน่นไม่สิ้นสุด ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกว่าการรบกวนเอกพจน์

การตกหลุมดำเกิดขึ้นได้อย่างไร?

(ในภาพหลุมดำราศีธนู A* ดูเหมือนกระจุกแสงที่สว่างมาก)

เมื่อไม่นานมานี้ ในปี 2011 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบเมฆก๊าซ โดยตั้งชื่อเรียกง่ายๆ ว่า G2 ซึ่งเปล่งแสงที่ผิดปกติออกมา การเรืองแสงนี้อาจเกิดจากการเสียดสีในก๊าซและฝุ่นที่เกิดจากหลุมดำราศีธนู A* ซึ่งโคจรรอบมันเป็นจานสะสมมวลสาร ดังนั้นเราจึงกลายเป็นผู้สังเกตการณ์ปรากฏการณ์อันน่าทึ่งของการดูดกลืนเมฆก๊าซโดยหลุมดำมวลมหาศาล

จากการศึกษาล่าสุด การเข้าใกล้หลุมดำที่ใกล้ที่สุดจะเกิดขึ้นในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2557 เราสามารถสร้างภาพขึ้นมาใหม่ได้ว่าปรากฏการณ์ที่น่าตื่นเต้นนี้จะเกิดขึ้นได้อย่างไร

• 1. เมื่อปรากฏครั้งแรกในข้อมูล เมฆก๊าซจะมีลักษณะคล้ายก้อนก๊าซและฝุ่นขนาดมหึมา


• 2. ปัจจุบัน ณ เดือนมิถุนายน พ.ศ. 2556 เมฆอยู่ห่างจากหลุมดำหลายหมื่นล้านกิโลเมตร มันตกลงไปด้วยความเร็ว 2,500 กม./วินาที


• 3. คาดว่าเมฆจะเคลื่อนผ่านหลุมดำ แต่แรงขึ้นน้ำลงที่เกิดจากความแตกต่างของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อขอบเมฆนำหน้าและตามหลังจะทำให้เมฆมีรูปร่างที่ยาวขึ้นเรื่อยๆ


• 4. หลังจากที่เมฆถูกแยกออกจากกัน ส่วนใหญ่จะไหลเข้าสู่ดิสก์สะสมมวลสารรอบๆ ราศีธนู A* ทำให้เกิด คลื่นกระแทก- อุณหภูมิจะพุ่งทะลุหลายล้านองศา


• 5. ส่วนหนึ่งของเมฆจะตกลงไปในหลุมดำโดยตรง ไม่มีใครรู้แน่ชัดว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับสารนี้ต่อไป แต่คาดว่าเมื่อมันตกลงมาจะปล่อยรังสีเอกซ์อันทรงพลังออกมา และจะไม่มีใครพบเห็นอีก

วิดีโอ: หลุมดำกลืนเมฆก๊าซ

(การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ว่าเมฆก๊าซ G2 จะถูกทำลายและบริโภคโดยหลุมดำราศีธนู A* มากน้อยเพียงใด)

สิ่งที่อยู่ภายในหลุมดำ

มีทฤษฎีที่ระบุว่าหลุมดำนั้นแทบจะว่างเปล่าภายใน และมวลทั้งหมดของมันก็กระจุกตัวอยู่ในจุดเล็กๆ อย่างไม่น่าเชื่อซึ่งอยู่ที่ใจกลางของมัน นั่นคือภาวะเอกฐาน

ตามทฤษฎีอื่นซึ่งมีมาครึ่งศตวรรษแล้ว ทุกสิ่งที่ตกลงไปในหลุมดำจะผ่านไปยังจักรวาลอื่นที่อยู่ในหลุมดำนั้นเอง ตอนนี้ทฤษฎีนี้ไม่ใช่ทฤษฎีหลัก

และมีทฤษฎีข้อที่สามที่ทันสมัยและเหนียวแน่นที่สุด ซึ่งทุกสิ่งที่ตกลงไปในหลุมดำจะสลายไปตามแรงสั่นสะเทือนของเส้นเชือกบนพื้นผิวของมัน ซึ่งถูกกำหนดให้เป็นขอบฟ้าเหตุการณ์

แล้วขอบฟ้าเหตุการณ์คืออะไร? เป็นไปไม่ได้ที่จะมองเข้าไปในหลุมดำแม้จะมีกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังอย่างยิ่ง เนื่องจากแม้แต่แสงที่เข้าสู่ช่องทางจักรวาลขนาดยักษ์ก็ไม่มีโอกาสที่จะโผล่ออกมาอีก ทุกสิ่งที่สามารถพิจารณาได้อย่างน้อยก็ตั้งอยู่ในบริเวณใกล้เคียง

ขอบฟ้าเหตุการณ์เป็นเส้นพื้นผิวธรรมดาที่ไม่มีอะไร (ทั้งก๊าซ ฝุ่น ดวงดาว หรือแสง) ไม่สามารถหลบหนีไปได้ และนี่คือจุดที่ลึกลับมากของการไม่หวนกลับในหลุมดำของจักรวาล

เอส. ทรานคอฟสกี้

ในบรรดาปัญหาที่สำคัญและน่าสนใจที่สุดของฟิสิกส์และดาราศาสตร์ฟิสิกส์สมัยใหม่ นักวิชาการ V.L. Ginzburg ได้ตั้งชื่อประเด็นที่เกี่ยวข้องกับหลุมดำ (ดู "วิทยาศาสตร์และชีวิต" หมายเลข 11, 12, 1999) มีการทำนายการมีอยู่ของวัตถุแปลก ๆ เหล่านี้เมื่อกว่าสองร้อยปีที่แล้ว สภาพที่นำไปสู่การก่อตัวของพวกเขาได้รับการคำนวณอย่างแม่นยำในช่วงปลายทศวรรษที่ 30 ของศตวรรษที่ 20 และฟิสิกส์ดาราศาสตร์เริ่มศึกษาพวกมันอย่างจริงจังเมื่อไม่ถึงสี่สิบปีก่อน ปัจจุบัน วารสารวิทยาศาสตร์ทั่วโลกตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับหลุมดำหลายพันบทความทุกปี

การก่อตัวของหลุมดำสามารถเกิดขึ้นได้สามวิธี

นี่เป็นธรรมเนียมที่จะต้องพรรณนาถึงกระบวนการที่เกิดขึ้นในบริเวณใกล้กับหลุมดำที่กำลังยุบตัว เมื่อเวลาผ่านไป (Y) พื้นที่ (X) รอบๆ พื้นที่นั้น (พื้นที่แรเงา) จะหดตัวลง และพุ่งเข้าหาภาวะเอกฐาน

สนามโน้มถ่วงของหลุมดำทำให้เกิดการบิดเบือนอย่างรุนแรงในเรขาคณิตของอวกาศ

หลุมดำซึ่งมองไม่เห็นด้วยกล้องโทรทรรศน์ จะเผยให้เห็นตัวเองโดยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงเท่านั้น

ในสนามโน้มถ่วงอันทรงพลังของหลุมดำ คู่อนุภาคและปฏิปักษ์ได้ถือกำเนิดขึ้น

การเกิดคู่อนุภาค-ปฏิปักษ์ในห้องปฏิบัติการ

พวกเขาเกิดขึ้นได้อย่างไร

เทห์ฟากฟ้าที่ส่องสว่างซึ่งมีความหนาแน่นเท่ากับโลกและมีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของดวงอาทิตย์สองร้อยห้าสิบเท่าเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของมัน จะไม่ยอมให้แสงมาถึงเรา ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่วัตถุเรืองแสงที่ใหญ่ที่สุดในจักรวาลยังคงมองไม่เห็นอย่างแม่นยำเนื่องจากขนาดของมัน
ปิแอร์ ไซมอน ลาปลาซ.
นิทรรศการระบบโลก พ.ศ. 2339

ในปี 1783 นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ John Mitchell และอีก 13 ปีต่อมา Pierre Simon Laplace นักดาราศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้ทำการศึกษาที่แปลกประหลาดมากโดยไม่ขึ้นอยู่กับเขา พวกเขามองดูสภาวะที่แสงไม่สามารถหนีจากดาวฤกษ์ได้

ตรรกะของนักวิทยาศาสตร์นั้นเรียบง่าย สำหรับวัตถุทางดาราศาสตร์ใดๆ (ดาวเคราะห์หรือดาวฤกษ์) มีความเป็นไปได้ที่จะคำนวณสิ่งที่เรียกว่าความเร็วหลุดพ้น หรือความเร็วจักรวาลที่สอง ซึ่งช่วยให้วัตถุหรืออนุภาคใดๆ หลุดลอยไปตลอดกาล และในฟิสิกส์ในยุคนั้น ทฤษฎีของนิวตันครองอำนาจสูงสุด โดยที่แสงคือการไหลของอนุภาค (ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและควอนตัมยังอยู่ห่างออกไปเกือบร้อยห้าสิบปี) ความเร็วหลุดพ้นของอนุภาคสามารถคำนวณได้จากความเท่าเทียมกันของพลังงานศักย์บนพื้นผิวดาวเคราะห์และพลังงานจลน์ของร่างกายที่ "หลบหนี" ไปเป็นระยะทางไกลอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ความเร็วนี้ถูกกำหนดโดยสูตร #1#

ที่ไหน ม- มวลของวัตถุอวกาศ ร- รัศมีของมัน ช- ค่าคงที่แรงโน้มถ่วง

จากนี้เราสามารถรับรัศมีของวัตถุที่มีมวลที่กำหนดได้อย่างง่ายดาย (ต่อมาเรียกว่า "รัศมีความโน้มถ่วง" ร g ") โดยที่ความเร็วหลุดพ้นเท่ากับความเร็วแสง:

ซึ่งหมายความว่าดาวดวงหนึ่งถูกบีบอัดจนกลายเป็นทรงกลมที่มีรัศมี รก< 2จีเอ็ม/ค 2 จะหยุดเปล่งแสง - แสงจะไม่สามารถออกไปได้ หลุมดำจะปรากฏขึ้นในจักรวาล

ง่ายที่จะคำนวณว่าดวงอาทิตย์ (มวล 2.1033 กรัม) จะกลายเป็นหลุมดำหากหดตัวในรัศมีประมาณ 3 กิโลเมตร ความหนาแน่นของสารจะสูงถึง 10 16 g/cm 3 . รัศมีของโลกที่ถูกบีบอัดจนกลายเป็นหลุมดำจะลดลงเหลือประมาณหนึ่งเซนติเมตร

ดูเหมือนเหลือเชื่อที่อาจมีพลังในธรรมชาติที่สามารถบีบอัดดาวฤกษ์ให้มีขนาดเล็กลงได้ ดังนั้นข้อสรุปจากผลงานของมิทเชลล์และลาปลาซจึงได้รับการพิจารณามานานกว่าร้อยปีแล้วว่าเป็นสิ่งที่ขัดแย้งทางคณิตศาสตร์ที่ไม่มีความหมายทางกายภาพ

การพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ที่เข้มงวดว่าวัตถุแปลกใหม่ในอวกาศนั้นเป็นไปได้นั้นได้มาในปี 1916 เท่านั้น หลังจากวิเคราะห์สมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน คาร์ล ชวาซไชลด์ ก็ได้รับผลลัพธ์ที่น่าสนใจ เมื่อศึกษาการเคลื่อนที่ของอนุภาคในสนามโน้มถ่วงของวัตถุขนาดใหญ่เขาได้ข้อสรุป: สมการสูญเสียความหมายทางกายภาพ (สารละลายเปลี่ยนเป็นอนันต์) เมื่อ ร= 0 และ ร = รก.

จุดที่ลักษณะของสนามกลายเป็นสิ่งไร้ความหมายเรียกว่าเอกพจน์นั่นคือพิเศษ ภาวะเอกฐานที่จุดศูนย์สะท้อนถึงโครงสร้างแบบสมมาตรในส่วนกลางของสนามในทิศทางเดียวกัน (ท้ายที่สุดแล้ว วัตถุทรงกลมใดๆ เช่น ดาวฤกษ์หรือดาวเคราะห์ สามารถแสดงเป็นจุดวัตถุได้) และจุดที่อยู่บนพื้นผิวทรงกลมที่มีรัศมี ร g สร้างพื้นผิวซึ่งมีความเร็วหลุดพ้นเท่ากับความเร็วแสง ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เรียกว่าทรงกลมเอกพจน์ชวาร์สไชลด์ หรือขอบฟ้าเหตุการณ์ (เหตุใดจึงจะชัดเจนในภายหลัง)

จากตัวอย่างของวัตถุที่เราคุ้นเคย - โลกและดวงอาทิตย์ - เป็นที่ชัดเจนว่าหลุมดำเป็นวัตถุที่แปลกประหลาดมาก แม้แต่นักดาราศาสตร์ที่จัดการกับสสารที่อุณหภูมิความหนาแน่นและความดันสุดขั้วก็ถือว่าพวกมันแปลกใหม่มากและจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ทุกคนไม่เชื่อในการดำรงอยู่ของพวกเขา อย่างไรก็ตาม ข้อบ่งชี้แรกของความเป็นไปได้ในการก่อตัวของหลุมดำมีอยู่แล้วในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ A. Einstein ซึ่งสร้างขึ้นในปี 1915 นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ Arthur Eddington หนึ่งในผู้แปลและผู้เผยแพร่ทฤษฎีสัมพัทธภาพคนแรกๆ ในยุค 30 ได้รับระบบสมการที่อธิบายโครงสร้างภายในของดวงดาว ตามมาว่าดาวฤกษ์อยู่ในสภาวะสมดุลภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงที่มีทิศทางตรงข้ามและความดันภายในที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคพลาสมาร้อนภายในดาวฤกษ์และความดันของการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นในส่วนลึกของมัน หมายความว่าดาวฤกษ์นั้นเป็นลูกบอลแก๊สซึ่งมีอุณหภูมิสูงอยู่ตรงกลางดาวฤกษ์และค่อยๆ ลดลงไปทางขอบนอก โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากสมการพบว่าอุณหภูมิพื้นผิวของดวงอาทิตย์อยู่ที่ประมาณ 5,500 องศา (ซึ่งค่อนข้างสอดคล้องกับข้อมูลการวัดทางดาราศาสตร์) และตรงกลางควรอยู่ที่ประมาณ 10 ล้านองศา สิ่งนี้ทำให้เอ็ดดิงตันสามารถสรุปเชิงพยากรณ์ได้: ที่อุณหภูมินี้ ปฏิกิริยาแสนสาหัสจะ "จุดชนวน" ซึ่งเพียงพอที่จะรับประกันแสงของดวงอาทิตย์ นักฟิสิกส์ปรมาณูในยุคนั้นไม่เห็นด้วยกับเรื่องนี้ สำหรับพวกเขาดูเหมือนว่าในส่วนลึกของดวงดาวจะ "เย็นเกินไป" อุณหภูมิไม่เพียงพอสำหรับปฏิกิริยา "ไป" นักทฤษฎีผู้โกรธแค้นตอบว่า: "มองหาสถานที่ที่ร้อนกว่านี้!"

และในท้ายที่สุดเขาก็พูดถูก: ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์เกิดขึ้นจริงที่ใจกลางดาวฤกษ์ (อีกประการหนึ่งคือสิ่งที่เรียกว่า "มาตรฐาน" โมเดลพลังงานแสงอาทิตย์" ตามแนวคิดเกี่ยวกับฟิวชั่นแสนสาหัสดูเหมือนจะไม่ถูกต้อง - ดูตัวอย่าง "วิทยาศาสตร์และชีวิต" หมายเลข 2, 3, 2000) แต่ถึงกระนั้นปฏิกิริยาในใจกลางดาวก็เกิดขึ้น ดาวฤกษ์ส่องสว่างและการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นทำให้ดาวฤกษ์มีสถานะคงที่ แต่ "เชื้อเพลิง" นิวเคลียร์ในดาวฤกษ์ดับลง การแผ่รังสีก็หยุดลง และแรงดึงดูดแรงโน้มถ่วงก็หายไป มวลของดาวฤกษ์มีขีดจำกัด หลังจากนั้นดาวฤกษ์ก็เริ่มละลายอย่างถาวร การคำนวณแสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นหากมวลของดาวฤกษ์เกินกว่าสองถึงสามมวลดวงอาทิตย์

การยุบตัวของแรงโน้มถ่วง

ในตอนแรก อัตราการหดตัวของดาวฤกษ์จะมีน้อย แต่อัตราการหดตัวของมันจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากแรงโน้มถ่วงจะแปรผกผันกับกำลังสองของระยะทาง แรงอัดไม่สามารถย้อนกลับได้ ไม่มีแรงใดที่สามารถต้านแรงโน้มถ่วงของตัวเองได้ กระบวนการนี้เรียกว่าการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วง ความเร็วในการเคลื่อนที่ของเปลือกดาวฤกษ์เข้าหาศูนย์กลางจะเพิ่มขึ้นจนเข้าใกล้ความเร็วแสง และที่นี่ผลกระทบของทฤษฎีสัมพัทธภาพเริ่มมีบทบาท

ความเร็วหลุดพ้นคำนวณตามแนวคิดของนิวตันเกี่ยวกับธรรมชาติของแสง จากมุมมองของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ปรากฏการณ์ในบริเวณใกล้กับดาวฤกษ์ที่กำลังยุบตัวเกิดขึ้นแตกต่างออกไปบ้าง ในสนามโน้มถ่วงอันทรงพลัง จะเกิดการเปลี่ยนแปลงที่เรียกว่าแรงโน้มถ่วงสีแดง ซึ่งหมายความว่าความถี่ของการแผ่รังสีที่มาจากวัตถุขนาดใหญ่จะเลื่อนไปทางความถี่ที่ต่ำกว่า ในขีดจำกัด ที่ขอบเขตของทรงกลมชวาร์สชิลด์ ความถี่การแผ่รังสีจะกลายเป็นศูนย์ นั่นคือผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ด้านนอกจะไม่สามารถค้นหาสิ่งใดเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นภายในได้ นั่นคือเหตุผลว่าทำไมทรงกลม Schwarzschild จึงถูกเรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์

แต่การลดความถี่เท่ากับการชะลอเวลา และเมื่อความถี่กลายเป็นศูนย์ เวลาจะหยุดลง ซึ่งหมายความว่าผู้สังเกตการณ์ภายนอกจะเห็นภาพที่แปลกมาก เปลือกดาวฤกษ์ที่ตกลงมาด้วยความเร่งที่เพิ่มขึ้น หยุดแทนที่จะไปถึงความเร็วแสง จากมุมมองของเขา การบีบอัดจะหยุดทันทีที่ขนาดของดาวฤกษ์เข้าใกล้แรงโน้มถ่วง
เรา เขาจะไม่มีวันเห็นอนุภาค "ดำดิ่ง" ลงไปใต้ทรงกลมชวาร์สเชียลเลยแม้แต่ครั้งเดียว แต่สำหรับผู้สังเกตการณ์สมมุติที่ตกลงไปในหลุมดำ ทุกอย่างจะจบลงในไม่กี่นาทีบนนาฬิกาข้อมือของเขา ดังนั้น เวลาการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ที่มีขนาดเท่าดวงอาทิตย์จะอยู่ที่ 29 นาที และดาวนิวตรอนที่มีความหนาแน่นมากกว่าและมีขนาดกะทัดรัดกว่ามากจะใช้เวลาเพียง 1/20,000 วินาทีเท่านั้น และที่นี่เขาประสบปัญหาที่เกี่ยวข้องกับเรขาคณิตของอวกาศ-เวลาใกล้กับหลุมดำ

ผู้สังเกตพบว่าตัวเองอยู่ในพื้นที่โค้ง เมื่ออยู่ใกล้รัศมีความโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงจะมีขนาดใหญ่อนันต์ พวกเขายืดจรวดกับนักบินอวกาศ - ผู้สังเกตการณ์ให้เป็นเส้นบาง ๆ ที่มีความยาวไม่สิ้นสุด แต่ตัวเขาเองจะไม่สังเกตเห็นสิ่งนี้: ความผิดปกติทั้งหมดของเขาจะสอดคล้องกับการบิดเบือนพิกัดกาลอวกาศ แน่นอนว่าการพิจารณาเหล่านี้อ้างอิงถึงกรณีสมมุติในอุดมคติ วัตถุที่แท้จริงใดๆ ก็ตามจะถูกฉีกเป็นชิ้นๆ ด้วยแรงน้ำขึ้นน้ำลงเป็นเวลานานก่อนจะเข้าใกล้ทรงกลมชวาร์สไชลด์

มิติของหลุมดำ

ขนาดของหลุมดำหรือถ้าให้ละเอียดกว่านั้นคือรัศมีของทรงกลมชวาร์สชิลด์นั้นแปรผันตามมวลของดาวฤกษ์ และเนื่องจากฟิสิกส์ดาราศาสตร์ไม่ได้กำหนดข้อจำกัดใดๆ เกี่ยวกับขนาดของดาวฤกษ์ หลุมดำจึงมีขนาดใหญ่ตามอำเภอใจ ตัวอย่างเช่น หากเกิดขึ้นระหว่างการล่มสลายของดาวฤกษ์ที่มีมวล 10 8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ (หรือเนื่องจากการรวมตัวกันของดาวฤกษ์หลายแสนดวงหรือแม้แต่ดาวฤกษ์ที่ค่อนข้างเล็กหลายล้านดวง) รัศมีของมันจะอยู่ที่ประมาณ 300 ล้านกิโลเมตร สองเท่าของวงโคจรของโลก และความหนาแน่นเฉลี่ยของสสารของยักษ์ดังกล่าวก็ใกล้เคียงกับความหนาแน่นของน้ำ

เห็นได้ชัดว่านี่คือหลุมดำที่พบในใจกลางกาแลคซี ไม่ว่าในกรณีใด นักดาราศาสตร์ในปัจจุบันนับกาแลคซีได้ประมาณห้าสิบแห่ง ซึ่ง ณ ศูนย์กลางนั้น เมื่อพิจารณาจากหลักฐานทางอ้อม (ตามที่กล่าวไว้ด้านล่าง) มีหลุมดำที่มีมวลประมาณหนึ่งพันล้าน (10 9) ดวงสุริยะ ดูเหมือนว่ากาแล็กซีของเราก็มีหลุมดำเป็นของตัวเองเช่นกัน มวลของมันประเมินได้ค่อนข้างแม่นยำ - 2.4 10 6 ±10% ของมวลดวงอาทิตย์

ทฤษฎีเสนอแนะว่าหลุมขนาดเล็กสีดำที่มีมวลประมาณ 10 14 กรัมและมีรัศมีประมาณ 10 -12 ซม. (ขนาดนิวเคลียสของอะตอม) ก็ควรปรากฏขึ้นพร้อมกับซุปเปอร์ไจแอนต์ดังกล่าวด้วย พวกเขาสามารถปรากฏในช่วงเวลาแรกของการดำรงอยู่ของจักรวาลเป็นการรวมตัวกันของความไม่สอดคล้องกันที่รุนแรงมากของกาลอวกาศด้วยความหนาแน่นของพลังงานขนาดมหึมา สภาพที่มีอยู่ในจักรวาลในขณะนั้นกำลังถูกตระหนักโดยนักวิจัยที่เครื่องชนอันทรงพลัง (เครื่องเร่งความเร็วที่ใช้ลำแสงชนกัน) การทดลองที่ CERN เมื่อต้นปีนี้ได้ผลิตพลาสมาควาร์ก-กลูออน ซึ่งเป็นสสารที่มีอยู่ก่อนการเกิดขึ้นของอนุภาคมูลฐาน การวิจัยเกี่ยวกับสถานะของสสารนี้ยังคงดำเนินต่อไปที่ Brookhaven ซึ่งเป็นศูนย์เครื่องเร่งอนุภาคของอเมริกา สามารถเร่งอนุภาคให้เป็นพลังงานได้ 1.5 ถึง 2 เท่าของขนาดที่สูงกว่าเครื่องเร่งอนุภาคใน
เซิร์น. การทดลองที่กำลังจะเกิดขึ้นทำให้เกิดความกังวลอย่างมาก มันจะสร้างหลุมดำขนาดเล็กที่จะทำให้อวกาศของเราโค้งงอและทำลายโลกหรือไม่

ความกลัวนี้สะท้อนอย่างแรงกล้าจนรัฐบาลสหรัฐฯ ถูกบังคับให้เรียกประชุมคณะกรรมาธิการที่เชื่อถือได้เพื่อตรวจสอบความเป็นไปได้นี้ คณะกรรมการที่ประกอบด้วยนักวิจัยที่มีชื่อเสียงได้สรุปว่า พลังงานของเครื่องเร่งนั้นต่ำเกินกว่าที่หลุมดำจะเกิดขึ้น (การทดลองนี้อธิบายไว้ในวารสาร Science and Life ฉบับที่ 3, 2000)

วิธีดูสิ่งที่มองไม่เห็น

หลุมดำไม่ปล่อยอะไรเลยแม้แต่แสง อย่างไรก็ตาม นักดาราศาสตร์ได้เรียนรู้ที่จะเห็นพวกเขาหรือค้นหา "ผู้สมัคร" สำหรับบทบาทนี้ มีสามวิธีในการตรวจจับหลุมดำ

1. จำเป็นต้องติดตามการหมุนของดาวฤกษ์ในกระจุกดาวรอบจุดศูนย์ถ่วงบางแห่ง หากปรากฎว่าไม่มีอะไรในใจกลางนี้ และดูเหมือนว่าดวงดาวกำลังหมุนรอบพื้นที่ว่าง เราสามารถพูดได้อย่างมั่นใจ: ใน "ความว่างเปล่า" มีหลุมดำ บนพื้นฐานนี้เองที่สันนิษฐานว่ามีหลุมดำในใจกลางกาแล็กซีของเราและประเมินมวลของมัน

2. หลุมดำดูดสสารเข้าสู่ตัวเองจากอวกาศโดยรอบ ฝุ่น ก๊าซ และสสารระหว่างดวงดาวจากดาวฤกษ์ใกล้เคียงตกลงมาบนดาวฤกษ์ในลักษณะก้นหอย ก่อตัวเป็นจานสะสมมวลสาร คล้ายกับวงแหวนของดาวเสาร์ (นี่คือหุ่นไล่กาในการทดลองของ Brookhaven อย่างแน่นอน: หลุมดำขนาดเล็กที่ปรากฏในเครื่องเร่งความเร็วจะเริ่มดูดโลกเข้าสู่ตัวมันเองและกระบวนการนี้ไม่สามารถหยุดได้ด้วยแรงใด ๆ ) เมื่อเข้าใกล้ทรงกลม Schwarzschild อนุภาคจะสัมผัสได้ ความเร่งและเริ่มเปล่งแสงในช่วงเอ็กซ์เรย์ การแผ่รังสีนี้มีสเปกตรัมลักษณะเฉพาะคล้ายกับการแผ่รังสีของอนุภาคที่ได้รับการศึกษามาอย่างดีซึ่งถูกเร่งในซินโครตรอน และหากรังสีดังกล่าวมาจากบริเวณใดบริเวณหนึ่งของจักรวาล เราก็สามารถพูดได้อย่างมั่นใจว่าจะต้องมีหลุมดำอยู่ที่นั่น

3. เมื่อหลุมดำสองหลุมรวมกัน จะเกิดการแผ่รังสีความโน้มถ่วง มีการคำนวณว่าหากมวลของแต่ละก้อนมีมวลประมาณ 10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ แล้วเมื่อมวลเหล่านั้นรวมกันในเวลาไม่กี่ชั่วโมงจะเกิดเป็นรูปร่าง คลื่นความโน้มถ่วงพลังงานเทียบเท่า 1% ของมวลทั้งหมดจะถูกปล่อยออกมา นี่เป็นมากกว่าแสงความร้อนและพลังงานอื่น ๆ ที่ดวงอาทิตย์ปล่อยออกมานับพันเท่าตลอดการดำรงอยู่ของมัน - ห้าพันล้านปี พวกเขาหวังว่าจะตรวจจับรังสีความโน้มถ่วงด้วยความช่วยเหลือของหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง LIGO และอื่นๆ ซึ่งขณะนี้ถูกสร้างขึ้นในอเมริกาและยุโรปโดยมีส่วนร่วมของนักวิจัยชาวรัสเซีย (ดู "วิทยาศาสตร์และชีวิต" หมายเลข 5, 2000)

แม้ว่านักดาราศาสตร์จะไม่สงสัยเกี่ยวกับการมีอยู่ของหลุมดำ แต่ก็ไม่มีใครกล้ายืนยันอย่างเด็ดขาดว่าหนึ่งในหลุมดำนั้นตั้งอยู่ที่จุดที่กำหนดในอวกาศ จรรยาบรรณทางวิทยาศาสตร์และความซื่อสัตย์ของผู้วิจัยจำเป็นต้องมีคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามที่ตั้งไว้ ซึ่งเป็นคำถามที่ไม่ยอมให้เกิดความคลาดเคลื่อน การประมาณมวลของวัตถุที่มองไม่เห็นนั้นไม่เพียงพอ คุณต้องวัดรัศมีของมันและแสดงว่ามันไม่เกินรัศมีชวาร์สชิลด์ และแม้แต่ในกาแล็กซีของเรา ปัญหานี้ก็ยังไม่สามารถแก้ไขได้ นั่นคือเหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์แสดงความยับยั้งชั่งใจในการรายงานการค้นพบของพวกเขา และวารสารทางวิทยาศาสตร์ก็เต็มไปด้วยรายงานเกี่ยวกับงานทางทฤษฎีและการสังเกตผลกระทบที่สามารถให้ความกระจ่างต่อความลึกลับของพวกเขาได้

อย่างไรก็ตาม หลุมดำมีคุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งตามทฤษฎีที่คาดการณ์ไว้ ซึ่งอาจทำให้สามารถมองเห็นพวกมันได้ อย่างไรก็ตาม มีเงื่อนไขเดียวคือ มวลของหลุมดำควรน้อยกว่ามวลดวงอาทิตย์มาก

หลุมดำก็สามารถเป็น “สีขาว” ได้เช่นกัน

เป็นเวลานานแล้วที่หลุมดำถือเป็นศูนย์รวมแห่งความมืด วัตถุที่อยู่ในสุญญากาศหากไม่มีการดูดกลืนสสาร จะไม่ปล่อยสิ่งใดเลย อย่างไรก็ตาม ในปี 1974 สตีเฟน ฮอว์คิง นักทฤษฎีชื่อดังชาวอังกฤษได้แสดงให้เห็นว่าหลุมดำสามารถกำหนดอุณหภูมิได้ และดังนั้นจึงควรแผ่รังสีออกมา

ตามความคิด กลศาสตร์ควอนตัมสุญญากาศไม่ใช่ความว่างเปล่า แต่เป็น "โฟมแห่งอวกาศ-เวลา" ซึ่งเป็นอนุภาคเสมือนจริง (ที่มองไม่เห็นในโลกของเรา) อย่างไรก็ตาม ความผันผวนของพลังงานควอนตัมสามารถ "ดีด" คู่อนุภาค-ปฏิปักษ์ออกจากสุญญากาศได้ ตัวอย่างเช่น ในการชนกันของแกมม่าควอนต้าสองหรือสามตัว อิเล็กตรอนและโพซิตรอนจะปรากฏขึ้นราวกับไม่มีอะไรเลย ปรากฏการณ์นี้และปรากฏการณ์ที่คล้ายกันมีการสังเกตซ้ำแล้วซ้ำอีกในห้องปฏิบัติการ

ความผันผวนของควอนตัมเป็นตัวกำหนดกระบวนการแผ่รังสีของหลุมดำ หากเป็นอนุภาคคู่ที่มีพลังงาน อีและ -อี(พลังงานทั้งหมดของทั้งคู่เป็นศูนย์) เกิดขึ้นในบริเวณใกล้เคียงกับทรงกลม Schwarzschild ชะตากรรมต่อไปของอนุภาคจะแตกต่างกัน พวกเขาสามารถทำลายล้างได้เกือบจะในทันทีหรือไปใต้ขอบฟ้าเหตุการณ์ด้วยกัน ในกรณีนี้สถานะของหลุมดำจะไม่เปลี่ยนแปลง แต่หากมีอนุภาคเพียงอนุภาคเดียวลงไปใต้ขอบฟ้า ผู้สังเกตการณ์จะบันทึกอีกอนุภาคหนึ่ง และดูเหมือนว่ามันจะถูกสร้างขึ้นโดยหลุมดำสำหรับเขา ขณะเดียวกันก็มีหลุมดำที่ดูดซับอนุภาคด้วยพลังงาน -อี,จะลดพลังงานของคุณและด้วยพลังงาน อี- จะเพิ่มขึ้น

ฮอว์คิงคำนวณอัตราที่กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นและได้ข้อสรุป: ความน่าจะเป็นที่จะดูดซับอนุภาคด้วยพลังงานเชิงลบนั้นสูงกว่า ซึ่งหมายความว่าหลุมดำสูญเสียพลังงานและมวล - มันระเหยไป นอกจากนี้ยังแผ่รังสีออกมาเป็นวัตถุสีดำสนิทและมีอุณหภูมิ ต = 6 . 10 -8 มกับ / มเคลวินส์ ที่ไหน ม c - มวลของดวงอาทิตย์ (2.10 33 g) ม- มวลของหลุมดำ ความสัมพันธ์ง่ายๆ นี้แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิของหลุมดำที่มีมวลหกเท่าของดวงอาทิตย์มีค่าเท่ากับหนึ่งร้อยล้านองศา เป็นที่ชัดเจนว่าร่างกายที่เย็นชาเช่นนี้แทบไม่ปล่อยอะไรเลย และเหตุผลข้างต้นทั้งหมดยังคงใช้ได้ รูขนาดเล็กเป็นอีกเรื่องหนึ่ง เห็นได้ง่ายว่าด้วยมวล 10 14 -10 30 กรัม พวกมันถูกให้ความร้อนถึงหมื่นองศาและร้อนขาว! อย่างไรก็ตามควรสังเกตทันทีว่าไม่มีความขัดแย้งกับคุณสมบัติของหลุมดำ: การแผ่รังสีนี้ถูกปล่อยออกมาโดยชั้นที่อยู่เหนือทรงกลมชวาร์สชิลด์ และไม่ต่ำกว่านั้น

ดังนั้นหลุมดำซึ่งดูเหมือนจะเป็นวัตถุที่เยือกแข็งชั่วนิรันดร์ไม่ช้าก็เร็วก็หายไปและระเหยไป ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อเธอ "ลดน้ำหนัก" อัตราการระเหยจะเพิ่มขึ้น แต่ก็ยังใช้เวลานานมาก คาดว่าหลุมขนาดเล็กที่มีน้ำหนัก 10-14 กรัม ซึ่งปรากฏขึ้นทันทีหลังบิ๊กแบงเมื่อ 10-15 พันล้านปีก่อน น่าจะระเหยไปจนหมดตามเวลาของเรา ในช่วงสุดท้ายของชีวิต อุณหภูมิจะสูงถึงค่ามหาศาล ดังนั้นผลิตภัณฑ์จากการระเหยจะต้องเป็นอนุภาคที่มีพลังงานสูงมาก บางทีพวกมันอาจเป็นตัวที่ทำให้เกิดฟองอากาศอย่างกว้างขวางในชั้นบรรยากาศของโลก - EAS ไม่ว่าในกรณีใด ต้นกำเนิดของอนุภาคพลังงานสูงผิดปกติเป็นปัญหาที่สำคัญและน่าสนใจอีกปัญหาหนึ่งที่อาจเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับคำถามที่น่าตื่นเต้นไม่แพ้กันในฟิสิกส์ของหลุมดำ