A causa dell'aumento relativamente recente dell'interesse per la realizzazione di film di divulgazione scientifica sull'esplorazione dello spazio, lo spettatore moderno ha sentito parlare molto di fenomeni come la singolarità o il buco nero. Tuttavia, i film ovviamente non rivelano la piena natura di questi fenomeni e talvolta distorcono persino le teorie scientifiche costruite per ottenere un maggiore effetto. Per questo motivo, l'idea di molte persone moderne su questi fenomeni è completamente superficiale o completamente erronea. Una delle soluzioni al problema che è sorto è questo articolo, in cui cercheremo di comprendere i risultati della ricerca esistente e rispondere alla domanda: cos'è un buco nero?

Nel 1784, il sacerdote e naturalista inglese John Michell menzionò per la prima volta in una lettera alla Royal Society un ipotetico corpo massiccio che ha un'attrazione gravitazionale così forte che la seconda velocità cosmica per esso supererebbe la velocità della luce. La seconda velocità di fuga è la velocità di cui un oggetto relativamente piccolo avrebbe bisogno per superare l'attrazione gravitazionale di un corpo celeste e lasciare l'orbita chiusa attorno a questo corpo. Secondo i suoi calcoli, un corpo con la densità del Sole e con un raggio di 500 raggi solari avrà sulla sua superficie una seconda velocità cosmica pari alla velocità della luce. In questo caso, anche la luce non lascerà la superficie di un tale corpo, e quindi questo corpo assorbirà solo la luce in entrata e rimarrà invisibile all'osservatore - una specie di macchia nera sullo sfondo dello spazio buio.

Tuttavia, il concetto di corpo supermassiccio proposto da Michell non ha suscitato molto interesse fino al lavoro di Einstein. Ricordiamo che quest'ultimo ha definito la velocità della luce come la velocità limite di trasferimento delle informazioni. Inoltre, Einstein ha ampliato la teoria della gravità per velocità vicine alla velocità della luce (). Di conseguenza, non era più rilevante applicare la teoria newtoniana ai buchi neri.

L'equazione di Einstein

Come risultato dell'applicazione della relatività generale ai buchi neri e della risoluzione delle equazioni di Einstein, sono stati rivelati i parametri principali di un buco nero, di cui ce ne sono solo tre: massa, carica elettrica e momento angolare. Da segnalare il significativo contributo dell'astrofisico indiano Subramanyan Chandrasekhar, che ha realizzato una fondamentale monografia: "The Mathematical Theory of Black Holes".

Pertanto, la soluzione delle equazioni di Einstein è rappresentata da quattro opzioni per quattro possibili tipi di buchi neri:

• Buco nero senza rotazione e senza carica: la soluzione di Schwarzschild. Una delle prime descrizioni di un buco nero (1916) utilizzando le equazioni di Einstein, ma senza tenere conto di due dei tre parametri del corpo. La soluzione del fisico tedesco Karl Schwarzschild consente di calcolare il campo gravitazionale esterno di un corpo massiccio sferico. Una caratteristica del concetto di buco nero dello scienziato tedesco è la presenza di un orizzonte degli eventi e quello dietro di esso. Schwarzschild calcolò anche per primo il raggio gravitazionale, che ha ricevuto il suo nome, che determina il raggio della sfera su cui si troverebbe l'orizzonte degli eventi per un corpo con una data massa.
• Un buco nero senza rotazione con una carica: la soluzione di Reisner-Nordström. Una soluzione proposta nel 1916-1918, tenendo conto della possibile carica elettrica di un buco nero. Questa carica non può essere arbitrariamente grande ed è limitata a causa della conseguente repulsione elettrica. Quest'ultimo deve essere compensato dall'attrazione gravitazionale.
• Un buco nero con rotazione e senza carica: la soluzione di Kerr (1963). Un buco nero di Kerr rotante differisce da uno statico per la presenza della cosiddetta ergosfera (continua a leggere su questo e altri componenti di un buco nero).
• BH con rotazione e carica - soluzione Kerr-Newman. Questa soluzione è stata calcolata nel 1965 ed è attualmente la più completa, poiché tiene conto di tutti e tre i parametri BH. Tuttavia, si presume ancora che i buchi neri in natura abbiano una carica insignificante.

La formazione di un buco nero

Esistono diverse teorie su come si forma e appare un buco nero, la più famosa delle quali è l'emergere di una stella con massa sufficiente a seguito del collasso gravitazionale. Tale compressione può porre fine all'evoluzione delle stelle con una massa superiore a tre masse solari. Al completamento delle reazioni termonucleari all'interno di tali stelle, iniziano a ridursi rapidamente in una superdensa. Se la pressione del gas di una stella di neutroni non può compensare le forze gravitazionali, cioè la massa della stella supera il cosiddetto. Oppenheimer-Volkov limite, quindi il collasso continua, a seguito del quale la materia viene compressa in un buco nero.

Il secondo scenario che descrive la nascita di un buco nero è la compressione del gas protogalattico, cioè del gas interstellare che si trova nella fase di trasformazione in una galassia o in una specie di ammasso. In caso di pressione interna insufficiente per compensare le stesse forze gravitazionali, può sorgere un buco nero.

Restano ipotetici altri due scenari:

• Il verificarsi di un buco nero di conseguenza - il cosiddetto. buchi neri primordiali.
• Evento come risultato di reazioni nucleari ad alte energie. Un esempio di tali reazioni sono gli esperimenti sui collisori.

Struttura e fisica dei buchi neri

La struttura di un buco nero secondo Schwarzschild include solo due elementi che sono stati menzionati in precedenza: la singolarità e l'orizzonte degli eventi di un buco nero. Parlando brevemente della singolarità, si può notare che è impossibile tracciare una linea retta attraverso di essa, e anche che la maggior parte delle teorie fisiche esistenti non funzionano al suo interno. Pertanto, la fisica della singolarità rimane un mistero per gli scienziati oggi. buco nero - questa è una specie di confine, attraversando il quale, un oggetto fisico perde la capacità di tornare oltre e "cadere" inequivocabilmente nella singolarità di un buco nero.

La struttura di un buco nero diventa un po' più complicata nel caso della soluzione di Kerr, cioè in presenza di rotazione BH. La soluzione di Kerr implica che il buco abbia un'ergosfera. Ergosfera - una certa area situata al di fuori dell'orizzonte degli eventi, all'interno della quale tutti i corpi si muovono nella direzione di rotazione del buco nero. Questa zona non è ancora entusiasmante ed è possibile abbandonarla, a differenza dell'orizzonte degli eventi. L'ergosfera è probabilmente una specie di analogo di un disco di accrescimento, che rappresenta una sostanza rotante attorno a corpi massicci. Se un buco nero di Schwarzschild statico è rappresentato come una sfera nera, allora il buco nero di Kerry, per la presenza di un'ergosfera, ha la forma di un ellissoide oblato, nella forma del quale abbiamo visto spesso i buchi neri nei disegni, in film o videogiochi.

• Quanto pesa un buco nero? - Il più grande materiale teorico sull'aspetto di un buco nero è disponibile per lo scenario della sua apparizione a seguito del collasso di una stella. In questo caso, la massa massima di una stella di neutroni e la massa minima di un buco nero sono determinate dal limite di Oppenheimer-Volkov, secondo il quale il limite inferiore della massa BH è 2,5 - 3 masse solari. Il buco nero più pesante mai scoperto (nella galassia NGC 4889) ha una massa di 21 miliardi di masse solari. Tuttavia, non bisogna dimenticare i buchi neri, ipoteticamente risultanti da reazioni nucleari ad alte energie, come quelle dei collisori. La massa di tali buchi neri quantistici, in altre parole "buchi neri di Planck", è dell'ordine di , ovvero 2 10 −5 g.
• Dimensione del buco nero. Il raggio BH minimo può essere calcolato dalla massa minima (2,5 - 3 masse solari). Se il raggio gravitazionale del Sole, cioè l'area in cui sarebbe l'orizzonte degli eventi, è di circa 2,95 km, il raggio minimo di un BH di 3 masse solari sarà di circa nove chilometri. Dimensioni così relativamente piccole non si adattano alla testa quando si tratta di oggetti enormi che attraggono tutto ciò che c'è intorno. Tuttavia, per i buchi neri quantistici, il raggio è -10 -35 m.
• La densità media di un buco nero dipende da due parametri: massa e raggio. La densità di un buco nero con una massa di circa tre masse solari è di circa 6 10 26 kg/m³, mentre la densità dell'acqua è di 1000 kg/m³. Tuttavia, questi piccoli buchi neri non sono stati trovati dagli scienziati. La maggior parte dei BH rilevati ha masse maggiori di 105 masse solari. C'è un modello interessante secondo il quale più massiccio è il buco nero, minore è la sua densità. In questo caso, una variazione di massa di 11 ordini di grandezza comporta una variazione di densità di 22 ordini di grandezza. Pertanto, un buco nero con una massa di 1 ·10 9 masse solari ha una densità di 18,5 kg/m³, che è uno in meno della densità dell'oro. E i buchi neri con una massa superiore a 10 10 masse solari possono avere una densità media inferiore alla densità dell'aria. Sulla base di questi calcoli, è logico supporre che la formazione di un buco nero non avvenga a causa della compressione della materia, ma come risultato dell'accumulo di una grande quantità di materia in un certo volume. Nel caso dei buchi neri quantistici, la loro densità può essere di circa 10 94 kg/m³.
• Anche la temperatura di un buco nero è inversamente proporzionale alla sua massa. Questa temperatura è direttamente correlata a . Lo spettro di questa radiazione coincide con lo spettro di un corpo completamente nero, cioè un corpo che assorbe tutta la radiazione incidente. Lo spettro di radiazione di un corpo nero dipende solo dalla sua temperatura, quindi la temperatura di un buco nero può essere determinata dallo spettro di radiazione di Hawking. Come accennato in precedenza, questa radiazione è tanto più potente, tanto più piccolo è il buco nero. Allo stesso tempo, la radiazione di Hawking rimane ipotetica, poiché non è stata ancora osservata dagli astronomi. Ne consegue che se esiste la radiazione di Hawking, la temperatura dei BH osservati è così bassa da non consentire di rilevare la radiazione indicata. Secondo i calcoli, anche la temperatura di un buco con una massa dell'ordine della massa del Sole è trascurabilmente piccola (1 ·10 -7 K o -272°C). La temperatura dei buchi neri quantistici può raggiungere circa 10 12 K e, con la loro rapida evaporazione (circa 1,5 min.), tali buchi neri possono emettere energia dell'ordine di dieci milioni di bombe atomiche. Ma, fortunatamente, la creazione di tali ipotetici oggetti richiederà un'energia 10 14 volte maggiore di quella raggiunta oggi al Large Hadron Collider. Inoltre, tali fenomeni non sono mai stati osservati dagli astronomi.

Di cosa è fatto un CHD?

Un'altra domanda preoccupa sia gli scienziati che coloro che sono semplicemente appassionati di astrofisica: in cosa consiste un buco nero? Non esiste una risposta univoca a questa domanda, poiché non è possibile guardare oltre l'orizzonte degli eventi che circonda un buco nero. Inoltre, come accennato in precedenza, i modelli teorici di un buco nero prevedono solo 3 delle sue componenti: l'ergosfera, l'orizzonte degli eventi e la singolarità. È logico supporre che nell'ergosfera ci siano solo quegli oggetti che sono stati attratti dal buco nero e che ora ruotano attorno ad esso: vari tipi di corpi cosmici e gas cosmici. L'orizzonte degli eventi è solo un sottile confine implicito, una volta oltre il quale, gli stessi corpi cosmici sono irrevocabilmente attratti verso l'ultimo componente principale del buco nero: la singolarità. La natura della singolarità non è stata studiata oggi ed è troppo presto per parlare della sua composizione.

Secondo alcune ipotesi, un buco nero può essere costituito da neutroni. Se seguiamo lo scenario del verificarsi di un buco nero a seguito della compressione di una stella in una stella di neutroni con la sua successiva compressione, allora, probabilmente, la parte principale del buco nero è costituita da neutroni, di cui la stella di neutroni stesso consiste. In parole semplici: quando una stella collassa, i suoi atomi vengono compressi in modo tale che gli elettroni si combinino con i protoni, formando così neutroni. Tale reazione avviene infatti in natura, con la formazione di un neutrone, avviene l'emissione di neutrini. Tuttavia, queste sono solo ipotesi.

Cosa succede se cadi in un buco nero?

Cadere in un buco nero astrofisico porta allo stiramento del corpo. Si consideri un ipotetico astronauta suicida che si dirige verso un buco nero indossando nient'altro che una tuta spaziale, i piedi prima di tutto. Attraversando l'orizzonte degli eventi, l'astronauta non noterà alcun cambiamento, nonostante non abbia più l'opportunità di tornare indietro. Ad un certo punto, l'astronauta raggiungerà un punto (leggermente dietro l'orizzonte degli eventi) in cui comincerà a verificarsi la deformazione del suo corpo. Poiché il campo gravitazionale di un buco nero non è uniforme ed è rappresentato da un gradiente di forza crescente verso il centro, le gambe dell'astronauta saranno soggette a un effetto gravitazionale notevolmente maggiore rispetto, ad esempio, alla testa. Quindi, a causa della gravità, o meglio delle forze di marea, le gambe "cadranno" più velocemente. Pertanto, il corpo inizia ad allungarsi gradualmente in lunghezza. Per descrivere questo fenomeno, gli astrofisici hanno escogitato un termine piuttosto creativo: spaghettificazione. Un ulteriore stiramento del corpo lo decomporrà probabilmente in atomi che, prima o poi, raggiungeranno una singolarità. Si può solo immaginare cosa proverà una persona in questa situazione. Vale la pena notare che l'effetto dello stiramento del corpo è inversamente proporzionale alla massa del buco nero. Cioè, se un BH con la massa di tre Soli allunga/rompe istantaneamente il corpo, allora il buco nero supermassiccio avrà forze di marea inferiori e, ci sono suggerimenti che alcuni materiali fisici potrebbero "tollerare" una tale deformazione senza perdere la loro struttura.

Come sapete, vicino a oggetti enormi, il tempo scorre più lentamente, il che significa che il tempo per un astronauta suicida scorrerà molto più lentamente che per i terrestri. In tal caso, forse sopravviverà non solo ai suoi amici, ma alla Terra stessa. Saranno necessari calcoli per determinare quanto tempo rallenterà per un astronauta, tuttavia, da quanto sopra, si può presumere che l'astronauta cadrà nel buco nero molto lentamente e potrebbe semplicemente non vivere abbastanza per vedere il momento in cui il suo corpo inizia deformare.

È interessante notare che per un osservatore esterno, tutti i corpi che sono volati fino all'orizzonte degli eventi rimarranno ai margini di questo orizzonte finché la loro immagine non scompare. La ragione di questo fenomeno è il redshift gravitazionale. Semplificando un po', possiamo dire che la luce che cade sul corpo di un astronauta suicida "congelato" all'orizzonte degli eventi cambierà la sua frequenza a causa del suo tempo di rallentamento. Con il passare del tempo più lentamente, la frequenza della luce diminuirà e la lunghezza d'onda aumenterà. Come risultato di questo fenomeno, all'uscita, cioè per un osservatore esterno, la luce si sposterà gradualmente verso la bassa frequenza - rossa. Avverrà uno spostamento della luce lungo lo spettro, man mano che l'astronauta suicida si allontana sempre più dall'osservatore, anche se in modo quasi impercettibile, e il suo tempo scorre sempre più lentamente. Pertanto, la luce riflessa dal suo corpo andrà presto oltre lo spettro visibile (l'immagine scomparirà) e in futuro il corpo dell'astronauta potrà essere rilevato solo nella regione dell'infrarosso, successivamente nella regione della radiofrequenza e, di conseguenza, la radiazione sarà completamente sfuggente.

Nonostante quanto scritto sopra, si presume che in buchi neri supermassicci molto grandi, le forze di marea non cambino molto con la distanza e agiscano in modo quasi uniforme sul corpo in caduta. In tal caso, il veicolo spaziale in caduta manterrebbe la sua struttura. Sorge una domanda ragionevole: dove conduce un buco nero? Questa domanda può essere risolta dal lavoro di alcuni scienziati, che collegano due fenomeni come i wormhole e i buchi neri.

Già nel 1935, Albert Einstein e Nathan Rosen, tenendo conto, avanzarono un'ipotesi sull'esistenza dei cosiddetti wormhole, che collegano due punti dello spazio-tempo in luoghi di significativa curvatura di quest'ultimo: il ponte Einstein-Rosen o wormhole. Per una così potente curvatura dello spazio, saranno necessari corpi con una massa gigantesca, con il ruolo di cui i buchi neri potrebbero far fronte perfettamente.

Il ponte Einstein-Rosen è considerato un wormhole impenetrabile, poiché è piccolo e instabile.

Un wormhole attraversabile è possibile all'interno della teoria dei buchi bianchi e neri. Dove il buco bianco è l'output delle informazioni che sono cadute nel buco nero. Il buco bianco è descritto nel quadro della relatività generale, ma oggi rimane ipotetico e non è stato scoperto. Un altro modello di wormhole è stato proposto dagli scienziati americani Kip Thorne e dal suo studente laureato Mike Morris, che può essere accettabile. Tuttavia, come nel caso del wormhole Morris-Thorne, così nel caso dei buchi bianchi e neri, la possibilità di viaggiare richiede l'esistenza della cosiddetta materia esotica, che ha energia negativa e rimane anche ipotetica.

Buchi neri nell'universo

L'esistenza dei buchi neri è stata confermata in tempi relativamente recenti (settembre 2015), ma prima di allora c'era già molto materiale teorico sulla natura dei buchi neri, così come molti oggetti candidati per il ruolo di un buco nero. Innanzitutto bisogna tenere conto delle dimensioni del buco nero, poiché da esse dipende la natura stessa del fenomeno:

• buco nero di massa stellare. Tali oggetti si formano a seguito del crollo di una stella. Come accennato in precedenza, la massa minima di un corpo in grado di formare un tale buco nero è di 2,5 - 3 masse solari.
• Buchi neri di massa intermedia. Un tipo intermedio condizionale di buchi neri che sono aumentati a causa dell'assorbimento di oggetti vicini, come accumuli di gas, una stella vicina (in sistemi di due stelle) e altri corpi cosmici.
• Buco nero supermassiccio. Oggetti compatti con 10 5 -10 10 masse solari. Le proprietà distintive di tali BH sono la densità paradossalmente bassa, così come le deboli forze di marea, che sono state discusse in precedenza. È questo buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia, la Via Lattea (Sagittarius A*, Sgr A*), così come la maggior parte delle altre galassie.

Candidati per CHD

Il buco nero più vicino, o meglio candidato al ruolo di buco nero, è un oggetto (V616 Unicorn), che si trova a una distanza di 3000 anni luce dal Sole (nella nostra galassia). È costituito da due componenti: una stella con una massa della metà della massa solare, nonché un piccolo corpo invisibile, la cui massa è di 3 - 5 masse solari. Se questo oggetto risulta essere un piccolo buco nero di massa stellare, allora di diritto sarà il buco nero più vicino.

Seguendo questo oggetto, il secondo buco nero più vicino è Cyg X-1 (Cyg X-1), che è stato il primo candidato per il ruolo di buco nero. La distanza è di circa 6070 anni luce. Abbastanza ben studiato: ha una massa di 14,8 masse solari e un raggio dell'orizzonte degli eventi di circa 26 km.

Secondo alcune fonti, un altro candidato più vicino per il ruolo di buco nero potrebbe essere un corpo nel sistema stellare V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), che, secondo stime nel 1999, si trovava a una distanza di 1600 anni luce. Tuttavia, studi successivi hanno aumentato questa distanza di almeno 15 volte.

Quanti buchi neri ci sono nella nostra galassia?

Non esiste una risposta esatta a questa domanda, dal momento che è piuttosto difficile osservarli e durante l'intero studio del cielo gli scienziati sono riusciti a rilevare una dozzina di buchi neri all'interno della Via Lattea. Senza indulgere nei calcoli, notiamo che nella nostra galassia ci sono circa 100 - 400 miliardi di stelle e circa ogni millesimo di stella ha una massa sufficiente per formare un buco nero. È probabile che durante l'esistenza della Via Lattea si siano formati milioni di buchi neri. Dal momento che è più facile registrare enormi buchi neri, è logico presumere che la maggior parte dei BH nella nostra galassia non siano supermassicci. È interessante notare che la ricerca della NASA nel 2005 suggerisce la presenza di un intero sciame di buchi neri (10-20 mila) in orbita attorno al centro della galassia. Inoltre, nel 2016, gli astrofisici giapponesi hanno scoperto un enorme satellite vicino all'oggetto * - un buco nero, il nucleo della Via Lattea. A causa del piccolo raggio (0,15 anni luce) di questo corpo, nonché della sua enorme massa (100.000 masse solari), gli scienziati suggeriscono che questo oggetto sia anche un buco nero supermassiccio.

Il nucleo della nostra galassia, il buco nero della Via Lattea (Sagittarius A*, Sgr A* o Sagittario A*) è supermassiccio e ha una massa di 4,31 10 6 masse solari, e un raggio di 0,00071 anni luce (6,25 ore luce o 6,75 miliardi di km). La temperatura del Sagittario A* insieme al grappolo che lo circonda è di circa 1 10 7 K.

Il più grande buco nero

Il più grande buco nero nell'universo che gli scienziati sono stati in grado di rilevare è un buco nero supermassiccio, il blazar FSRQ, al centro della galassia S5 0014+81, a una distanza di 1,2·10 10 anni luce dalla Terra. Secondo i risultati preliminari dell'osservazione, utilizzando l'osservatorio spaziale Swift, la massa del buco nero era di 40 miliardi (40 10 9) di masse solari e il raggio di Schwarzschild di tale buco era di 118,35 miliardi di chilometri (0,013 anni luce). Inoltre, secondo i calcoli, è sorto 12,1 miliardi di anni fa (1,6 miliardi di anni dopo il Big Bang). Se questo gigantesco buco nero non assorbe la materia che lo circonda, vivrà per assistere all'era dei buchi neri, una delle ere nello sviluppo dell'Universo, durante la quale i buchi neri domineranno al suo interno. Se il nucleo della galassia S5 0014+81 continua a crescere, diventerà uno degli ultimi buchi neri che esisteranno nell'Universo.

Gli altri due buchi neri conosciuti, sebbene non nominati, sono della massima importanza per lo studio dei buchi neri, in quanto ne hanno confermato l'esistenza sperimentalmente, e hanno anche dato risultati importanti per lo studio della gravità. Stiamo parlando dell'evento GW150914, chiamato collisione di due buchi neri in uno. Questo evento ha permesso di registrarsi.

Rilevamento di buchi neri

Prima di considerare i metodi per rilevare i buchi neri, si dovrebbe rispondere alla domanda: perché un buco nero è nero? - la risposta non richiede una profonda conoscenza dell'astrofisica e della cosmologia. Il fatto è che un buco nero assorbe tutta la radiazione che gli cade sopra e non si irradia affatto, se non si tiene conto dell'ipotetico. Se consideriamo più in dettaglio questo fenomeno, possiamo supporre che all'interno dei buchi neri non ci siano processi che portino al rilascio di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Quindi, se il buco nero si irradia, allora è nello spettro di Hawking (che coincide con lo spettro di un corpo riscaldato, assolutamente nero). Tuttavia, come accennato in precedenza, questa radiazione non è stata rilevata, il che suggerisce una temperatura completamente bassa dei buchi neri.

Un'altra teoria generalmente accettata afferma che la radiazione elettromagnetica non è affatto in grado di lasciare l'orizzonte degli eventi. È molto probabile che i fotoni (particelle di luce) non siano attratti da oggetti massicci, poiché secondo la teoria essi stessi non hanno massa. Tuttavia, il buco nero "attrae" ancora i fotoni di luce attraverso la distorsione dello spazio-tempo. Se immaginiamo un buco nero nello spazio come una sorta di depressione sulla superficie liscia dello spazio-tempo, allora c'è una certa distanza dal centro del buco nero, avvicinandosi alla quale la luce non potrà più allontanarsi da esso. Cioè, grosso modo, la luce inizia a "cadere" nella "fossa", che non ha nemmeno un "fondo".

Inoltre, dato l'effetto dello spostamento verso il rosso gravitazionale, è possibile che la luce in un buco nero perda la sua frequenza, spostandosi lungo lo spettro nella regione della radiazione a onde lunghe a bassa frequenza, fino a perdere del tutto energia.

Quindi, un buco nero è nero e quindi difficile da rilevare nello spazio.

Metodi di rilevamento

Considera i metodi utilizzati dagli astronomi per rilevare un buco nero:

Oltre ai metodi sopra menzionati, gli scienziati spesso associano oggetti come buchi neri e. I quasar sono alcuni accumuli di corpi cosmici e gas, che sono tra gli oggetti astronomici più luminosi dell'Universo. Dal momento che hanno un'elevata intensità di luminescenza a dimensioni relativamente piccole, c'è motivo di credere che il centro di questi oggetti sia un buco nero supermassiccio, che attira a sé la materia circostante. A causa di una così potente attrazione gravitazionale, la materia attratta è così riscaldata da irradiarsi intensamente. Il rilevamento di tali oggetti viene solitamente confrontato con il rilevamento di un buco nero. A volte i quasar possono irradiare getti di plasma riscaldato in due direzioni: getti relativistici. Le ragioni dell'emergere di tali getti (jet) non sono del tutto chiare, ma sono probabilmente causate dall'interazione dei campi magnetici del buco nero e del disco di accrescimento, e non sono emesse da un buco nero diretto.

Un jet nella galassia M87 che colpisce dal centro di un buco nero

Riassumendo quanto sopra, si può immaginare, da vicino: si tratta di un oggetto sferico nero, attorno al quale ruota materia fortemente riscaldata, formando un disco di accrescimento luminoso.

Fusione e collisione di buchi neri

Uno dei fenomeni più interessanti in astrofisica è la collisione di buchi neri, che consente anche di rilevare corpi astronomici così massicci. Tali processi interessano non solo agli astrofisici, poiché danno luogo a fenomeni poco studiati dai fisici. L'esempio più chiaro è l'evento precedentemente menzionato chiamato GW150914, quando due buchi neri si sono avvicinati così tanto che, a causa della reciproca attrazione gravitazionale, si sono fusi in uno solo. Un'importante conseguenza di questa collisione fu l'emergere delle onde gravitazionali.

Secondo la definizione di onde gravitazionali, si tratta di cambiamenti nel campo gravitazionale che si propagano in modo ondulatorio da massicci oggetti in movimento. Quando due di questi oggetti si avvicinano, iniziano a ruotare attorno a un baricentro comune. Man mano che si avvicinano, la loro rotazione attorno al proprio asse aumenta. Tali oscillazioni variabili del campo gravitazionale a un certo punto possono formare una potente onda gravitazionale che può propagarsi nello spazio per milioni di anni luce. Quindi, a una distanza di 1,3 miliardi di anni luce, si è verificata una collisione di due buchi neri, che hanno formato una potente onda gravitazionale che ha raggiunto la Terra il 14 settembre 2015 ed è stata registrata dai rivelatori LIGO e VIRGO.

Come muoiono i buchi neri?

Ovviamente, affinché un buco nero cessi di esistere, dovrebbe perdere tutta la sua massa. Tuttavia, secondo la sua definizione, nulla può lasciare il buco nero se ha attraversato il suo orizzonte degli eventi. È noto che per la prima volta il fisico teorico sovietico Vladimir Gribov ha menzionato la possibilità di emissione di particelle da parte di un buco nero nella sua discussione con un altro scienziato sovietico Yakov Zel'dovich. Ha affermato che dal punto di vista della meccanica quantistica, un buco nero è in grado di emettere particelle attraverso un effetto tunnel. Successivamente, con l'aiuto della meccanica quantistica, ha costruito la sua teoria, un po' diversa, del fisico teorico inglese Stephen Hawking. Puoi leggere di più su questo fenomeno. Insomma, nel vuoto ci sono le cosiddette particelle virtuali che nascono costantemente in coppia e si annichilano a vicenda, pur non interagendo con il mondo esterno. Ma se tali coppie sorgono all'orizzonte degli eventi del buco nero, allora una forte gravità è ipoteticamente in grado di separarle, con una particella che cade nel buco nero e l'altra che si allontana dal buco nero. E poiché una particella che è volata via da un buco può essere osservata, e quindi ha energia positiva, una particella che è caduta in un buco deve avere energia negativa. Pertanto, il buco nero perderà la sua energia e si verificherà un effetto chiamato evaporazione del buco nero.

Secondo i modelli disponibili di un buco nero, come accennato in precedenza, al diminuire della sua massa, la sua radiazione diventa più intensa. Quindi, nella fase finale dell'esistenza di un buco nero, quando può essere ridotto alle dimensioni di un buco nero quantistico, rilascerà un'enorme quantità di energia sotto forma di radiazione, che può essere equivalente a migliaia o addirittura milioni di bombe atomiche. Questo evento ricorda in qualche modo l'esplosione di un buco nero, come la stessa bomba. Secondo i calcoli, i buchi neri primordiali potrebbero essere nati a seguito del Big Bang e quelli, la cui massa è dell'ordine di 10 12 kg, dovrebbero essere evaporati ed esplodere intorno ai nostri giorni. Comunque sia, tali esplosioni non sono mai state viste dagli astronomi.

Nonostante il meccanismo proposto da Hawking per la distruzione dei buchi neri, le proprietà della radiazione di Hawking causano un paradosso nella meccanica quantistica. Se un buco nero assorbe un corpo e poi perde la massa risultante dall'assorbimento di questo corpo, indipendentemente dalla natura del corpo, il buco nero non differirà da quello che era prima dell'assorbimento del corpo. In questo caso, le informazioni sul corpo sono perse per sempre. Dal punto di vista dei calcoli teorici, la trasformazione dello stato puro iniziale nello stato misto ("termico") risultante non corrisponde all'attuale teoria della meccanica quantistica. Questo paradosso è talvolta chiamato la scomparsa di informazioni in un buco nero. Una vera soluzione a questo paradosso non è mai stata trovata. Opzioni note per risolvere il paradosso:

• Incoerenza della teoria di Hawking. Ciò comporta l'impossibilità di distruggere il buco nero e la sua crescita costante.
• La presenza di buchi bianchi. In questo caso, l'informazione assorbita non scompare, ma viene semplicemente espulsa in un altro Universo.
• Incoerenza della teoria generalmente accettata della meccanica quantistica.

Problema irrisolto della fisica dei buchi neri

A giudicare da tutto ciò che è stato descritto in precedenza, i buchi neri, sebbene siano stati studiati per un tempo relativamente lungo, hanno ancora molte caratteristiche, i cui meccanismi non sono ancora noti agli scienziati.

• Nel 1970 uno scienziato inglese formulò il cosiddetto. "principio della censura cosmica" - "La natura detesta la nuda singolarità". Ciò significa che la singolarità si forma solo in luoghi nascosti alla vista, come il centro di un buco nero. Tuttavia, questo principio non è stato ancora dimostrato. Esistono anche calcoli teorici secondo i quali può verificarsi una singolarità "nuda".
• Anche il "teorema senza capelli", secondo il quale i buchi neri hanno solo tre parametri, non è stato dimostrato.
• Non è stata sviluppata una teoria completa della magnetosfera del buco nero.
• La natura e la fisica della singolarità gravitazionale non sono state studiate.
• Non si sa con certezza cosa accada nella fase finale dell'esistenza di un buco nero e cosa rimanga dopo il suo decadimento quantistico.

Fatti interessanti sui buchi neri

Riassumendo quanto sopra, possiamo evidenziare diverse caratteristiche interessanti e insolite della natura dei buchi neri:

• I buchi neri hanno solo tre parametri: massa, carica elettrica e momento angolare. Come risultato di un numero così piccolo di caratteristiche di questo corpo, il teorema che lo afferma è chiamato "teorema senza capelli". Da qui deriva anche la frase "un buco nero non ha capelli", il che significa che due buchi neri sono assolutamente identici, i loro tre parametri menzionati sono gli stessi.
• La densità dei buchi neri può essere inferiore alla densità dell'aria e la temperatura è vicina allo zero assoluto. Da ciò possiamo supporre che la formazione di un buco nero avvenga non per compressione della materia, ma come risultato dell'accumulo di una grande quantità di materia in un certo volume.
• Il tempo per i corpi assorbiti dai buchi neri è molto più lento che per un osservatore esterno. Inoltre, i corpi assorbiti sono significativamente allungati all'interno del buco nero, che è stato chiamato spaghettificazione dagli scienziati.
• Potrebbero esserci circa un milione di buchi neri nella nostra galassia.
• Probabilmente c'è un buco nero supermassiccio al centro di ogni galassia.
• In futuro, secondo il modello teorico, l'Universo raggiungerà la cosiddetta era dei buchi neri, quando i buchi neri diventeranno i corpi dominanti nell'Universo.

I buchi neri - forse gli oggetti astronomici più misteriosi ed enigmatici del nostro Universo, hanno attirato l'attenzione degli esperti e stimolano l'immaginazione degli scrittori di fantascienza sin dalla loro scoperta. Cosa sono i buchi neri e che aspetto hanno? I buchi neri sono stelle spente, a causa delle loro caratteristiche fisiche, che hanno una densità così elevata e una gravità così potente che nemmeno la luce può sfuggirvi.

La storia della scoperta dei buchi neri

Per la prima volta, l'esistenza teorica dei buchi neri, molto prima della loro effettiva scoperta, fu suggerita da qualcuno D. Michel (un prete inglese dello Yorkshire, che ama l'astronomia a suo piacimento) nel 1783. Secondo i suoi calcoli, se prendiamo il nostro e lo comprimiamo (in termini di computer moderni, lo archiviamo) in un raggio di 3 km, si forma una forza gravitazionale così grande (solo enorme) che nemmeno la luce può lasciarla. Così è apparso il concetto di “buco nero”, anche se in realtà non è affatto nero, a nostro avviso il termine “buco nero” sarebbe più appropriato, perché è proprio l'assenza di luce che si verifica.

Più tardi, nel 1918, il grande scienziato Albert Einstein scrisse del problema dei buchi neri nel contesto. Ma solo nel 1967, grazie agli sforzi dell'astrofisico americano John Wheeler, il concetto di buchi neri ha finalmente conquistato un posto nei circoli accademici.

Comunque sia, sia D. Michel, sia Albert Einstein, e John Wheeler nei loro lavori presumevano solo l'esistenza teorica di questi misteriosi oggetti celesti nello spazio esterno, tuttavia, la vera scoperta dei buchi neri avvenne nel 1971, fu poi che furono notati per la prima volta nello spazio telescopio.

Ecco come appare un buco nero.

Come si formano i buchi neri nello spazio?

Come sappiamo dall'astrofisica, tutte le stelle (incluso il nostro Sole) hanno una quantità limitata di carburante. E sebbene la vita di una stella possa durare miliardi di anni, prima o poi questa fornitura condizionale di carburante finisce e la stella "si spegne". Il processo di "estinzione" di una stella è accompagnato da intense reazioni, durante le quali la stella subisce una notevole trasformazione e, a seconda delle sue dimensioni, può trasformarsi in una nana bianca, una stella di neutroni o un buco nero. Inoltre, le stelle più grandi, che hanno dimensioni incredibilmente impressionanti, di solito si trasformano in un buco nero - a causa della compressione di queste dimensioni incredibili, si verifica un aumento multiplo della massa e della forza gravitazionale del buco nero appena formato, che si trasforma in un tipo di aspirapolvere galattico - assorbe tutto e tutto ciò che lo circonda.

Un buco nero ingoia una stella.

Una piccola nota: il nostro Sole, per gli standard galattici, non è affatto una grande stella e, dopo lo sbiadimento, che avverrà tra qualche miliardo di anni, molto probabilmente non si trasformerà in un buco nero.

Ma siamo onesti con te: oggi gli scienziati non conoscono ancora tutte le complessità della formazione di un buco nero, senza dubbio, questo è un processo astrofisico estremamente complesso, che di per sé può durare milioni di anni. Sebbene sia possibile avanzare in questa direzione, la rilevazione e il successivo studio dei cosiddetti buchi neri intermedi, cioè delle stelle che si trovano in stato di estinzione, in cui è in atto il processo attivo di formazione di un buco nero, Potevo. A proposito, una stella simile è stata scoperta dagli astronomi nel 2014 nel braccio di una galassia a spirale.

Quanti buchi neri esistono nell'universo

Secondo le teorie degli scienziati moderni, potrebbero esserci fino a centinaia di milioni di buchi neri nella nostra galassia, la Via Lattea. Non ce ne possono essere di meno nella galassia accanto a noi, a cui non c'è nulla da volare dalla nostra Via Lattea - 2,5 milioni di anni luce.

Teoria dei buchi neri

Nonostante l'enorme massa (che è centinaia di migliaia di volte maggiore della massa del nostro Sole) e l'incredibile forza di gravità, non è stato facile vedere i buchi neri attraverso un telescopio, perché non emettono luce. Gli scienziati sono riusciti a notare un buco nero solo al momento del suo "pasto": l'assorbimento di un'altra stella, in questo momento appare una radiazione caratteristica, che può già essere osservata. Così, la teoria del buco nero ha trovato effettiva conferma.

Proprietà dei buchi neri

La proprietà principale di un buco nero sono i suoi incredibili campi gravitazionali, che non consentono allo spazio e al tempo circostante di rimanere nel loro stato abituale. Sì, hai sentito bene, il tempo all'interno di un buco nero scorre molte volte più lento del solito, e se tu fossi lì, poi tornando indietro (se fossi così fortunato, ovviamente) saresti sorpreso di notare che sono passati secoli sulla Terra, e non invecchierai nemmeno a tempo. Anche se siamo sinceri, se fossi stato all'interno di un buco nero, difficilmente saresti sopravvissuto, poiché la forza gravitazionale è tale che qualsiasi oggetto materiale sarebbe semplicemente fatto a pezzi, nemmeno in parti, in atomi.

Ma se fossi anche vicino a un buco nero, entro i limiti del suo campo gravitazionale, avresti anche difficoltà, perché più resisti alla sua gravità, cercando di volare via, più velocemente cadresti in esso. La ragione di questo apparentemente paradosso è il campo del vortice gravitazionale, che tutti i buchi neri possiedono.

E se una persona cadesse in un buco nero

Evaporazione dei buchi neri

L'astronomo inglese S. Hawking ha scoperto un fatto interessante: anche i buchi neri, a quanto pare, emettono. È vero, questo vale solo per fori di massa relativamente piccola. La potente gravità attorno a loro crea coppie di particelle e antiparticelle, una delle coppie viene tirata verso l'interno dal foro e la seconda viene espulsa verso l'esterno. Pertanto, un buco nero irradia antiparticelle dure e raggi gamma. Questa evaporazione o radiazione da un buco nero prende il nome dallo scienziato che l'ha scoperta: "Radiazione Hawking".

Il più grande buco nero

Secondo la teoria dei buchi neri, al centro di quasi tutte le galassie ci sono enormi buchi neri con masse da diversi milioni a diversi miliardi di masse solari. E relativamente di recente, gli scienziati hanno scoperto i due più grandi buchi neri conosciuti fino ad oggi, si trovano in due galassie vicine: NGC 3842 e NGC 4849.

NGC 3842 è la galassia più luminosa della costellazione del Leone, situata a una distanza di 320 milioni di anni luce da noi. Al centro c'è un enorme buco nero con una massa di 9,7 miliardi di masse solari.

NGC 4849 è una galassia nell'ammasso di Coma, a 335 milioni di anni luce di distanza, che vanta un buco nero altrettanto impressionante.

Le zone d'azione del campo gravitazionale di questi giganteschi buchi neri, o in termini accademici, il loro orizzonte degli eventi, è circa 5 volte la distanza dal Sole a! Un tale buco nero mangerebbe il nostro sistema solare e non soffocherebbe nemmeno.

Il più piccolo buco nero

Ma ci sono rappresentanti molto piccoli nella vasta famiglia dei buchi neri. Quindi il buco nero più nano scoperto dagli scienziati al momento nella sua massa è solo 3 volte la massa del nostro Sole. In realtà questo è il minimo teorico necessario per la formazione di un buco nero, se quella stella fosse stata un po' più piccola il buco non si sarebbe formato.

I buchi neri sono cannibali

Sì, esiste un tale fenomeno, come abbiamo scritto sopra, i buchi neri sono una specie di "aspirapolvere galattici" che assorbono tutto ciò che li circonda, compresi ... altri buchi neri. Recentemente, gli astronomi hanno scoperto che un buco nero di una galassia viene mangiato da un altro grande ghiottone nero di un'altra galassia.

• Secondo le ipotesi di alcuni scienziati, i buchi neri non sono solo aspirapolvere galattici che risucchiano tutto in se stessi, ma in determinate circostanze essi stessi possono generare nuovi universi.
• I buchi neri possono evaporare nel tempo. Abbiamo scritto sopra che è stato scoperto dallo scienziato inglese Stephen Hawking che i buchi neri hanno la proprietà di radiazione e dopo un periodo di tempo molto lungo, quando non c'è nulla da assorbire intorno, il buco nero inizierà ad evaporare di più, fino a quando cede tutta la sua massa nello spazio circostante. Anche se questa è solo un'ipotesi, un'ipotesi.
• I buchi neri rallentano il tempo e piegano lo spazio. Abbiamo già scritto sulla dilatazione del tempo, ma lo spazio nelle condizioni di un buco nero sarà completamente curvo.
• I buchi neri limitano il numero di stelle nell'universo. Vale a dire, i loro campi gravitazionali impediscono il raffreddamento delle nubi di gas nello spazio, da cui, come sapete, nascono nuove stelle.

Buchi neri su Discovery Channel, video

E per concludere, vi proponiamo un interessante documentario scientifico sui buchi neri dal canale Discovery.

Quando ho scritto l'articolo, ho cercato di renderlo il più interessante, utile e di alta qualità possibile. Sarei grato per qualsiasi feedback e critica costruttiva sotto forma di commenti sull'articolo. Puoi anche scrivere il tuo desiderio / domanda / suggerimento alla mia posta [email protetta] o su Facebook, con rispetto, l'autore.

« La fantascienza può essere utile: stimola l'immaginazione e allevia la paura del futuro. Tuttavia, i fatti scientifici possono essere molto più sorprendenti. La fantascienza non immaginava nemmeno cose come i buchi neri.»
Stephen Hawking

Nelle profondità dell'universo per l'uomo si trovano innumerevoli misteri e misteri. Uno di questi sono i buchi neri, oggetti che nemmeno le più grandi menti dell'umanità possono capire. Centinaia di astrofisici stanno cercando di scoprire la natura dei buchi neri, ma in questa fase non abbiamo nemmeno provato la loro esistenza nella pratica.

I registi dedicano loro i loro film e, tra la gente comune, i buchi neri sono diventati un fenomeno di culto tale da essere identificati con la fine del mondo e la morte imminente. Sono temuti e odiati, ma allo stesso tempo sono idolatrati e si inchinano davanti all'ignoto, di cui sono carichi questi strani frammenti dell'Universo. D'accordo, essere inghiottito da un buco nero è quel tipo di romanticismo. Con il loro aiuto è possibile, e possono diventare anche per noi delle guide.

La stampa gialla specula spesso sulla popolarità dei buchi neri. Trovare titoli sui giornali relativi alla fine del mondo sul pianeta a causa di un'altra collisione con un buco nero supermassiccio non è un problema. Molto peggio è che la parte analfabeta della popolazione prende tutto sul serio e suscita un vero panico. Per fare un po' di chiarezza, faremo un viaggio alle origini della scoperta dei buchi neri e cercheremo di capire di cosa si tratta e come relazionarci.

stelle invisibili

Accadde così che i fisici moderni descrissero la struttura del nostro Universo con l'aiuto della teoria della relatività, che Einstein fornì con cura all'umanità all'inizio del XX secolo. Tanto più misteriosi sono i buchi neri, all'orizzonte degli eventi di cui tutte le leggi della fisica a noi note, inclusa la teoria di Einstein, cessano di funzionare. Non è meraviglioso? Inoltre, la congettura sull'esistenza dei buchi neri è stata espressa molto prima della nascita dello stesso Einstein.

Nel 1783 ci fu un aumento significativo dell'attività scientifica in Inghilterra. A quei tempi la scienza andava di pari passo con la religione, andavano d'accordo e gli scienziati non erano più considerati eretici. Inoltre, i sacerdoti erano impegnati nella ricerca scientifica. Uno di questi servitori di Dio era il pastore inglese John Michell, che si poneva non solo domande sulla vita, ma anche compiti del tutto scientifici. Michell era uno scienziato molto titolato: inizialmente fu insegnante di matematica e linguistica antica in uno dei college, poi fu ammesso alla Royal Society di Londra per una serie di scoperte.

John Michell si occupava di sismologia, ma nel tempo libero gli piaceva pensare all'eterno e al cosmo. È così che ha avuto l'idea che da qualche parte nelle profondità dell'Universo possono esistere corpi supermassicci con una gravità così potente che per vincere la forza gravitazionale di un tale corpo, è necessario muoversi a una velocità uguale o superiore alla velocità della luce. Se accettiamo tale teoria come vera, anche la luce non sarà in grado di sviluppare la seconda velocità cosmica (la velocità necessaria per superare l'attrazione gravitazionale del corpo uscente), quindi un tale corpo rimarrà invisibile ad occhio nudo.

Michell ha chiamato la sua nuova teoria "stelle oscure" e allo stesso tempo ha cercato di calcolare la massa di tali oggetti. Ha espresso i suoi pensieri su questo argomento in una lettera aperta alla Royal Society di Londra. Sfortunatamente, a quei tempi, tali ricerche non avevano un particolare valore per la scienza, quindi la lettera di Michell fu inviata all'archivio. Solo duecento anni dopo, nella seconda metà del XX secolo, fu ritrovato tra migliaia di altri documenti accuratamente conservati nell'antica biblioteca.

Le prime prove scientifiche dell'esistenza dei buchi neri

Dopo la pubblicazione della Teoria della Relatività Generale di Einstein, matematici e fisici si sono impegnati seriamente a risolvere le equazioni presentate dallo scienziato tedesco, che avrebbero dovuto dirci molto sulla struttura dell'Universo. L'astronomo tedesco, fisico Karl Schwarzschild, decise di fare lo stesso nel 1916.

Lo scienziato, usando i suoi calcoli, è giunto alla conclusione che l'esistenza dei buchi neri è possibile. Fu anche il primo a descrivere quella che in seguito fu chiamata la frase romantica "orizzonte degli eventi" - un confine immaginario dello spazio-tempo in un buco nero, dopo averlo attraversato arriva un punto di non ritorno. Nulla sfugge all'orizzonte degli eventi, nemmeno la luce. È oltre l'orizzonte degli eventi che si verifica la cosiddetta “singolarità”, dove le leggi della fisica a noi note cessano di operare.

Continuando a sviluppare la sua teoria e a risolvere le equazioni, Schwarzschild scoprì nuovi segreti dei buchi neri per sé e per il mondo. Così, è stato in grado di calcolare esclusivamente su carta la distanza dal centro di un buco nero, dove è concentrata la sua massa, all'orizzonte degli eventi. Schwarzschild chiamò questa distanza raggio gravitazionale.

Nonostante il fatto che matematicamente le soluzioni di Schwarzschild fossero eccezionalmente corrette e non potessero essere confutate, la comunità scientifica dell'inizio del XX secolo non poteva accettare immediatamente una scoperta così scioccante e l'esistenza dei buchi neri veniva cancellata come una fantasia, che di tanto in tanto si è manifestata nella teoria della relatività. Per il decennio e mezzo successivo, lo studio dello spazio per la presenza di buchi neri fu lento e solo pochi aderenti alla teoria del fisico tedesco vi si occuparono.

Stelle che danno vita all'oscurità

Dopo che le equazioni di Einstein furono smontate, fu tempo di utilizzare le conclusioni tratte per comprendere la struttura dell'Universo. In particolare, nella teoria dell'evoluzione delle stelle. Non è un segreto che niente nel nostro mondo duri per sempre. Anche le stelle hanno il loro ciclo di vita, anche se più lungo di una persona.

Uno dei primi scienziati che si interessò seriamente all'evoluzione stellare fu il giovane astrofisico Subramanyan Chandrasekhar, originario dell'India. Nel 1930 pubblicò un'opera scientifica che descriveva la presunta struttura interna delle stelle, nonché i loro cicli di vita.

Già all'inizio del 20 ° secolo, gli scienziati hanno ipotizzato un fenomeno come la contrazione gravitazionale (collasso gravitazionale). Ad un certo punto della sua vita, una stella inizia a contrarsi a una velocità tremenda sotto l'influenza delle forze gravitazionali. Di norma, ciò accade al momento della morte di una stella, tuttavia, con un collasso gravitazionale, ci sono diversi modi per l'ulteriore esistenza di una palla rovente.

Il supervisore di Chandrasekhar, Ralph Fowler, un rispettato fisico teorico ai suoi tempi, suggerì che durante un collasso gravitazionale, qualsiasi stella si trasforma in una stella più piccola e più calda: una nana bianca. Ma si è scoperto che lo studente "ha infranto" la teoria dell'insegnante, condivisa dalla maggior parte dei fisici all'inizio del secolo scorso. Secondo il lavoro di un giovane indù, la morte di una stella dipende dalla sua massa iniziale. Ad esempio, solo quelle stelle la cui massa non supera 1,44 volte la massa del Sole possono diventare nane bianche. Questo numero è stato chiamato limite di Chandrasekhar. Se la massa della stella ha superato questo limite, muore in un modo completamente diverso. In determinate condizioni, una tale stella al momento della morte può rinascere in una nuova stella di neutroni, un altro mistero dell'Universo moderno. La teoria della relatività, d'altra parte, ci dice un'altra opzione: la compressione di una stella a valori ultra piccoli, e qui inizia la più interessante.

Nel 1932 apparve su una delle riviste scientifiche un articolo in cui il geniale fisico dell'URSS Lev Landau suggeriva che durante il collasso una stella supermassiccia fosse compressa in un punto di raggio infinitesimale e massa infinita. Nonostante un evento del genere sia molto difficile da immaginare dal punto di vista di una persona impreparata, Landau non era lontano dalla verità. Il fisico ha anche suggerito che, secondo la teoria della relatività, la gravità in un punto del genere sarebbe così grande da iniziare a distorcere lo spazio-tempo.

Gli astrofisici hanno apprezzato la teoria di Landau e hanno continuato a svilupparla. Nel 1939, in America, grazie agli sforzi di due fisici - Robert Oppenheimer e Hartland Sneijder - apparve una teoria che descrive in dettaglio una stella supermassiccia al momento del collasso. Come risultato di un tale evento, sarebbe dovuto apparire un vero buco nero. Nonostante la persuasione degli argomenti, gli scienziati hanno continuato a negare la possibilità dell'esistenza di tali corpi, nonché la trasformazione delle stelle in essi. Anche Einstein ha preso le distanze da questa idea, ritenendo che la stella non sia capace di tali trasformazioni fenomenali. Altri fisici non erano avari nelle loro affermazioni, definendo ridicola la possibilità di tali eventi.
Tuttavia, la scienza arriva sempre alla verità, devi solo aspettare un po'. E così è successo.

Gli oggetti più luminosi dell'universo

Il nostro mondo è un insieme di paradossi. A volte vi coesistono cose, la cui convivenza sfida ogni logica. Ad esempio, il termine "buco nero" non sarebbe associato in una persona normale all'espressione "incredibilmente luminoso", ma la scoperta dei primi anni '60 del secolo scorso ha permesso agli scienziati di ritenere errata questa affermazione.

Con l'aiuto dei telescopi, gli astrofisici sono riusciti a rilevare oggetti finora sconosciuti nel cielo stellato, che si sono comportati in modo abbastanza strano nonostante sembrassero stelle normali. Studiando questi strani luminari, lo scienziato americano Martin Schmidt ha attirato l'attenzione sulla loro spettrografia, i cui dati hanno mostrato risultati diversi dalla scansione di altre stelle. In poche parole, queste stelle non erano come le altre a cui siamo abituati.

Improvvisamente Schmidt si avvicinò e attirò l'attenzione sullo spostamento dello spettro nella gamma rossa. Si è scoperto che questi oggetti sono molto più lontani da noi delle stelle che siamo abituati a vedere nel cielo. Ad esempio, l'oggetto osservato da Schmidt si trovava a due miliardi e mezzo di anni luce dal nostro pianeta, ma brillava come una stella distante un centinaio di anni luce. Si scopre che la luce di uno di questi oggetti è paragonabile alla luminosità di un'intera galassia. Questa scoperta è stata una vera svolta in astrofisica. Lo scienziato ha chiamato questi oggetti "quasi-stellari" o semplicemente "quasar".

Martin Schmidt ha continuato a studiare nuovi oggetti e ha scoperto che un bagliore così luminoso può essere causato da un solo motivo: l'accrescimento. L'accrescimento è il processo di assorbimento della materia circostante da parte di un corpo supermassiccio con l'aiuto della gravità. Lo scienziato è giunto alla conclusione che al centro dei quasar c'è un enorme buco nero, che con incredibile forza attira in sé la materia che lo circonda nello spazio. Nel processo di assorbimento della materia da parte del buco, le particelle vengono accelerate a velocità enormi e iniziano a brillare. La peculiare cupola luminosa attorno a un buco nero è chiamata disco di accrescimento. La sua visualizzazione è stata ben dimostrata nel film "Interstellar" di Christopher Nolan, che ha sollevato molte domande "come può brillare un buco nero?".

Ad oggi, gli scienziati hanno trovato migliaia di quasar nel cielo stellato. Questi oggetti strani e incredibilmente luminosi sono chiamati i fari dell'universo. Ci permettono di immaginare un po' meglio la struttura del cosmo e di avvicinarci al momento in cui tutto ha avuto inizio.

Nonostante il fatto che gli astrofisici ottengano da molti anni prove indirette dell'esistenza di oggetti invisibili supermassicci nell'Universo, il termine "buco nero" non esisteva fino al 1967. Per evitare nomi complicati, il fisico americano John Archibald Wheeler ha proposto di chiamare tali oggetti "buchi neri". Perchè no? In una certa misura sono neri, perché non possiamo vederli. Inoltre, attirano tutto, puoi caderci dentro, proprio come in un vero buco. E uscire da un posto simile secondo le moderne leggi della fisica è semplicemente impossibile. Tuttavia, Stephen Hawking afferma che quando viaggi attraverso un buco nero, puoi entrare in un altro Universo, in un altro mondo, e questa è speranza.

Paura dell'infinito

A causa dell'eccessivo mistero e romanticizzazione dei buchi neri, questi oggetti sono diventati una vera storia dell'orrore tra le persone. La stampa gialla ama speculare sull'analfabetismo della popolazione, raccontando storie incredibili su come un enorme buco nero si stia muovendo verso la nostra Terra, che inghiottirà il sistema solare nel giro di poche ore, o semplicemente emetterà ondate di gas tossico verso la nostra pianeta.

Particolarmente popolare è il tema della distruzione del pianeta con l'aiuto del Large Hadron Collider, costruito in Europa nel 2006 sul territorio del Consiglio europeo per la ricerca nucleare (CERN). L'ondata di panico è iniziata come uno stupido scherzo di qualcuno, ma è cresciuta come una palla di neve. Qualcuno ha lanciato una voce secondo cui un buco nero potrebbe formarsi nell'acceleratore di particelle del collisore, che inghiottirebbe completamente il nostro pianeta. Naturalmente, le persone indignate hanno iniziato a chiedere il divieto di esperimenti all'LHC, temendo un tale risultato. Iniziarono a presentarsi cause legali alla Corte europea chiedendo di chiudere il collisore e gli scienziati che lo crearono fossero puniti nella misura massima consentita dalla legge.

In effetti, i fisici non negano che quando le particelle entrano in collisione nel Large Hadron Collider, possono apparire oggetti simili nelle proprietà ai buchi neri, ma la loro dimensione è al livello delle dimensioni delle particelle elementari e tali "buchi" esistono per così poco tempo che non possiamo nemmeno registrare il loro verificarsi.

Uno dei maggiori esperti che stanno cercando di dissipare l'ondata di ignoranza di fronte alla gente è Stephen Hawking - il famoso fisico teorico, che, peraltro, è considerato un vero e proprio "guru" per quanto riguarda i buchi neri. Hawking ha dimostrato che i buchi neri non sempre assorbono la luce che appare nei dischi di accrescimento e che parte di essa è dispersa nello spazio. Questo fenomeno è stato chiamato radiazione di Hawking o evaporazione del buco nero. Hawking ha anche stabilito una relazione tra la dimensione di un buco nero e la velocità della sua "evaporazione": più è piccolo, meno esiste nel tempo. E questo significa che tutti gli avversari del Large Hadron Collider non dovrebbero preoccuparsi: i buchi neri al suo interno non potranno esistere nemmeno per un milionesimo di secondo.

Teoria non dimostrata nella pratica

Sfortunatamente, le tecnologie dell'umanità in questa fase di sviluppo non ci consentono di testare la maggior parte delle teorie sviluppate da astrofisici e altri scienziati. Da un lato, l'esistenza dei buchi neri è provata su carta in modo abbastanza convincente e dedotta utilizzando formule in cui tutto convergeva con ogni variabile. D'altronde, in pratica, non siamo ancora riusciti a vedere con i nostri occhi un vero buco nero.

Nonostante tutti i disaccordi, i fisici suggeriscono che al centro di ciascuna delle galassie ci sia un buco nero supermassiccio, che raccoglie le stelle in ammassi con la sua gravità e ti fa viaggiare per l'Universo in una compagnia numerosa e amichevole. Nella nostra Via Lattea, secondo varie stime, ci sono da 200 a 400 miliardi di stelle. Tutte queste stelle ruotano attorno a qualcosa che ha una massa enorme, attorno a qualcosa che non possiamo vedere con un telescopio. Molto probabilmente è un buco nero. Dovrebbe avere paura? - No, almeno non nei prossimi miliardi di anni, ma possiamo fare un altro film interessante su di lei.

Un buco nero è una regione dello spazio-tempo, la cui attrazione gravitazionale è così grande che anche gli oggetti che si muovono alla velocità della luce, compresi i quanti di luce stessa, non possono lasciarlo. Il confine di questa regione è chiamato orizzonte degli eventi e la sua dimensione caratteristica è chiamata raggio gravitazionale.

L'idea di un "buco nero" nacque per la prima volta nel 1916, quando il fisico Schwarzschild stava risolvendo le equazioni di Einstein. La matematica ha portato a una strana conclusione sull'esistenza di oggetti compatti, attorno ai quali sorge un orizzonte degli eventi con proprietà interessanti. Ma il termine stesso "buco nero" non esisteva ancora. L'orizzonte degli eventi è una regione di spazio che circonda un buco nero, una volta in cui la materia non potrà mai lasciare questa regione e cadere nel buco nero. La luce può ancora vincere l'enorme forza di gravità, inviare gli ultimi flussi dalla materia che scompare, ma solo per un breve periodo di tempo, fino a quando la materia in caduta entra nella cosiddetta zona di singolarità, oltre la quale Karl Schwarzschild, astronomo tedesco, dei fondatori dell'astrofisica teorica, non lo è più

Negli anni '30 Chadwick scoprì il neutrone. Presto fu avanzata un'ipotesi sull'esistenza di stelle di neutrini, che a grandi masse si rivelano instabili e si riducono a uno stato di collasso. Il termine "buco nero" non esisteva ancora. E solo alla fine degli anni '60, l'americano John Wheeler definì "buco nero". Questo è un punto nello spazio in cui materia ed energia scompaiono sotto l'influenza delle forze gravitazionali. In questo luogo, le forze gravitazionali sono così forti che tutto ciò che si trova nelle vicinanze viene letteralmente risucchiato. Nemmeno i raggi di luce possono fuoriuscire da lì, quindi il buco nero è completamente invisibile. John Wheeler, fisico americano

Un "buco nero" può essere rilevato dalla specifica radiazione di raggi X che viene prodotta quando risucchia la materia in se stessa. Negli anni '70, il satellite americano "Uhuru" (in uno dei dialetti africani - "Libertà") registrò una specifica emissione di raggi X. Da allora, il "buco nero" è esistito non solo nei calcoli. È per questi studi che Riccardo Giacconi ha ricevuto nel 2002 il Premio Nobel. Riccardo Giacconi, fisico italoamericano, vincitore del Premio Nobel per la Fisica nel 2002 "per l'invenzione dell'astronomia a raggi X e l'invenzione del telescopio a raggi X"

Al momento, gli scienziati hanno scoperto circa un migliaio di oggetti nell'universo, che sono classificati come buchi neri. In totale, suggeriscono gli scienziati, ci sono decine di milioni di tali oggetti. Attualmente, l'unico modo affidabile per distinguere un buco nero da un altro tipo di oggetto è misurare la massa e le dimensioni dell'oggetto e confrontare il suo raggio con il raggio gravitazionale, che è dato dalla formula = , dove G è la costante gravitazionale , M è la massa dell'oggetto, c è i buchi neri supermassicci la velocità della luce. I buchi neri molto grandi espansi formano il nucleo della maggior parte delle galassie. Questi includono il massiccio buco nero al centro della nostra galassia, Sagittarius A*, che è il buco nero supermassiccio più vicino al Sole. Attualmente, l'esistenza di buchi neri su scala stellare e galattica è considerata dalla maggior parte degli scienziati come provata in modo affidabile da osservazioni astronomiche. Gli astronomi americani hanno scoperto che le masse dei buchi neri supermassicci possono essere significativamente sottovalutate. I ricercatori hanno scoperto che affinché le stelle si muovano nella galassia M87 (che si trova a una distanza di 50 milioni di anni luce dalla Terra) come si osserva ora, la massa del buco nero centrale deve essere tanto quanto la Radio Galaxy Pic µ A, è visibile un getto di raggi X (blu ) lungo 300mila anni luce, proveniente da

Rilevamento di buchi neri supermassicci La prova dell'esistenza di buchi neri supermassicci nelle regioni centrali delle galassie è considerata la più affidabile. Oggi, la risoluzione dei telescopi è insufficiente per distinguere le regioni dello spazio nell'ordine del raggio gravitazionale di un buco nero. Esistono molti modi per determinare la massa e le dimensioni approssimative di un corpo supermassiccio, ma la maggior parte di essi si basa sulla misurazione delle caratteristiche delle orbite di oggetti che ruotano attorno ad esso (stelle, sorgenti radio, dischi gassosi). Nel caso più semplice e abbastanza comune, l'inversione avviene lungo orbite kepleriane, come dimostra la proporzionalità della velocità di rotazione del satellite alla radice quadrata del semiasse maggiore dell'orbita: . In questo caso, la massa del corpo centrale si trova con la formula ben nota.

Il concetto di buco nero è noto a tutti: dagli scolari agli anziani, è utilizzato nella letteratura di fantascienza e fantascienza, nei media gialli e nelle conferenze scientifiche. Ma non tutti sanno cosa siano esattamente questi buchi.

Dalla storia dei buchi neri

1783 La prima ipotesi per l'esistenza di un tale fenomeno come un buco nero fu avanzata nel 1783 dallo scienziato inglese John Michell. Nella sua teoria, ha combinato due creazioni di Newton: l'ottica e la meccanica. L'idea di Michell era questa: se la luce è un flusso di minuscole particelle, allora, come tutti gli altri corpi, le particelle dovrebbero sperimentare l'attrazione di un campo gravitazionale. Si scopre che più massiccia è la stella, più è difficile per la luce resistere alla sua attrazione. 13 anni dopo Michell, l'astronomo e matematico francese Laplace avanzò (molto probabilmente indipendentemente dalla sua controparte britannica) una teoria simile.

1915 Tuttavia, tutte le loro opere sono rimaste non reclamate fino all'inizio del XX secolo. Nel 1915 Albert Einstein pubblicò la Teoria della Relatività Generale e dimostrò che la gravità è una curvatura dello spazio-tempo causata dalla materia e, pochi mesi dopo, l'astronomo e fisico teorico tedesco Karl Schwarzschild la utilizzò per risolvere uno specifico problema astronomico. Ha esplorato la struttura dello spazio-tempo curvo attorno al Sole e ha riscoperto il fenomeno dei buchi neri.

(John Wheeler ha coniato il termine "buchi neri")

1967 Il fisico americano John Wheeler ha delineato uno spazio che può essere accartocciato, come un pezzo di carta, in un punto infinitesimo e ha designato il termine "Black Hole".

1974 Il fisico britannico Stephen Hawking ha dimostrato che i buchi neri, sebbene ingeriscano materia senza ritorno, possono emettere radiazioni e alla fine evaporare. Questo fenomeno è chiamato "radiazione di Hawking".

2013 Le ultime ricerche su pulsar e quasar, così come la scoperta della radiazione cosmica di fondo a microonde, hanno finalmente permesso di descrivere il concetto stesso di buchi neri. Nel 2013, la nuvola di gas G2 si è avvicinata molto al buco nero ed è probabile che venga assorbita da esso, l'osservazione del processo unico offre grandi opportunità per nuove scoperte sulle caratteristiche del buco nero.

(Oggetto massiccio Sagittario A*, la sua massa è 4 milioni di volte maggiore del Sole, il che implica un ammasso di stelle e la formazione di un buco nero)

2017. Un gruppo di scienziati della collaborazione di diversi paesi Event Horizon Telescope, collegando otto telescopi da diversi punti dei continenti della Terra, ha effettuato osservazioni di un buco nero, che è un oggetto supermassiccio e si trova nella galassia M87, la costellazione della Vergine. La massa dell'oggetto è di 6,5 miliardi (!) di masse solari, gigantesche volte più grande dell'oggetto massiccio Sagittario A *, per confronto, il diametro è leggermente inferiore alla distanza dal Sole a Plutone.

Le osservazioni sono state effettuate in più fasi, a partire dalla primavera del 2017 e durante i periodi del 2018. La quantità di informazioni è stata calcolata in petabyte, che poi hanno dovuto essere decifrati e ottenuta un'immagine genuina di un oggetto ultradistante. Pertanto, ci sono voluti altri due anni interi per eseguire la prescansione di tutti i dati e combinarli in un unico insieme.

2019 I dati sono stati decodificati e resi visibili con successo, producendo la prima immagine in assoluto di un buco nero.

(La prima immagine in assoluto di un buco nero nella galassia M87 nella costellazione della Vergine)

La risoluzione dell'immagine consente di vedere l'ombra del punto di non ritorno al centro dell'oggetto. L'immagine è stata ottenuta a seguito di osservazioni interferometriche con una linea di base extra lunga. Si tratta delle cosiddette osservazioni sincrone di un oggetto da diversi radiotelescopi, interconnessi da una rete e situati in diverse parti del globo, diretti in una direzione.

Cosa sono davvero i buchi neri?

Una spiegazione laconica del fenomeno suona così.

Un buco nero è una regione spazio-temporale la cui attrazione gravitazionale è così forte che nessun oggetto, compresi i quanti di luce, può lasciarlo.

Un buco nero una volta era una stella enorme. Finché le reazioni termonucleari mantengono alta la pressione nelle sue viscere, tutto rimane normale. Ma nel tempo, la scorta di energia si esaurisce e il corpo celeste, sotto l'influenza della propria gravità, inizia a rimpicciolirsi. La fase finale di questo processo è il collasso del nucleo stellare e la formazione di un buco nero.

• 1. Espulsione di un getto di buco nero ad alta velocità


• 2. Un disco di materia si trasforma in un buco nero


• 3. Buco nero


• 4. Schema dettagliato della regione del buco nero


• 5. Dimensione delle nuove osservazioni trovate

La teoria più comune dice che ci sono fenomeni simili in ogni galassia, incluso al centro della nostra Via Lattea. L'enorme gravità del buco è in grado di trattenere diverse galassie attorno ad esso, impedendo loro di allontanarsi l'una dall'altra. L'"area di copertura" può essere diversa, tutto dipende dalla massa della stella che si è trasformata in un buco nero e può essere di migliaia di anni luce.

Raggio di Schwarzschild

La proprietà principale di un buco nero è che la materia che vi entra non può mai tornare. Lo stesso vale per la luce. Al loro interno, i buchi sono corpi che assorbono completamente tutta la luce che cade su di essi e non emettono la propria. Tali oggetti possono apparire visivamente come grumi di oscurità assoluta.

• 1. Materia in movimento alla metà della velocità della luce


• 2. Anello fotonico


• 3. Anello fotonico interno


• 4. L'orizzonte degli eventi in un buco nero

Sulla base della teoria della relatività generale di Einstein, se un corpo si avvicina a una distanza critica dal centro del buco, non può più tornare. Questa distanza è chiamata raggio di Schwarzschild. Cosa accada esattamente all'interno di questo raggio non è noto con certezza, ma esiste la teoria più comune. Si ritiene che tutta la materia di un buco nero sia concentrata in un punto infinitamente piccolo e al suo centro vi sia un oggetto con una densità infinita, che gli scienziati chiamano una perturbazione singolare.

Come cade in un buco nero

(Nella foto, il buco nero del Sagittario A* sembra un ammasso di luce estremamente luminoso)

Non molto tempo fa, nel 2011, gli scienziati hanno scoperto una nuvola di gas, dandole il semplice nome G2, che emette una luce insolita. Un tale bagliore può dare attrito a gas e polvere, causato dall'azione del buco nero Sagittario A* e che ruotano attorno ad esso sotto forma di un disco di accrescimento. Così, diventiamo osservatori del sorprendente fenomeno dell'assorbimento di una nuvola di gas da parte di un buco nero supermassiccio.

Secondo studi recenti, l'approccio più vicino a un buco nero avverrà nel marzo 2014. Possiamo ricreare un'immagine di come si svolgerà questo emozionante spettacolo.

• 1. Quando appare per la prima volta nei dati, una nuvola di gas assomiglia a un'enorme palla di gas e polvere.


• 2. Ora, a giugno 2013, la nuvola è a decine di miliardi di chilometri dal buco nero. Ci cade ad una velocità di 2500 km / s.


• 3. Ci si aspetta che la nuvola superi il buco nero, ma le forze di marea causate dalla differenza di attrazione che agisce sui bordi anteriore e posteriore della nuvola la faranno allungare sempre di più.


• 4. Dopo che la nuvola si è rotta, molto probabilmente si unirà al disco di accrescimento attorno al Sagittario A*, generando onde d'urto al suo interno. La temperatura salirà a diversi milioni di gradi.


• 5. Parte della nuvola cadrà direttamente nel buco nero. Nessuno sa esattamente cosa accadrà a questa sostanza, ma si prevede che nel processo di caduta emetta potenti flussi di raggi X e nessun altro lo vedrà.

Video: un buco nero ingoia una nuvola di gas

(Simulazione al computer di quanto della nube di gas G2 verrà distrutta e consumata dal buco nero Sagittario A*)

Cosa c'è dentro un buco nero

C'è una teoria secondo cui un buco nero all'interno è praticamente vuoto e tutta la sua massa è concentrata in un punto incredibilmente piccolo situato proprio al centro: una singolarità.

Secondo un'altra teoria che esiste da mezzo secolo, tutto ciò che cade in un buco nero va in un altro universo situato nel buco nero stesso. Ora questa teoria non è quella principale.

E c'è una terza teoria, la più moderna e tenace, secondo la quale tutto ciò che cade in un buco nero si dissolve nelle vibrazioni delle corde sulla sua superficie, che è designata come orizzonte degli eventi.

Allora, qual è l'orizzonte degli eventi? È impossibile guardare all'interno di un buco nero anche con un telescopio superpotente, dal momento che anche la luce, entrando all'interno di un gigantesco imbuto cosmico, non ha alcuna possibilità di riemergere. Tutto ciò che può essere in qualche modo considerato è nelle sue immediate vicinanze.

L'orizzonte degli eventi è una linea condizionata della superficie da cui nulla (né gas, né polvere, né stelle, né luce) può sfuggire. E questo è il punto di non ritorno molto misterioso nei buchi neri dell'Universo.