Datorită creșterii relativ recente a interesului pentru realizarea de filme științifice populare despre explorarea spațiului, spectatorul modern a auzit multe despre fenomene precum singularitatea sau gaura neagră. Cu toate acestea, în mod evident, filmele nu dezvăluie natura deplină a acestor fenomene și uneori chiar distorsionează teoriile științifice construite pentru un efect mai mare. Din acest motiv, ideea multor oameni moderni despre aceste fenomene este fie complet superficială, fie complet eronată. Una dintre soluțiile la problema care a apărut este acest articol, în care vom încerca să înțelegem rezultatele cercetărilor existente și să răspundem la întrebarea - ce este o gaură neagră?

În 1784, preotul și naturalistul englez John Michell a menționat pentru prima dată într-o scrisoare către Royal Society un corp masiv ipotetic care are o atracție gravitațională atât de puternică încât a doua viteză cosmică ar depăși viteza luminii. A doua viteză de evacuare este viteza de care ar avea nevoie un obiect relativ mic pentru a depăși atracția gravitațională a unui corp ceresc și a părăsi orbita închisă în jurul acestui corp. Conform calculelor sale, un corp cu densitatea Soarelui și cu o rază de 500 de raze solare va avea pe suprafața sa o a doua viteză cosmică egală cu viteza luminii. În acest caz, chiar și lumina nu va părăsi suprafața unui astfel de corp și, prin urmare, acest corp va absorbi doar lumina care vine și va rămâne invizibil pentru observator - un fel de pată neagră pe fundalul spațiului întunecat.

Cu toate acestea, conceptul de corp supermasiv propus de Michell nu a atras prea mult interes până la opera lui Einstein. Amintiți-vă că acesta din urmă a definit viteza luminii ca fiind viteza limită a transferului de informații. În plus, Einstein a extins teoria gravitației pentru viteze apropiate de viteza luminii (). Ca urmare, nu mai era relevant să se aplice teoria newtoniană la găurile negre.

ecuația lui Einstein

Ca urmare a aplicării relativității generale la găurile negre și a rezolvării ecuațiilor lui Einstein, au fost dezvăluiți principalii parametri ai unei găuri negre, dintre care există doar trei: masa, sarcina electrică și momentul unghiular. Trebuie remarcată contribuția semnificativă a astrofizicianului indian Subramanyan Chandrasekhar, care a creat o monografie fundamentală: „The Mathematical Theory of Black Holes”.

Astfel, soluția ecuațiilor Einstein este reprezentată de patru opțiuni pentru patru tipuri posibile de găuri negre:

• Gaură neagră fără rotație și fără încărcare - soluția lui Schwarzschild. Una dintre primele descrieri ale unei găuri negre (1916) folosind ecuațiile lui Einstein, dar fără a lua în considerare doi dintre cei trei parametri ai corpului. Soluția fizicianului german Karl Schwarzschild vă permite să calculați câmpul gravitațional extern al unui corp masiv sferic. O caracteristică a conceptului de găuri negre al omului de știință german este prezența unui orizont de evenimente și a celui din spatele acestuia. De asemenea, Schwarzschild a calculat mai întâi raza gravitațională, care a primit numele său, care determină raza sferei pe care ar fi situat orizontul evenimentelor pentru un corp cu o masă dată.
• O gaură neagră fără rotație cu o sarcină - soluția Reisner-Nordström. O soluție propusă în 1916-1918, ținând cont de posibila sarcină electrică a unei găuri negre. Această sarcină nu poate fi arbitrar de mare și este limitată din cauza repulsiei electrice care rezultă. Acestea din urmă trebuie compensate prin atracție gravitațională.
• O gaură neagră cu rotație și fără sarcină - soluția lui Kerr (1963). O gaură neagră Kerr rotativă diferă de una statică prin prezența așa-numitei ergosfere (citiți mai departe despre aceasta și despre alte componente ale unei găuri negre).
• BH cu rotație și încărcare - soluție Kerr-Newman. Această soluție a fost calculată în 1965 și este în prezent cea mai completă, deoarece ia în considerare toți cei trei parametri BH. Cu toate acestea, încă se presupune că găurile negre din natură au o încărcătură nesemnificativă.

Formarea unei găuri negre

Există mai multe teorii despre modul în care se formează și apare o gaură neagră, dintre care cea mai faimoasă este apariția unei stele cu masă suficientă ca urmare a colapsului gravitațional. O astfel de compresie poate pune capăt evoluției stelelor cu o masă mai mare de trei mase solare. După finalizarea reacțiilor termonucleare în interiorul unor astfel de stele, ele încep să se micșoreze rapid într-o supradensă. Dacă presiunea gazului unei stele neutronice nu poate compensa forțele gravitaționale, adică masa stelei depășește așa-numita. Limita Oppenheimer-Volkov, apoi colapsul continuă, drept urmare materia este comprimată într-o gaură neagră.

Al doilea scenariu care descrie nașterea unei găuri negre este comprimarea gazului protogalactic, adică a gazului interstelar care se află în stadiul de transformare într-o galaxie sau într-un fel de cluster. În cazul presiunii interne insuficiente pentru a compensa aceleași forțe gravitaționale, poate apărea o gaură neagră.

Alte două scenarii rămân ipotetice:

• Ca urmare, apariția unei găuri negre - așa-numita. găuri negre primordiale.
• Apariția ca urmare a reacțiilor nucleare la energii mari. Un exemplu de astfel de reacții sunt experimentele pe colisionare.

Structura și fizica găurilor negre

Structura unei găuri negre conform lui Schwarzschild include doar două elemente care au fost menționate mai devreme: singularitatea și orizontul evenimentelor unei găuri negre. Vorbind pe scurt despre singularitate, se poate observa că este imposibil să se tragă o linie dreaptă prin ea și, de asemenea, că majoritatea teoriilor fizice existente nu funcționează în interiorul acesteia. Astfel, fizica singularității rămâne un mister pentru oamenii de știință de astăzi. gaură neagră - acesta este un fel de graniță, trecere pe care, un obiect fizic își pierde capacitatea de a se întoarce înapoi dincolo de el și de a „cădea” fără echivoc în singularitatea unei găuri negre.

Structura unei găuri negre devine ceva mai complicată în cazul soluției Kerr, și anume, în prezența rotației BH. Soluția lui Kerr implică faptul că gaura are o ergosferă. Ergosferă - o anumită zonă situată în afara orizontului evenimentului, în interiorul căreia toate corpurile se mișcă în direcția de rotație a găurii negre. Această zonă nu este încă captivantă și este posibil să o părăsești, spre deosebire de orizontul evenimentului. Ergosfera este probabil un fel de analog al unui disc de acreție, care reprezintă o substanță care se rotește în jurul corpurilor masive. Dacă o gaură neagră statică Schwarzschild este reprezentată ca o sferă neagră, atunci gaura neagră Kerry, datorită prezenței unei ergosfere, are forma unui elipsoid oblat, în forma căruia am văzut adesea găuri negre în desene, în vechile. filme sau jocuri video.

• Cât cântărește o gaură neagră? - Cel mai mare material teoretic despre aspectul unei găuri negre este disponibil pentru scenariul apariției acesteia ca urmare a prăbușirii unei stele. În acest caz, masa maximă a unei stele neutronice și masa minimă a unei găuri negre sunt determinate de limita Oppenheimer-Volkov, conform căreia limita inferioară a masei BH este de 2,5 - 3 mase solare. Cea mai grea gaură neagră descoperită vreodată (în galaxia NGC 4889) are o masă de 21 de miliarde de mase solare. Totuși, nu trebuie să uităm de găurile negre, rezultate ipotetic din reacții nucleare la energii mari, precum cele de la colisionare. Masa unor astfel de găuri negre cuantice, cu alte cuvinte „găuri negre Planck” este de ordinul , și anume 2 10 −5 g.
• Dimensiunea găurii negre. Raza minimă BH poate fi calculată din masa minimă (2,5 - 3 mase solare). Dacă raza gravitațională a Soarelui, adică zona în care s-ar afla orizontul evenimentelor, este de aproximativ 2,95 km, atunci raza minimă a unui BH de 3 mase solare va fi de aproximativ nouă kilometri. Astfel de dimensiuni relativ mici nu se potrivesc în cap când vine vorba de obiecte masive care atrag totul în jur. Cu toate acestea, pentru găurile negre cuantice, raza este de -10 -35 m.
• Densitatea medie a unei găuri negre depinde de doi parametri: masa și raza. Densitatea unei găuri negre cu o masă de aproximativ trei mase solare este de aproximativ 6 10 26 kg/m³, în timp ce densitatea apei este de 1000 kg/m³. Cu toate acestea, astfel de găuri negre mici nu au fost găsite de oamenii de știință. Majoritatea BH-urilor detectate au mase mai mari de 105 mase solare. Există un model interesant conform căruia, cu cât gaura neagră este mai masivă, cu atât densitatea acesteia este mai mică. În acest caz, o modificare a masei cu 11 ordine de mărime implică o modificare a densității cu 22 de ordine de mărime. Astfel, o gaură neagră cu o masă de 1 ·10 9 mase solare are o densitate de 18,5 kg/m³, care este cu o densitate mai mică decât densitatea aurului. Iar găurile negre cu o masă mai mare de 10 10 mase solare pot avea o densitate medie mai mică decât densitatea aerului. Pe baza acestor calcule, este logic să presupunem că formarea unei găuri negre are loc nu din cauza comprimării materiei, ci ca urmare a acumulării unei cantități mari de materie într-un anumit volum. În cazul găurilor negre cuantice, densitatea acestora poate fi de aproximativ 10 94 kg/m³.
• Temperatura unei găuri negre este, de asemenea, invers proporțională cu masa acesteia. Această temperatură este direct legată de . Spectrul acestei radiații coincide cu spectrul unui corp complet negru, adică un corp care absoarbe toată radiația incidentă. Spectrul de radiații al unui corp negru depinde doar de temperatura acestuia, apoi temperatura unei găuri negre poate fi determinată din spectrul de radiații Hawking. După cum am menționat mai sus, această radiație este cu atât mai puternică, cu atât mai mică este gaura neagră. În același timp, radiația Hawking rămâne ipotetică, deoarece nu a fost încă observată de astronomi. Rezultă de aici că, dacă radiația Hawking există, atunci temperatura BH-urilor observate este atât de scăzută încât nu permite detectarea radiației indicate. Conform calculelor, chiar și temperatura unei găuri cu o masă de ordinul masei Soarelui este neglijabil de mică (1 ·10 -7 K sau -272°C). Temperatura găurilor negre cuantice poate atinge aproximativ 10 12 K, iar prin evaporarea lor rapidă (aproximativ 1,5 min.), astfel de găuri negre pot emite energie de ordinul a zece milioane de bombe atomice. Dar, din fericire, crearea unor astfel de obiecte ipotetice va necesita energie de 10 14 ori mai mare decât cea obținută astăzi la Large Hadron Collider. În plus, astfel de fenomene nu au fost niciodată observate de astronomi.

Din ce este făcut un CHD?

O altă întrebare îi îngrijorează atât pe oamenii de știință, cât și pe cei care sunt pur și simplu pasionați de astrofizică - în ce constă o gaură neagră? Nu există un singur răspuns la această întrebare, deoarece nu este posibil să privim dincolo de orizontul evenimentelor din jurul vreunei găuri negre. În plus, așa cum am menționat mai devreme, modelele teoretice ale unei găuri negre oferă doar 3 dintre componentele sale: ergosfera, orizontul evenimentelor și singularitatea. Este logic să presupunem că în ergosferă există doar acele obiecte care au fost atrase de gaura neagră și care acum se învârt în jurul ei - diferite tipuri de corpuri cosmice și gaz cosmic. Orizontul evenimentelor este doar o graniță subțire implicită, odată dincolo de care, aceleași corpuri cosmice sunt atrase irevocabil către ultima componentă principală a găurii negre - singularitatea. Natura singularității nu a fost studiată astăzi și este prea devreme să vorbim despre compoziția sa.

Conform unor presupuneri, o gaură neagră poate consta din neutroni. Dacă urmărim scenariul apariției unei găuri negre ca urmare a comprimării unei stele la o stea neutronică cu comprimarea ei ulterioară, atunci, probabil, partea principală a găurii negre este formată din neutroni, dintre care steaua neutronică. constă în sine. Cu cuvinte simple: atunci când o stea se prăbușește, atomii ei sunt comprimați în așa fel încât electronii se combină cu protonii, formând astfel neutroni. O astfel de reacție are loc într-adevăr în natură, odată cu formarea unui neutron, are loc emisia de neutrini. Totuși, acestea sunt doar presupuneri.

Ce se întâmplă dacă cazi într-o gaură neagră?

Căderea într-o gaură neagră astrofizică duce la întinderea corpului. Luați în considerare un ipotetic astronaut sinucigaș care se îndreaptă într-o gaură neagră purtând nimic altceva decât un costum spațial, cu picioarele înainte. Trecând orizontul evenimentelor, astronautul nu va observa nicio schimbare, în ciuda faptului că nu mai are ocazia să se întoarcă. La un moment dat, astronautul va ajunge într-un punct (puțin în spatele orizontului evenimentelor) în care va începe să aibă loc deformarea corpului său. Deoarece câmpul gravitațional al unei găuri negre este neuniform și este reprezentat de un gradient de forță care crește spre centru, picioarele astronautului vor fi supuse unui efect gravitațional semnificativ mai mare decât, de exemplu, capul. Apoi, din cauza gravitației, sau mai degrabă, a forțelor mareelor, picioarele vor „cădea” mai repede. Astfel, corpul începe să se întindă treptat în lungime. Pentru a descrie acest fenomen, astrofizicienii au venit cu un termen destul de creativ - spaghetificare. Întinderea ulterioară a corpului îl va descompune probabil în atomi, care, mai devreme sau mai târziu, vor ajunge la o singularitate. Se poate doar ghici ce va simți o persoană în această situație. Este de remarcat faptul că efectul de întindere a corpului este invers proporțional cu masa găurii negre. Adică, dacă un BH cu masa a trei Sori întinde/rupe instantaneu corpul, atunci gaura neagră supermasivă va avea forțe de maree mai mici și, există sugestii că unele materiale fizice ar putea „tolera” o astfel de deformare fără a-și pierde structura.

După cum știți, în apropierea obiectelor masive, timpul curge mai lent, ceea ce înseamnă că timpul pentru un astronaut sinucigaș va curge mult mai lent decât pentru pământeni. În acest caz, poate că va supraviețui nu numai prietenilor săi, ci și Pământului însuși. Vor fi necesare calcule pentru a determina cât de mult timp va încetini pentru un astronaut, cu toate acestea, din cele de mai sus, se poate presupune că astronautul va cădea în gaura neagră foarte încet și poate pur și simplu să nu trăiască pentru a vedea momentul în care corpul său începe. a deforma.

Este de remarcat faptul că pentru un observator din afară, toate corpurile care au zburat până la orizontul evenimentelor vor rămâne la marginea acestui orizont până când imaginea lor va dispărea. Motivul acestui fenomen este deplasarea gravitațională spre roșu. Simplificând oarecum, putem spune că lumina care cade pe corpul unui astronaut sinucigaș „înghețat” la orizontul evenimentului își va schimba frecvența datorită timpului său încetinit. Pe măsură ce timpul trece mai încet, frecvența luminii va scădea și lungimea de undă va crește. Ca urmare a acestui fenomen, la ieșire, adică pentru un observator extern, lumina se va deplasa treptat spre frecvența joasă - roșu. Va avea loc o schimbare a luminii de-a lungul spectrului, pe măsură ce astronautul sinucigaș se îndepărtează din ce în ce mai mult de observator, deși aproape imperceptibil, iar timpul lui curge din ce în ce mai lent. Astfel, lumina reflectată de corpul său va depăși în curând spectrul vizibil (imaginea va dispărea), iar în viitor corpul astronautului poate fi detectat doar în regiunea infraroșu, mai târziu în regiunea radiofrecvenței, și ca urmare, radiația va fi complet evazivă.

În ciuda a ceea ce s-a scris mai sus, se presupune că în găurile negre supermasive foarte mari, forțele mareelor ​​nu se schimbă atât de mult cu distanța și acționează aproape uniform asupra corpului în cădere. Într-un astfel de caz, nava spațială în cădere și-ar păstra structura. Apare o întrebare rezonabilă - unde duce o gaură neagră? La această întrebare se poate răspunde prin munca unor oameni de știință, legând două astfel de fenomene precum găurile de vierme și găurile negre.

În 1935, Albert Einstein și Nathan Rosen, ținând cont, au înaintat o ipoteză despre existența așa-numitelor găuri de vierme, conectând două puncte de spațiu-timp prin locuri cu curbură semnificativă a acestora din urmă - podul Einstein-Rosen. sau gaura de vierme. Pentru o curbură atât de puternică a spațiului, vor fi necesare corpuri cu o masă gigantică, al căror rol ar face față perfect găurilor negre.

Podul Einstein-Rosen este considerat o gaură de vierme impenetrabilă, deoarece este mic și instabil.

O gaură de vierme traversabilă este posibilă în cadrul teoriei găurilor albe și negre. Unde gaura albă este rezultatul informațiilor care au căzut în gaura neagră. Gaura albă este descrisă în cadrul relativității generale, dar astăzi rămâne ipotetică și nu a fost descoperită. Un alt model de gaură de vierme a fost propus de oamenii de știință americani Kip Thorne și studentul său absolvent Mike Morris, care poate fi acceptabil. Totuși, ca și în cazul găurii de vierme Morris-Thorne, tot așa și în cazul găurilor albe și negre, posibilitatea de călătorie necesită existența așa-numitei materie exotică, care are energie negativă și rămâne totodată ipotetică.

Găuri negre în univers

Existența găurilor negre a fost confirmată relativ recent (septembrie 2015), dar înainte de acel moment exista deja mult material teoretic despre natura găurilor negre, precum și multe obiecte candidate pentru rolul unei găuri negre. În primul rând, ar trebui să țineți cont de dimensiunile găurii negre, deoarece însăși natura fenomenului depinde de ele:

• gaura neagră de masă stelară. Astfel de obiecte se formează ca urmare a prăbușirii unei stele. După cum am menționat mai devreme, masa minimă a unui corp capabil să formeze o astfel de gaură neagră este de 2,5 - 3 mase solare.
• Găuri negre de masă intermediară. Un tip condiționat intermediar de găuri negre care au crescut din cauza absorbției obiectelor din apropiere, cum ar fi acumulări de gaze, o stea vecină (în sisteme de două stele) și alte corpuri cosmice.
• Gaura neagra supermasiva. Obiecte compacte cu 10 5 -10 10 mase solare. Proprietățile distinctive ale unor astfel de BH sunt paradoxal densitatea scăzută, precum și forțele slabe de maree, care au fost discutate mai devreme. Este această gaură neagră supermasivă din centrul galaxiei noastre Calea Lactee (Săgetător A*, Sgr A*), precum și majoritatea celorlalte galaxii.

Candidații pentru CHD

Cea mai apropiată gaură neagră, sau mai degrabă un candidat pentru rolul unei găuri negre, este un obiect (V616 Unicorn), care se află la o distanță de 3000 de ani lumină de Soare (în galaxia noastră). Este format din două componente: o stea cu o masă de jumătate din masa solară, precum și un corp mic invizibil, a cărui masă este de 3 - 5 mase solare. Dacă acest obiect se dovedește a fi o mică gaură neagră de masă stelară, atunci de dreapta va fi cea mai apropiată gaură neagră.

După acest obiect, a doua cea mai apropiată gaură neagră este Cyg X-1 (Cyg X-1), care a fost primul candidat pentru rolul unei găuri negre. Distanța până la acesta este de aproximativ 6070 de ani lumină. Destul de bine studiat: are o masă de 14,8 mase solare și o rază a orizontului de evenimente de aproximativ 26 km.

Potrivit unor surse, un alt candidat cel mai apropiat pentru rolul unei găuri negre ar putea fi un corp din sistemul stelar V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), care, conform estimărilor din 1999, era situat la o distanță de 1600 de ani lumină. Cu toate acestea, studiile ulterioare au mărit această distanță de cel puțin 15 ori.

Câte găuri negre sunt în galaxia noastră?

Nu există un răspuns exact la această întrebare, deoarece este destul de dificil să le observi, iar pe parcursul întregului studiu al cerului, oamenii de știință au reușit să detecteze aproximativ o duzină de găuri negre în Calea Lactee. Fără a ne deda la calcule, observăm că în galaxia noastră există aproximativ 100 - 400 de miliarde de stele și aproximativ fiecare a miilea stea are suficientă masă pentru a forma o gaură neagră. Este probabil ca milioane de găuri negre s-ar fi putut forma în timpul existenței Căii Lactee. Deoarece este mai ușor să înregistrezi găuri negre uriașe, este logic să presupunem că majoritatea BH-urilor din galaxia noastră nu sunt supermasive. Este de remarcat faptul că cercetările NASA din 2005 sugerează prezența unui întreg roi de găuri negre (10-20 mii) care orbitează în jurul centrului galaxiei. În plus, în 2016, astrofizicienii japonezi au descoperit un satelit masiv în apropierea obiectului * - o gaură neagră, nucleul Căii Lactee. Datorită razei mici (0,15 ani lumină) a acestui corp, precum și a masei sale uriașe (100.000 de mase solare), oamenii de știință sugerează că acest obiect este și o gaură neagră supermasivă.

Miezul galaxiei noastre, gaura neagră a Căii Lactee (Săgetător A*, Sgr A* sau Săgetător A*) este supermasiv și are o masă de 4,31 10 6 mase solare și o rază de 0,00071 ani lumină (6,25 ore lumină). sau 6,75 miliarde km). Temperatura Săgetător A* împreună cu grupul din jurul său este de aproximativ 1 10 7 K.

Cea mai mare gaură neagră

Cea mai mare gaură neagră din univers pe care oamenii de știință au reușit să o detecteze este o gaură neagră supermasivă, blazarul FSRQ, în centrul galaxiei S5 0014+81, la o distanță de 1,2·10 10 ani lumină de Pământ. Conform rezultatelor preliminare ale observației, folosind observatorul spațial Swift, masa găurii negre a fost de 40 de miliarde (40 10 9) de mase solare, iar raza Schwarzschild a unei astfel de găuri a fost de 118,35 miliarde de kilometri (0,013 ani lumină). În plus, conform calculelor, a apărut acum 12,1 miliarde de ani (1,6 miliarde de ani după Big Bang). Dacă această gaură neagră uriașă nu absoarbe materia care o înconjoară, atunci va trăi pentru a vedea epoca găurilor negre - una dintre erele în dezvoltarea Universului, în timpul căreia găurile negre vor domina în ea. Dacă nucleul galaxiei S5 0014+81 continuă să crească, atunci va deveni una dintre ultimele găuri negre care vor exista în univers.

Celelalte două găuri negre cunoscute, deși nu sunt denumite, sunt de cea mai mare importanță pentru studiul găurilor negre, deoarece au confirmat existența lor experimental și au dat rezultate importante pentru studiul gravitației. Vorbim despre evenimentul GW150914, care se numește ciocnirea a două găuri negre într-una singură. Acest eveniment a permis înregistrarea.

Detectarea găurilor negre

Înainte de a lua în considerare metodele de detectare a găurilor negre, ar trebui să răspundem la întrebarea - de ce este o gaură neagră neagră? - răspunsul la acesta nu necesită cunoștințe profunde în astrofizică și cosmologie. Cert este că o gaură neagră absoarbe toată radiația care cade pe ea și nu radiază deloc, dacă nu iei în calcul ipoteticul. Dacă luăm în considerare acest fenomen mai detaliat, putem presupune că în interiorul găurilor negre nu există procese care să conducă la eliberarea de energie sub formă de radiație electromagnetică. Atunci, dacă gaura neagră radiază, atunci se află în spectrul Hawking (care coincide cu spectrul unui corp încălzit, absolut negru). Cu toate acestea, așa cum am menționat mai devreme, această radiație nu a fost detectată, ceea ce sugerează o temperatură complet scăzută a găurilor negre.

O altă teorie general acceptată spune că radiația electromagnetică nu este deloc capabilă să părăsească orizontul evenimentelor. Cel mai probabil fotonii (particulele de lumină) nu sunt atrași de obiecte masive, deoarece, conform teoriei, ei înșiși nu au masă. Oricum, gaura neagră încă „atrage” fotonii luminii prin distorsiunea spațiu-timpului. Dacă ne imaginăm o gaură neagră în spațiu ca un fel de depresiune pe suprafața netedă a spațiu-timpului, atunci există o anumită distanță de centrul găurii negre, apropiere de care lumina nu se va mai putea îndepărta de ea. . Adică, aproximativ vorbind, lumina începe să „cade” în „groapă”, care nici măcar nu are „fund”.

În plus, având în vedere efectul deplasării către roșu gravitaționale, este posibil ca lumina dintr-o gaură neagră să-și piardă frecvența, deplasându-se de-a lungul spectrului către regiunea radiației cu frecvență joasă a undelor lungi, până când pierde cu totul energie.

Deci, o gaură neagră este neagră și, prin urmare, greu de detectat în spațiu.

Metode de detectare

Luați în considerare metodele pe care le folosesc astronomii pentru a detecta o gaură neagră:

Pe lângă metodele menționate mai sus, oamenii de știință asociază adesea obiecte precum găurile negre și. Quasarii sunt niște acumulări de corpuri cosmice și gaze, care sunt printre cele mai strălucitoare obiecte astronomice din Univers. Deoarece au o intensitate mare a luminiscenței la dimensiuni relativ mici, există motive să credem că centrul acestor obiecte este o gaură neagră supermasivă, care atrage materia înconjurătoare spre sine. Datorită unei atracții gravitaționale atât de puternice, materia atrasă este atât de încălzită încât radiază intens. Detectarea unor astfel de obiecte este de obicei comparată cu detectarea unei găuri negre. Uneori, quasarii pot radia jeturi de plasmă încălzită în două direcții - jeturi relativiste. Motivele apariției unor astfel de jeturi (jet) nu sunt complet clare, dar ele sunt probabil cauzate de interacțiunea câmpurilor magnetice ale BH și discul de acreție și nu sunt emise de o gaură neagră directă.

Un jet în galaxia M87 lovind din centrul unei găuri negre

Rezumând cele de mai sus, ne putem imagina, de aproape: este un obiect negru sferic, în jurul căruia se rotește materia puternic încălzită, formând un disc de acreție luminos.

Fuziunea și ciocnirea găurilor negre

Unul dintre cele mai interesante fenomene din astrofizică este ciocnirea găurilor negre, care face posibilă și detectarea unor astfel de corpuri astronomice masive. Astfel de procese sunt de interes nu numai pentru astrofizicieni, deoarece au ca rezultat fenomene slab studiate de fizicieni. Cel mai clar exemplu este evenimentul menționat anterior numit GW150914, când două găuri negre s-au apropiat atât de mult încât, ca urmare a atracției gravitaționale reciproce, s-au contopit într-una singură. O consecință importantă a acestei coliziuni a fost apariția undelor gravitaționale.

Conform definiției undelor gravitaționale, acestea sunt modificări ale câmpului gravitațional care se propagă într-un mod asemănător undelor din obiecte masive în mișcare. Când două astfel de obiecte se apropie unul de celălalt, ele încep să se rotească în jurul unui centru de greutate comun. Pe măsură ce se apropie unul de altul, rotația lor în jurul propriei axe crește. Astfel de oscilații variabile ale câmpului gravitațional la un moment dat pot forma o undă gravitațională puternică care se poate propaga în spațiu timp de milioane de ani lumină. Așadar, la o distanță de 1,3 miliarde de ani lumină, a avut loc o ciocnire a două găuri negre, care au format o undă gravitațională puternică care a ajuns pe Pământ pe 14 septembrie 2015 și a fost înregistrată de detectoarele LIGO și VIRGO.

Cum mor găurile negre?

Evident, pentru ca o gaură neagră să înceteze să mai existe, ar trebui să-și piardă toată masa. Cu toate acestea, conform definiției ei, nimic nu poate părăsi gaura neagră dacă și-a depășit orizontul de evenimente. Se știe că, pentru prima dată, fizicianul teoretician sovietic Vladimir Gribov a menționat posibilitatea emiterii de particule de către o gaură neagră în discuția sa cu un alt om de știință sovietic Yakov Zeldovich. El a susținut că, din punctul de vedere al mecanicii cuantice, o gaură neagră este capabilă să emită particule printr-un efect de tunel. Mai târziu, cu ajutorul mecanicii cuantice, și-a construit propria teorie, oarecum diferită, fizicianul teoretician englez Stephen Hawking. Puteți citi mai multe despre acest fenomen. Pe scurt, există așa-numitele particule virtuale în vid, care se nasc constant în perechi și se anihilează reciproc, fără a interacționa cu lumea exterioară. Dar dacă astfel de perechi apar la orizontul de evenimente al găurii negre, atunci gravitația puternică este ipotetic capabilă să le separe, o particulă căzând în gaura neagră, iar cealaltă plecând de la gaura neagră. Și deoarece o particulă care a zburat dintr-o gaură poate fi observată și, prin urmare, are energie pozitivă, o particulă care a căzut într-o gaură trebuie să aibă energie negativă. Astfel, gaura neagră își va pierde energia și va avea loc un efect numit evaporare a găurii negre.

Conform modelelor disponibile ale unei găuri negre, așa cum am menționat mai devreme, pe măsură ce masa ei scade, radiația sa devine mai intensă. Apoi, în etapa finală a existenței unei găuri negre, când aceasta poate fi redusă la dimensiunea unei găuri negre cuantice, va elibera o cantitate imensă de energie sub formă de radiație, care poate fi echivalentă cu mii sau chiar milioane de bombe atomice. Acest eveniment amintește oarecum de explozia unei găuri negre, ca aceeași bombă. Conform calculelor, găurile negre primordiale ar fi putut fi născute în urma Big Bang-ului, iar cele dintre ele, a căror masă este de ordinul a 10 12 kg, ar fi trebuit să se evapore și să explodeze în jurul timpului nostru. Oricum ar fi, astfel de explozii nu au fost niciodată văzute de astronomi.

În ciuda mecanismului propus de Hawking pentru distrugerea găurilor negre, proprietățile radiației Hawking provoacă un paradox în cadrul mecanicii cuantice. Dacă o gaură neagră absoarbe un corp și apoi pierde masa rezultată din absorbția acestui corp, atunci indiferent de natura corpului, gaura neagră nu va diferi de ceea ce era înainte de absorbția corpului. În acest caz, informațiile despre corp se pierd pentru totdeauna. Din punct de vedere al calculelor teoretice, transformarea stării pure inițiale în starea mixtă („termică”) rezultată nu corespunde teoriei actuale a mecanicii cuantice. Acest paradox se numește uneori dispariția informațiilor într-o gaură neagră. O soluție reală la acest paradox nu a fost niciodată găsită. Opțiuni cunoscute pentru rezolvarea paradoxului:

• Inconsecvența teoriei lui Hawking. Aceasta implică imposibilitatea distrugerii găurii negre și creșterea constantă a acesteia.
• Prezența găurilor albe. În acest caz, informația absorbită nu dispare, ci este pur și simplu aruncată în alt Univers.
• Incoerența teoriei general acceptate a mecanicii cuantice.

Problemă nerezolvată a fizicii găurilor negre

Judecând după tot ceea ce a fost descris mai devreme, găurile negre, deși au fost studiate de o perioadă relativ lungă de timp, au încă multe caracteristici, ale căror mecanisme nu sunt încă cunoscute de oamenii de știință.

• În 1970, un om de știință englez a formulat așa-numitul. „principiul cenzurii cosmice” – „Natura detestă singularitatea goală”. Aceasta înseamnă că singularitatea se formează numai în locuri ascunse vederii, precum centrul unei găuri negre. Cu toate acestea, acest principiu nu a fost încă dovedit. Există și calcule teoretice conform cărora poate să apară o singularitate „goală”.
• Nici „teorema fără păr”, conform căreia găurile negre au doar trei parametri, nu a fost dovedită.
• O teorie completă a magnetosferei găurii negre nu a fost dezvoltată.
• Natura și fizica singularității gravitaționale nu au fost studiate.
• Nu se știe cu siguranță ce se întâmplă în stadiul final al existenței unei găuri negre și ce rămâne după dezintegrarea sa cuantică.

Fapte interesante despre găurile negre

Rezumând cele de mai sus, putem evidenția câteva caracteristici interesante și neobișnuite ale naturii găurilor negre:

• Găurile negre au doar trei parametri: masa, sarcina electrică și momentul unghiular. Ca urmare a unui număr atât de mic de caracteristici ale acestui corp, teorema care afirmă acest lucru se numește „teorema fără păr”. De aici provine și sintagma „o gaură neagră nu are păr”, ceea ce înseamnă că două găuri negre sunt absolut identice, cei trei parametri ai lor menționați fiind aceiași.
• Densitatea găurilor negre poate fi mai mică decât densitatea aerului, iar temperatura este aproape de zero absolut. Din aceasta putem presupune că formarea unei găuri negre are loc nu datorită comprimării materiei, ci ca urmare a acumulării unei cantități mari de materie într-un anumit volum.
• Timpul pentru corpurile absorbite de găurile negre trece mult mai lent decât pentru un observator extern. În plus, corpurile absorbite sunt întinse semnificativ în interiorul găurii negre, care a fost numită spaghetificare de către oamenii de știință.
• S-ar putea să existe aproximativ un milion de găuri negre în galaxia noastră.
• Probabil că există o gaură neagră supermasivă în centrul fiecărei galaxii.
• În viitor, conform modelului teoretic, Universul va ajunge în așa-numita era a găurilor negre, când găurile negre vor deveni corpurile dominante în Univers.

Găurile negre - poate cele mai misterioase și enigmatice obiecte astronomice din Universul nostru, au atras atenția experților și au entuziasmat imaginația scriitorilor de science fiction încă de la descoperirea lor. Ce sunt găurile negre și cum arată? Găurile negre sunt stele stinse, datorită caracteristicilor lor fizice, care au o densitate atât de mare și o gravitație atât de puternică încât nici măcar lumina nu poate scăpa din ele.

Istoria descoperirii găurilor negre

Pentru prima dată, existența teoretică a găurilor negre, cu mult înainte de descoperirea lor efectivă, a fost sugerată de cineva D. Michel (un preot englez din Yorkshire, care este pasionat de astronomie în timpul liber) în 1783. Conform calculelor sale, dacă îl luăm pe al nostru și îl comprimăm (în termeni informatici moderni, arhivați-l) pe o rază de 3 km, se formează o forță gravitațională atât de mare (doar uriașă), încât nici măcar lumina nu o poate părăsi. Așa a apărut conceptul de „gaură neagră”, deși de fapt nu este deloc neagră, în opinia noastră, termenul de „gaură întunecată” ar fi mai potrivit, pentru că tocmai absența luminii are loc.

Mai târziu, în 1918, marele om de știință Albert Einstein a scris despre problema găurilor negre în context. Dar abia în 1967, prin eforturile astrofizicianului american John Wheeler, conceptul de găuri negre a câștigat în sfârșit un loc în cercurile academice.

Oricum ar fi, atât D. Michel, cât și Albert Einstein, și John Wheeler în lucrările lor au presupus doar existența teoretică a acestor misterioase obiecte cerești în spațiul cosmic, cu toate acestea, adevărata descoperire a găurilor negre a avut loc în 1971, a fost apoi că au fost observate pentru prima dată în spațiu.telescop.

Așa arată o gaură neagră.

Cum se formează găurile negre în spațiu?

După cum știm din astrofizică, toate stelele (inclusiv Soarele nostru) au o cantitate limitată de combustibil. Și, deși viața unei stele poate dura miliarde de ani, mai devreme sau mai târziu această aprovizionare condiționată de combustibil se încheie, iar steaua „se stinge”. Procesul de „stingere” a unei stele este însoțit de reacții intense, în timpul cărora steaua suferă o transformare semnificativă și, în funcție de mărimea sa, se poate transforma într-o pitică albă, o stea neutronică sau o gaură neagră. Mai mult, cele mai mari stele, care au dimensiuni incredibil de impresionante, de obicei se transformă într-o gaură neagră - datorită comprimării acestor dimensiuni incredibile, are loc o creștere multiplă a masei și a forței gravitaționale a găurii negre nou formate, care se transformă într-un un fel de aspirator galactic - absoarbe totul și tot ce îl înconjoară.

O gaură neagră înghite o stea.

O mică notă - Soarele nostru, după standardele galactice, nu este deloc o stea mare, iar după estompare, care va avea loc în aproximativ câteva miliarde de ani, cel mai probabil nu se va transforma într-o gaură neagră.

Dar să fim sinceri cu tine - astăzi, oamenii de știință încă nu cunosc toate complexitățile formării unei găuri negre, fără îndoială, acesta este un proces astrofizic extrem de complex, care în sine poate dura milioane de ani. Deși este posibil să se avanseze în această direcție, detectarea și studiul ulterioară a așa-numitelor găuri negre intermediare, adică stele aflate în stare de dispariție, în care are loc procesul activ de formare a găurii negre, ar putea. Apropo, o stea similară a fost descoperită de astronomi în 2014 în brațul unei galaxii spirale.

Câte găuri negre există în univers

Potrivit teoriilor oamenilor de știință moderni, în galaxia noastră Calea Lactee pot exista până la sute de milioane de găuri negre. Nu pot fi mai puțini în galaxia de lângă noi, către care nu există nimic de zburat din Calea Lactee - 2,5 milioane de ani lumină.

Teoria găurilor negre

În ciuda masei uriașe (care este de sute de mii de ori mai mare decât masa Soarelui nostru) și a forței incredibile a gravitației, nu a fost ușor să vezi găurile negre printr-un telescop, deoarece acestea nu emit deloc lumină. Oamenii de știință au reușit să observe o gaură neagră abia în momentul „mesei” ei - absorbția unei alte stele, în acest moment apare o radiație caracteristică, care poate fi deja observată. Astfel, teoria găurii negre și-a găsit o confirmare reală.

Proprietățile găurilor negre

Principala proprietate a unei găuri negre sunt câmpurile gravitaționale incredibile, care nu permit spațiului și timpului din jur să rămână în starea lor obișnuită. Da, ai auzit bine, timpul într-o gaură neagră curge de multe ori mai lent decât de obicei, iar dacă ai fi acolo, apoi te întorci înapoi (dacă ai fi atât de norocos, desigur) ai fi surprins să observi că au trecut secole pe Pământ, și nici nu vei îmbătrâni, ai timp. Deși să fim sinceri, dacă ai fi fost într-o gaură neagră, cu greu ai fi supraviețuit, deoarece forța gravitațională de acolo este așa încât orice obiect material ar fi pur și simplu sfâșiat, nici măcar în părți, în atomi.

Dar dacă ai fi chiar aproape de o gaură neagră, în limitele câmpului gravitațional al acesteia, atunci ți-ar fi și greu, pentru că cu cât ai rezistat mai mult gravitației ei, încercând să zburezi, cu atât mai repede ai cădea în ea. Motivul acestui paradox aparent este câmpul de vortex gravitațional, pe care îl posedă toate găurile negre.

Ce se întâmplă dacă o persoană cade într-o gaură neagră

Evaporarea găurilor negre

Astronomul englez S. Hawking a descoperit un fapt interesant: se pare că și găurile negre emit. Adevărat, acest lucru se aplică numai găurilor cu masă relativ mică. Gravitația puternică din jurul lor creează perechi de particule și antiparticule, una dintre perechi este trasă în interior de orificiu, iar a doua este ejectată în exterior. Astfel, o gaură neagră radiază antiparticule dure și raze gamma. Această evaporare sau radiație dintr-o gaură neagră a fost numită după omul de știință care a descoperit-o - „Hawking radiation”.

Cea mai mare gaură neagră

Conform teoriei găurilor negre, în centrul aproape tuturor galaxiilor există găuri negre uriașe cu mase de la câteva milioane la câteva miliarde de mase solare. Și relativ recent, oamenii de știință au descoperit cele mai mari două găuri negre cunoscute până în prezent, ele se află în două galaxii din apropiere: NGC 3842 și NGC 4849.

NGC 3842 este cea mai strălucitoare galaxie din constelația Leului, situată la o distanță de 320 de milioane de ani lumină de noi. În centrul acesteia se află o gaură neagră uriașă cu o masă de 9,7 miliarde de mase solare.

NGC 4849 este o galaxie din clusterul Coma, la 335 de milioane de ani lumină distanță, cu o gaură neagră la fel de impresionantă.

Zonele de acțiune ale câmpului gravitațional al acestor găuri negre gigantice, sau în termeni academici, orizontul lor de evenimente, este de aproximativ 5 ori distanța de la Soare la! O astfel de gaură neagră ne-ar mânca sistemul solar și nici măcar nu s-ar sufoca.

Cea mai mică gaură neagră

Dar există reprezentanți foarte mici în vasta familie a găurilor negre. Deci cea mai pitică gaură neagră descoperită de oamenii de știință în acest moment în masa sa este de numai 3 ori masa Soarelui nostru. De fapt, acesta este minimul teoretic necesar pentru formarea unei găuri negre, dacă acea stea ar fi fost puțin mai mică, gaura nu s-ar fi format.

Găurile negre sunt canibali

Da, există un astfel de fenomen, așa cum am scris mai sus, găurile negre sunt un fel de „aspiratoare galactice” care absorb tot ce le înconjoară, inclusiv... alte găuri negre. Recent, astronomii au descoperit că o gaură neagră dintr-o galaxie este mâncată de un alt mare mâncăcios negru dintr-o altă galaxie.

• Conform ipotezelor unor oameni de știință, găurile negre nu sunt doar aspiratoare galactice care aspiră totul în sine, dar în anumite circumstanțe pot genera noi universuri.
• Găurile negre se pot evapora în timp. Am scris mai sus că a fost descoperit de către omul de știință englez Stephen Hawking că găurile negre au proprietatea de radiație și, după o perioadă foarte lungă de timp, când nu există nimic de absorbit în jur, gaura neagră va începe să se evapore mai mult, până când în cele din urmă se va evapora. renunță la toată masa sa în spațiul înconjurător. Deși aceasta este doar o presupunere, o ipoteză.
• Găurile negre încetinesc timpul și îndoaie spațiul. Am scris deja despre dilatarea timpului, dar spațiul în condițiile unei găuri negre va fi complet curbat.
• Găurile negre limitează numărul de stele din univers. Și anume, câmpurile lor gravitaționale împiedică răcirea norilor de gaz în spațiu, din care, după cum știți, se nasc stele noi.

Găuri negre pe Discovery Channel, videoclip

Și în încheiere, vă oferim un documentar științific interesant despre găurile negre de pe canalul Discovery.

Când am scris articolul, am încercat să-l fac cât mai interesant, util și de înaltă calitate. Aș fi recunoscător pentru orice feedback și critică constructivă sub formă de comentarii la articol. De asemenea, puteți scrie dorința/întrebarea/sugestia pe adresa mea de e-mail pavelchaika19 [email protected] sau pe Facebook, cu respect, autorul.

« Science-fiction poate fi utilă - stimulează imaginația și ameliorează teama de viitor. Cu toate acestea, faptele științifice pot fi mult mai izbitoare. Science-fiction nici măcar nu a imaginat lucruri precum găurile negre.»
Stephen Hawking

În adâncurile universului pentru om se află nenumărate mistere și mistere. Una dintre ele este găurile negre - obiecte pe care nici cele mai mari minți ale omenirii nu le pot înțelege. Sute de astrofizicieni încearcă să descopere natura găurilor negre, dar în acest stadiu nici măcar nu am dovedit existența lor în practică.

Regizorii de film le dedică filmele, iar printre oamenii obișnuiți, găurile negre au devenit un fenomen atât de cult încât sunt identificate cu sfârșitul lumii și moartea iminentă. Sunt temuți și urâți, dar în același timp sunt idolatrați și se înclină în fața necunoscutului, de care sunt pline aceste fragmente ciudate ale Universului. De acord, să fii înghițit de o gaură neagră este genul ăsta de romantism. Cu ajutorul lor, este posibil și ei pot deveni și ghiduri pentru noi în.

Presa galbenă speculează adesea cu privire la popularitatea găurilor negre. Găsirea titlurilor în ziare legate de sfârșitul lumii pe planetă din cauza unei alte coliziuni cu o gaură neagră supermasivă nu este o problemă. Mult mai rău este că partea analfabetă a populației ia totul în serios și stârnește o adevărată panică. Pentru a aduce o oarecare claritate, vom merge într-o călătorie la originile descoperirii găurilor negre și vom încerca să înțelegem ce este și cum să ne raportăm la el.

stele invizibile

S-a întâmplat că fizicienii moderni descriu structura Universului nostru cu ajutorul teoriei relativității, pe care Einstein a oferit-o cu atenție omenirii la începutul secolului al XX-lea. Cu atât mai misterioase sunt găurile negre, pe orizontul de evenimente al cărora toate legile fizicii cunoscute nouă, inclusiv teoria lui Einstein, încetează să mai opereze. Nu este minunat? În plus, conjectura despre existența găurilor negre a fost exprimată cu mult înainte de nașterea lui Einstein însuși.

În 1783 a avut loc o creștere semnificativă a activității științifice în Anglia. În acele vremuri, știința mergea cot la cot cu religia, se înțelegeau bine împreună, iar oamenii de știință nu mai erau considerați eretici. Mai mult, preoții erau angajați în cercetări științifice. Unul dintre acești slujitori ai lui Dumnezeu a fost pastorul englez John Michell, care și-a pus nu numai întrebări despre viață, ci și sarcini destul de științifice. Michell a fost un om de știință foarte întitulat: inițial a fost profesor de matematică și lingvistică antică într-unul dintre colegii, iar după aceea a fost admis la Societatea Regală din Londra pentru o serie de descoperiri.

John Michell se ocupa de seismologie, dar în timpul liber îi plăcea să se gândească la etern și la cosmos. Așa i-a venit ideea că undeva în adâncurile Universului pot exista corpuri supramasive cu o gravitație atât de puternică încât pentru a depăși forța gravitațională a unui astfel de corp, este necesar să se deplaseze cu o viteză egală cu sau mai mare decât viteza luminii. Dacă acceptăm o astfel de teorie ca adevărată, atunci nici măcar lumina nu va putea dezvolta a doua viteză cosmică (viteza necesară pentru a depăși atracția gravitațională a corpului care pleacă), așa că un astfel de corp va rămâne invizibil cu ochiul liber.

Michell a numit noua sa teorie „stelele întunecate” și, în același timp, a încercat să calculeze masa unor astfel de obiecte. El și-a exprimat gândurile cu privire la această problemă într-o scrisoare deschisă către Societatea Regală din Londra. Din păcate, în acele vremuri, o astfel de cercetare nu avea o valoare deosebită pentru știință, așa că scrisoarea lui Michell a fost trimisă la arhivă. Doar două sute de ani mai târziu, în a doua jumătate a secolului al XX-lea, a fost găsit printre mii de alte înregistrări păstrate cu grijă în biblioteca antică.

Primele dovezi științifice ale existenței găurilor negre

După lansarea Teoriei generale a relativității a lui Einstein, matematicienii și fizicienii s-au apucat serios să rezolve ecuațiile prezentate de omul de știință german, care trebuiau să ne spună multe despre structura Universului. Astronomul german, fizicianul Karl Schwarzschild a decis să facă același lucru în 1916.

Omul de știință, folosind calculele sale, a ajuns la concluzia că existența găurilor negre este posibilă. El a fost, de asemenea, primul care a descris ceea ce a fost numit mai târziu expresia romantică „orizont de evenimente” - o graniță imaginară a spațiu-timp la o gaură neagră, după trecerea căreia apare un punct de neîntoarcere. Nimic nu scapă din orizontul evenimentelor, nici măcar lumina. Dincolo de orizontul evenimentelor apare așa-numita „singularitate”, unde legile fizicii cunoscute de noi încetează să mai funcționeze.

Continuând să-și dezvolte teoria și să rezolve ecuațiile, Schwarzschild a descoperit noi secrete ale găurilor negre pentru el și pentru lume. Așadar, el a putut calcula, doar pe hârtie, distanța de la centrul unei găuri negre, unde este concentrată masa acesteia, până la orizontul evenimentelor. Schwarzschild a numit această distanță raza gravitațională.

În ciuda faptului că matematic, soluțiile lui Schwarzschild erau excepțional de corecte și nu puteau fi infirmate, comunitatea științifică de la începutul secolului al XX-lea nu a putut accepta imediat o astfel de descoperire șocantă, iar existența găurilor negre a fost eliminată ca o fantezie, care din când în când. s-a manifestat în teoria relativităţii. În următorul deceniu și jumătate, studiul spațiului pentru prezența găurilor negre a fost lent și doar câțiva adepți ai teoriei fizicianului german au fost implicați în el.

Stele care dau naștere întunericului

După ce ecuațiile lui Einstein au fost demontate, a venit timpul să folosim concluziile trase pentru a înțelege structura Universului. În special, în teoria evoluției stelelor. Nu este un secret pentru nimeni că nimic în lumea noastră nu durează pentru totdeauna. Chiar și stelele au propriul lor ciclu de viață, deși mai lung decât o persoană.

Unul dintre primii oameni de știință care a devenit serios interesat de evoluția stelară a fost tânărul astrofizician Subramanyan Chandrasekhar, originar din India. În 1930, a publicat o lucrare științifică care descria presupusa structură internă a stelelor, precum și ciclurile lor de viață.

Deja la începutul secolului al XX-lea, oamenii de știință au ghicit despre un astfel de fenomen precum contracția gravitațională (colapsul gravitațional). La un anumit moment al vieții sale, o stea începe să se contracte cu o viteză extraordinară sub influența forțelor gravitaționale. De regulă, acest lucru se întâmplă în momentul morții unei stele, cu toate acestea, cu un colaps gravitațional, există mai multe modalități pentru existența ulterioară a unei mingi fierbinți.

Supraveghetorul lui Chandrasekhar, Ralph Fowler, un fizician teoretic respectat la vremea lui, a sugerat că, în timpul unui colaps gravitațional, orice stea se transformă într-una mai mică și mai fierbinte - o pitică albă. Dar s-a dovedit că elevul a „încălcat” teoria profesorului, care a fost împărtășită de majoritatea fizicienilor la începutul secolului trecut. Conform lucrării unui tânăr hindus, moartea unei stele depinde de masa sa inițială. De exemplu, doar acele stele a căror masă nu depășește de 1,44 ori masa Soarelui pot deveni pitice albe. Acest număr a fost numit limită Chandrasekhar. Dacă masa stelei a depășit această limită, atunci ea moare într-un mod complet diferit. În anumite condiții, o astfel de stea în momentul morții poate renaște într-o nouă stea neutronică - un alt mister al Universului modern. Teoria relativității, pe de altă parte, ne spune încă o opțiune - comprimarea unei stele la valori ultra-mici și aici începe cea mai interesantă.

În 1932, într-una dintre revistele științifice a apărut un articol în care geniatul fizician din URSS Lev Landau sugera că, în timpul prăbușirii, o stea supermasivă este comprimată într-un punct cu o rază infinitezimală și o masă infinită. În ciuda faptului că un astfel de eveniment este foarte greu de imaginat din punctul de vedere al unei persoane nepregătite, Landau nu era departe de adevăr. Fizicianul a mai sugerat că, conform teoriei relativității, gravitația într-un astfel de punct ar fi atât de mare încât ar începe să distorsioneze spațiu-timp.

Astrofizicienilor le-a plăcut teoria lui Landau și au continuat să o dezvolte. În 1939, în America, datorită eforturilor a doi fizicieni - Robert Oppenheimer și Hartland Sneijder - a apărut o teorie care descrie în detaliu o stea supermasivă în momentul prăbușirii. În urma unui astfel de eveniment ar fi trebuit să apară o adevărată gaură neagră. În ciuda caracterului persuasiv al argumentelor, oamenii de știință au continuat să nege posibilitatea existenței unor astfel de corpuri, precum și transformarea stelelor în ele. Chiar și Einstein s-a distanțat de această idee, crezând că steaua nu este capabilă de astfel de transformări fenomenale. Alți fizicieni nu au fost zgârciți în declarațiile lor, considerând ridicolă posibilitatea unor astfel de evenimente.
Cu toate acestea, știința ajunge întotdeauna la adevăr, trebuie doar să așteptați puțin. Și așa s-a întâmplat.

Cele mai strălucitoare obiecte din univers

Lumea noastră este o colecție de paradoxuri. Uneori coexistă în ea lucruri, a căror coexistență sfidează orice logică. De exemplu, termenul „gaură neagră” nu ar fi asociat la o persoană normală cu expresia „incredibil de strălucitor”, dar descoperirea de la începutul anilor ’60 ai secolului trecut a permis oamenilor de știință să considere incorectă această afirmație.

Cu ajutorul telescoapelor, astrofizicienii au reușit să detecteze pe cerul înstelat obiecte necunoscute până acum, care s-au comportat destul de ciudat, în ciuda faptului că arătau ca stele obișnuite. Studiind aceste lumini ciudate, omul de știință american Martin Schmidt a atras atenția asupra spectrografiei lor, ale cărei date au arătat rezultate diferite de scanarea altor stele. Mai simplu spus, aceste vedete nu erau ca celelalte cu care suntem obișnuiți.

Dintr-o dată i-a dat seama lui Schmidt și a atras atenția asupra schimbării spectrului în gama roșie. S-a dovedit că aceste obiecte sunt mult mai departe de noi decât stelele pe care suntem obișnuiți să le vedem pe cer. De exemplu, obiectul observat de Schmidt a fost situat la două miliarde și jumătate de ani-lumină de planeta noastră, dar a strălucit la fel de puternic ca o stea la câteva sute de ani lumină distanță. Se pare că lumina unui astfel de obiect este comparabilă cu luminozitatea unei galaxii întregi. Această descoperire a fost o adevărată descoperire în astrofizică. Omul de știință a numit aceste obiecte „cvasi-stelare” sau pur și simplu „quasar”.

Martin Schmidt a continuat să studieze noi obiecte și a descoperit că o astfel de strălucire strălucitoare poate fi cauzată de un singur motiv - acumularea. Acreția este procesul de absorbție a materiei înconjurătoare de către un corp supramasiv cu ajutorul gravitației. Omul de știință a ajuns la concluzia că în centrul quasarului există o gaură neagră uriașă, care cu o forță incredibilă atrage în sine materia care o înconjoară în spațiu. În procesul de absorbție a materiei de către gaură, particulele sunt accelerate la viteze enorme și încep să strălucească. Cupola luminoasă particulară din jurul unei găuri negre se numește disc de acreție. Vizualizarea sa a fost bine demonstrată în filmul lui Christopher Nolan „Interstellar”, care a dat naștere la multe întrebări „cum poate străluci o gaură neagră?”.

Până în prezent, oamenii de știință au găsit mii de quasari pe cerul înstelat. Aceste obiecte ciudate, incredibil de strălucitoare sunt numite faruri ale universului. Ele ne permit să ne imaginăm puțin mai bine structura cosmosului și să ne apropiem de momentul de la care a început totul.

În ciuda faptului că astrofizicienii au obținut dovezi indirecte pentru existența unor obiecte invizibile supermasive în Univers de mulți ani, termenul de „găură neagră” nu a existat până în 1967. Pentru a evita nume complicate, fizicianul american John Archibald Wheeler a propus denumirea unor astfel de obiecte „găuri negre”. De ce nu? Într-o oarecare măsură sunt negre, pentru că nu le putem vedea. În plus, atrag totul, poți cădea în ele, la fel ca într-o gaură adevărată. Și să ieși dintr-un astfel de loc conform legilor moderne ale fizicii este pur și simplu imposibil. Cu toate acestea, Stephen Hawking susține că atunci când călătorești printr-o gaură neagră, poți intra într-un alt Univers, o altă lume, iar aceasta este speranța.

Frica de infinit

Datorită misterului excesiv și romantizării găurilor negre, aceste obiecte au devenit o adevărată poveste de groază printre oameni. Presa galbenă adoră să speculeze asupra analfabetismului populației, oferind povești uimitoare despre modul în care o gaură neagră uriașă se deplasează către Pământul nostru, care va înghiți sistemul solar în câteva ore sau pur și simplu va emite valuri de gaz toxic către noi. planetă.

Deosebit de populară este tema distrugerii planetei cu ajutorul Large Hadron Collider, care a fost construit în Europa în 2006 pe teritoriul Consiliului European pentru Cercetare Nucleară (CERN). Valul de panică a început ca o glumă stupidă a cuiva, dar a crescut ca un bulgăre de zăpadă. Cineva a lansat un zvon că s-ar putea forma o gaură neagră în acceleratorul de particule al ciocnitorului, care ar înghiți planeta noastră în întregime. Desigur, oamenii indignați au început să ceară interzicerea experimentelor la LHC, de teamă de un astfel de rezultat. Au început să apară procese la Curtea Europeană, cerând închiderea ciocnitorului, iar oamenii de știință care l-au creat să fie pedepsiți în cea mai mare măsură a legii.

De fapt, fizicienii nu neagă faptul că atunci când particulele se ciocnesc în Large Hadron Collider, pot apărea obiecte similare ca proprietăți cu găurile negre, dar dimensiunea lor este la nivelul dimensiunilor particulelor elementare și astfel de „găuri” există pentru o perioadă atât de scurtă. că nici măcar nu putem înregistra apariţia lor.

Unul dintre principalii experți care încearcă să risipească valul de ignoranță în fața oamenilor este Stephen Hawking – celebrul fizician teoretician, care, de altfel, este considerat un adevărat „guru” în ceea ce privește găurile negre. Hawking a demonstrat că găurile negre nu absorb întotdeauna lumina care apare în discurile de acreție, iar o parte din aceasta este împrăștiată în spațiu. Acest fenomen a fost numit radiație Hawking sau evaporarea găurii negre. Hawking a stabilit, de asemenea, o relație între dimensiunea unei găuri negre și rata de „evaporare” a acesteia - cu cât este mai mică, cu atât există mai puțin în timp. Și asta înseamnă că toți oponenții lui Large Hadron Collider nu ar trebui să-și facă griji: găurile negre din el nu vor putea exista nici măcar pentru o milione de secundă.

Teorie nedemonstrată în practică

Din păcate, tehnologiile omenirii în acest stadiu de dezvoltare nu ne permit să testăm majoritatea teoriilor dezvoltate de astrofizicieni și alți oameni de știință. Pe de o parte, existența găurilor negre este dovedită destul de convingător pe hârtie și dedusă cu ajutorul unor formule în care totul convergea cu fiecare variabilă. Pe de altă parte, în practică, nu am reușit încă să vedem cu ochii noștri o adevărată gaură neagră.

În ciuda tuturor dezacordurilor, fizicienii sugerează că în centrul fiecăreia dintre galaxii există o gaură neagră supermasivă, care adună stele în grupuri cu gravitația sa și te face să călătorești în jurul Universului într-o companie mare și prietenoasă. În galaxia noastră Calea Lactee, conform diverselor estimări, există între 200 și 400 de miliarde de stele. Toate aceste stele se învârt în jurul a ceva care are o masă uriașă, în jurul a ceva ce nu putem vedea cu un telescop. Cel mai probabil este o gaură neagră. Ar trebui să-i fie frică? - Nu, cel puțin nu în următoarele miliarde de ani, dar putem face un alt film interesant despre ea.

O gaură neagră este o regiune a spațiu-timp, a cărei atracție gravitațională este atât de mare încât chiar și obiectele care se mișcă cu viteza luminii, inclusiv cuantele de lumină în sine, nu o pot părăsi. Limita acestei regiuni se numește orizont de evenimente, iar dimensiunea sa caracteristică se numește raza gravitațională.

Ideea unei „găuri negre” a apărut pentru prima dată în 1916, când fizicianul Schwarzschild rezolva ecuațiile lui Einstein. Matematica a condus la o concluzie ciudată despre existența obiectelor compacte, în jurul cărora ia naștere un orizont de evenimente cu proprietăți interesante. Dar însuși termenul „găură neagră” nu exista încă. Orizontul evenimentelor este o regiune a spațiului care înconjoară o gaură neagră, odată în care materia nu va putea niciodată să părăsească această regiune și să cadă în gaura neagră. Lumina poate învinge în continuare forța enormă a gravitației, trimite ultimele fluxuri din materia care dispare, dar numai pentru o scurtă perioadă de timp, până când materia care cădea intră în așa-numita zonă de singularitate, dincolo de care Karl Schwarzschild, un astronom german, a fondatorilor astrofizicii teoretice, nu mai este

În anii 1930, Chadwick a descoperit neutronul. Curând a fost înaintată o ipoteză cu privire la existența stelelor neutrino, care la mase mari se dovedesc a fi instabile și se micșorează într-o stare de colaps. Termenul „gaura neagră” încă nu exista. Și abia la sfârșitul anilor 1960, americanul John Wheeler a spus „gaura neagră”. Acesta este un punct din spațiu în care materia și energia dispar sub influența forțelor gravitaționale. În acest loc, forțele gravitaționale sunt atât de puternice încât totul în apropiere este literalmente absorbit. Nici măcar razele de lumină nu pot scăpa de acolo, așa că gaura neagră este complet invizibilă. John Wheeler, fizician american

O „gaură neagră” poate fi detectată de radiația specifică de raze X care este produsă atunci când aspiră materie în sine. În anii 1970, satelitul american „Uhuru” (într-unul dintre dialectele africane - „Freedom”) a înregistrat o emisie specifică de raze X. De atunci, „gaura neagră” a existat nu numai în calcule. Pentru aceste studii, Riccardo Giacconi a primit Premiul Nobel în 2002. Riccardo Giacconi, fizician american de origine italiană, laureat al Premiului Nobel pentru Fizică în 2002 „pentru inventarea astronomiei cu raze X și invenția telescopului cu raze X”

În acest moment, oamenii de știință au descoperit aproximativ o mie de obiecte din univers, care sunt clasificate drept găuri negre. În total, sugerează oamenii de știință, există zeci de milioane de astfel de obiecte. În prezent, singura modalitate sigură de a distinge o gaură neagră de un alt tip de obiect este măsurarea masei și dimensiunilor obiectului și compararea razei acestuia cu raza gravitațională, care este dată de formula = , unde G este constanta gravitațională. , M este masa obiectului, c este găurile negre supermasive viteza luminii. Găurile negre extinse foarte mari formează nucleul majorității galaxiilor. Acestea includ gaura neagră masivă din miezul galaxiei noastre, Săgetător A*, care este cea mai apropiată gaură neagră supermasivă de Soare. În prezent, existența găurilor negre de scări stelare și galactice este considerată de majoritatea oamenilor de știință ca fiind dovedită în mod fiabil prin observații astronomice. Astronomii americani au descoperit că masele de găuri negre supermasive pot fi subestimate semnificativ. Cercetătorii au descoperit că, pentru ca stelele să se deplaseze în galaxia M87 (care este situată la o distanță de 50 de milioane de ani lumină de Pământ), așa cum se observă acum, masa găurii negre centrale trebuie să fie la fel de mare ca Radio Galaxy Pic µ A, un jet de raze X este vizibil (albastru) lung de 300 de mii de ani lumină, provenind din

Detectarea găurilor negre supermasive Dovezile existenței găurilor negre supermasive în regiunile centrale ale galaxiilor sunt considerate cele mai de încredere. Astăzi, rezoluția telescoapelor este insuficientă pentru a distinge regiunile spațiului de ordinul razei gravitaționale a unei găuri negre. Există multe modalități de a determina masa și dimensiunile aproximative ale unui corp supermasiv, dar cele mai multe dintre ele se bazează pe măsurarea caracteristicilor orbitelor obiectelor care se rotesc în jurul lor (stele, surse radio, discuri gazoase). În cel mai simplu și destul de obișnuit caz, inversarea are loc de-a lungul orbitelor Kepleriene, dovadă fiind proporționalitatea vitezei de rotație a satelitului cu rădăcina pătrată a semi-axei ​​majore a orbitei: . În acest caz, masa corpului central este găsită prin formula binecunoscută.

Conceptul de gaură neagră este cunoscut de toată lumea - de la școlari până la vârstnici, este folosit în literatura de știință și ficțiune, în media galbenă și la conferințe științifice. Dar nu toată lumea știe ce sunt exact aceste găuri.

Din istoria găurilor negre

1783 Prima ipoteză pentru existența unui astfel de fenomen precum o gaură neagră a fost înaintată în 1783 de omul de știință englez John Michell. În teoria sa, el a combinat două creații ale lui Newton - optică și mecanică. Ideea lui Michell a fost următoarea: dacă lumina este un flux de particule minuscule, atunci, ca toate celelalte corpuri, particulele ar trebui să experimenteze atracția unui câmp gravitațional. Se pare că, cu cât steaua este mai masivă, cu atât este mai dificil pentru lumina să reziste atracției sale. La 13 ani după Michell, astronomul și matematicianul francez Laplace a prezentat (cel mai probabil independent de omologul său britanic) o teorie similară.

1915 Cu toate acestea, toate lucrările lor au rămas nerevendicate până la începutul secolului al XX-lea. În 1915, Albert Einstein a publicat Teoria Generală a Relativității și a arătat că gravitația este o curbură a spațiului-timp cauzată de materie, iar câteva luni mai târziu, astronomul și fizicianul teoretician german Karl Schwarzschild a folosit-o pentru a rezolva o problemă astronomică specifică. El a explorat structura spațiu-timp curbat în jurul Soarelui și a redescoperit fenomenul găurilor negre.

(John Wheeler a inventat termenul „găuri negre”)

1967 Fizicianul american John Wheeler a conturat un spațiu care poate fi mototolit, ca o bucată de hârtie, într-un punct infinitezimal și a desemnat termenul „Gaura Neagră”.

1974 Fizicianul britanic Stephen Hawking a demonstrat că găurile negre, deși înghit materie fără întoarcere, pot emite radiații și în cele din urmă se evaporă. Acest fenomen se numește „radiație Hawking”.

2013 Cele mai recente cercetări privind pulsari și quasari, precum și descoperirea radiației cosmice de fond cu microunde, au făcut în sfârșit posibilă descrierea conceptului de găuri negre. În 2013, norul de gaz G2 s-a apropiat foarte mult de gaura neagră și este probabil să fie absorbit de aceasta, observarea procesului unic oferă oportunități mari pentru noi descoperiri ale caracteristicilor găurii negre.

(Obiect masiv Săgetător A*, masa sa este de 4 milioane de ori mai mare decât Soarele, ceea ce implică un grup de stele și formarea unei găuri negre)

2017. Un grup de oameni de știință de la colaborarea Event Horizon Telescope din mai multe țări, care leagă opt telescoape din diferite puncte ale continentelor Pământului, au efectuat observații ale unei găuri negre, care este un obiect supermasiv și este situat în galaxia M87, constelația Fecioarei. Masa obiectului este de 6,5 miliarde (!) mase solare, de ori gigantice mai mare decât obiectul masiv Săgetător A *, spre comparație, diametrul este puțin mai mic decât distanța de la Soare la Pluto.

Observațiile au fost efectuate în mai multe etape, începând din primăvara anului 2017 și în perioadele anului 2018. Cantitatea de informații a fost calculată în petabytes, care apoi a trebuit să fie descifrată și să se obțină o imagine autentică a unui obiect ultra-depărtat. Prin urmare, a fost nevoie de încă doi ani întregi pentru a pre-scana toate datele și a le combina într-un singur întreg.

2019 Datele au fost decodificate cu succes și aduse la vedere, producând prima imagine a unei găuri negre.

(Prima imagine a unei găuri negre din galaxia M87 din constelația Fecioarei)

Rezoluția imaginii vă permite să vedeți umbra punctului fără întoarcere în centrul obiectului. Imaginea a fost obținută ca urmare a observațiilor interferometrice cu o linie de bază extra lungă. Acestea sunt așa-numitele observații sincrone ale unui obiect de la mai multe radiotelescoape, interconectate printr-o rețea și situate în diferite părți ale globului, îndreptate într-o singură direcție.

Ce sunt de fapt găurile negre?

O explicație laconică a fenomenului sună așa.

O gaură neagră este o regiune spațiu-timp a cărei atracție gravitațională este atât de puternică încât niciun obiect, inclusiv cuante de lumină, nu o poate părăsi.

O gaură neagră a fost cândva o stea masivă. Atâta timp cât reacțiile termonucleare mențin o presiune ridicată în intestine, totul rămâne normal. Dar, în timp, aprovizionarea cu energie se epuizează și corpul ceresc, sub influența propriei gravitații, începe să se micșoreze. Etapa finală a acestui proces este prăbușirea nucleului stelar și formarea unei găuri negre.

• 1. Ejectia unui jet de gaura neagra la viteza mare


• 2. Un disc de materie crește într-o gaură neagră


• 3. Gaură neagră


• 4. Schema detaliată a regiunii găurii negre


• 5. Dimensiunea noilor observații găsite

Cea mai comună teorie spune că există fenomene similare în fiecare galaxie, inclusiv în centrul Căii Lactee. Gravitația uriașă a găurii este capabilă să țină mai multe galaxii în jurul ei, împiedicându-le să se îndepărteze una de cealaltă. „Zona de acoperire” poate fi diferită, totul depinde de masa stelei care s-a transformat într-o gaură neagră și poate fi de mii de ani lumină.

raza Schwarzschild

Principala proprietate a unei găuri negre este că orice materie care intră în ea nu se poate întoarce niciodată. Același lucru este valabil și pentru lumină. În miezul lor, găurile sunt corpuri care absorb complet toată lumina care cade asupra lor și nu o emit pe a lor. Astfel de obiecte pot apărea vizual ca cheaguri de întuneric absolut.

• 1. Mișcarea materiei la jumătate din viteza luminii


• 2. Inel fotonic


• 3. Inel fotonic interior


• 4. Orizontul evenimentelor într-o gaură neagră

Pe baza Teoriei Generale a Relativității a lui Einstein, dacă un corp se apropie de o distanță critică de centrul găurii, nu se mai poate întoarce. Această distanță se numește raza Schwarzschild. Ce se întâmplă exact în această rază nu este cunoscut cu certitudine, dar există cea mai comună teorie. Se crede că toată materia unei găuri negre este concentrată într-un punct infinit de mic, iar în centrul său există un obiect cu densitate infinită, pe care oamenii de știință îl numesc o perturbare singulară.

Cum cade într-o gaură neagră

(În imagine, gaura neagră a Săgetător A * arată ca un grup de lumină extrem de strălucitor)

Nu cu mult timp în urmă, în 2011, oamenii de știință au descoperit un nor de gaz, dându-i numele simplu G2, care emite lumină neobișnuită. O astfel de strălucire poate da frecare în gaz și praf, cauzată de acțiunea găurii negre Săgetător A* și care se rotesc în jurul acesteia sub forma unui disc de acreție. Astfel, devenim observatori ai fenomenului uimitor al absorbției unui nor de gaz de către o gaură neagră supermasivă.

Potrivit unor studii recente, cea mai apropiată abordare a unei găuri negre va avea loc în martie 2014. Putem recrea o imagine a modului în care se va desfășura acest spectacol incitant.

• 1. Când apare pentru prima dată în date, un nor de gaz seamănă cu o minge uriașă de gaz și praf.


• 2. Acum, din iunie 2013, norul se află la zeci de miliarde de kilometri distanță de gaura neagră. Cade în el cu o viteză de 2500 km/s.


• 3. Se așteaptă ca norul să treacă de gaura neagră, dar forțele de maree cauzate de diferența de atracție care acționează asupra marginilor de început și de fugă ale norului vor face ca acesta să devină din ce în ce mai alungit.


• 4. După ce norul este spart, cel mai probabil se va alătura discului de acreție din jurul Săgetătorului A*, generând unde de șoc în el. Temperatura va crește la câteva milioane de grade.


• 5. O parte din nor va cădea direct în gaura neagră. Nimeni nu știe exact ce se va întâmpla cu această substanță, dar este de așteptat ca în procesul de cădere să emită fluxuri puternice de raze X și nimeni altcineva nu o va vedea.

Video: gaura neagră înghite un nor de gaz

(Simularea pe computer a cât de mult din norul de gaz G2 va fi distrus și consumat de gaura neagră Săgetător A*)

Ce se află în interiorul unei găuri negre

Există o teorie care susține că o gaură neagră în interior este practic goală, iar toată masa sa este concentrată într-un punct incredibil de mic situat în centrul ei - o singularitate.

Potrivit unei alte teorii care există de o jumătate de secol, tot ceea ce cade într-o gaură neagră intră într-un alt univers situat chiar în gaura neagră. Acum această teorie nu este cea principală.

Și există o a treia teorie, cea mai modernă și tenace, conform căreia tot ceea ce cade într-o gaură neagră se dizolvă în vibrațiile corzilor de pe suprafața ei, care este desemnată ca orizontul evenimentelor.

Deci, care este orizontul evenimentului? Este imposibil să privești într-o gaură neagră chiar și cu un telescop super-puternic, deoarece chiar și lumina, care pătrunde într-o pâlnie cosmică gigantică, nu are nicio șansă să iasă înapoi. Tot ceea ce poate fi luat în considerare cumva se află în imediata sa vecinătate.

Orizontul evenimentelor este o linie condiționată a suprafeței de sub care nimic (nici gaz, nici praf, nici stele, nici lumină) nu poate scăpa. Și acesta este punctul foarte misterios de neîntoarcere în găurile negre ale Universului.