Дата на публикуване: 27.09.2012 г

Повечето хора имат неясна или неправилна представа какво представляват черните дупки. Междувременно това са толкова глобални и мощни обекти на Вселената, в сравнение с които нашата планета и целият ни живот са нищо.

Същност

Това е космически обект с такава огромна гравитация, че поглъща всичко, което попадне в границите му. По същество черна дупкае обект, който дори не пропуска светлина и огъва пространство-времето. Дори времето се движи по-бавно в близост до черни дупки.

Всъщност съществуването на черни дупки е само теория (и малко практика). Учените имат предположения и практически опит, но все още не са успели да проучат отблизо черните дупки. Следователно черни дупки условно се наричат ​​всички обекти, които отговарят на това описание. Черните дупки са малко проучени и затова много въпроси остават неразрешени.

Всяка черна дупка има хоризонт на събитията - тази граница, след която нищо не може да избяга. Освен това, колкото по-близо е даден обект до черна дупка, толкова по-бавно се движи.

образование

Има няколко вида и метода за образуване на черни дупки:
- образуването на черни дупки в резултат на образуването на Вселената. Такива черни дупки са се появили веднага след Големия взрив.
- умиращи звезди. Когато една звезда загуби своята енергия и термоядрените реакции спрат, звездата започва да се свива. В зависимост от степента на компресия се разграничават неутронни звезди, бели джуджета и всъщност черни дупки.
- получени чрез експеримент. Например, квантова черна дупка може да бъде създадена в колайдер.

Версии

Много учени са склонни да вярват, че черните дупки изхвърлят цялата абсорбирана материя другаде. Тези. Трябва да има „бели дупки“, които работят на различен принцип. Ако можете да влезете в черна дупка, но не можете да излезете, тогава, напротив, не можете да влезете в бяла дупка. Основният аргумент на учените са резките и мощни изблици на енергия, регистрирани в космоса.

Привържениците на теорията на струните като цяло създадоха свой собствен модел на черна дупка, която не унищожава информацията. Тяхната теория се нарича „Fuzzball“ – позволява ни да отговорим на въпроси, свързани със сингулярността и изчезването на информацията.

Какво е сингулярност и изчезване на информация? Сингулярността е точка в пространството, характеризираща се с безкрайно налягане и плътност. Много хора са объркани от факта на сингулярността, защото физиците не могат да работят с безкрайни числа. Мнозина са сигурни, че в черна дупка има сингулярност, но нейните свойства са описани много повърхностно.

Ако говорим на прост език, тогава всички проблеми и недоразумения излизат непропорционално квантова механикаи гравитацията. Засега учените не могат да създадат теория, която да ги обедини. И затова възникват проблеми с черна дупка. В края на краищата черната дупка изглежда унищожава информацията, но в същото време се нарушават основите на квантовата механика. Въпреки че съвсем наскоро С. Хокинг сякаш беше решил този въпрос, заявявайки, че информацията в черните дупки все пак не се унищожава.

Стереотипи

Първо, черните дупки не могат да съществуват безкрайно. И всичко това благодарение на изпарението на Хокинг. Следователно не е нужно да мислим, че черните дупки рано или късно ще погълнат Вселената.

Второ, нашето Слънце няма да се превърне в черна дупка. Тъй като масата на нашата звезда няма да е достатъчна. Нашето слънце скоро ще се превърне в бяло джудже(и това не е факт).

Трето, Големият адронен колайдер няма да унищожи нашата Земя чрез създаване на черна дупка. Дори ако умишлено създадат черна дупка и я „освободят“, тогава поради малкия си размер тя ще погълне нашата планета за много, много дълго време.

Четвърто, не е нужно да мислите, че черната дупка е „дупка“ в космоса. Черната дупка е сферичен обект. Оттук и повечето мнения, че черните дупки водят до паралелна Вселена. Този факт обаче все още не е доказан.

Пето, черната дупка няма цвят. Открива се или от рентгеново лъчение, или на фона на други галактики и звезди (ефект на лещата).

Поради факта, че хората често бъркат черните дупки с дупките на червеи (които всъщност съществуват), някои обикновени хоратези понятия не се различават. Червеевата дупка наистина ви позволява да се движите в пространството и времето, но засега само на теория.

Сложни неща с прости думи

Трудно е да се опише такова явление като черна дупка на прост език. Ако се смятате за технолог, който разбира точни науки, тогава ви съветвам да четете директно трудовете на учените. Ако искате да научите повече за този феномен, тогава прочетете произведенията на Стивън Хокинг. Той направи много за науката и особено в областта на черните дупки. Изпарението на черните дупки е кръстено на него. Той е привърженик на педагогическия подход и затова всичките му произведения ще бъдат разбираеми дори за обикновения човек.

Книги:
- “Черни дупки и млади вселени” 1993г.
- „Светът накратко 2001 г.“
- « Кратка историяВселена 2005"

Особено искам да препоръчам неговите научно-популярни филми, които ще ви разкажат на ясен език не само за черните дупки, но и за Вселената като цяло:
- “Вселената на Стивън Хокинг” - серия от 6 епизода.
- “Дълбоко във Вселената със Стивън Хокинг” - серия от 3 епизода.
Всички тези филми са преведени на руски и често се показват по каналите на Discovery.

Благодаря ви за вниманието!


Последни съветираздел "Наука и технологии":

Този съвет помогна ли ви?Можете да подпомогнете проекта, като дарите всяка сума по ваша преценка за неговото развитие. Например 20 рубли. Или повече :)

Черните дупки са единствените космически тела, способни да привличат светлина чрез гравитация. Те са и най-големите обекти във Вселената. Малко вероятно е да разберем какво се случва в близост до техния хоризонт на събитията (известен като „точката от която няма връщане“) в скоро време. Това са най-мистериозните места в нашия свят, за които, въпреки десетилетия изследвания, все още се знае много малко. Тази статия съдържа 10 факта, които могат да бъдат наречени най-интригуващите.

Черните дупки не засмукват материята в себе си

Много хора си представят черната дупка като вид „космическа прахосмукачка“, рисуваща в околното пространство. Всъщност черните дупки са обикновени космически обекти, които имат изключително силно гравитационно поле.

Ако на мястото на Слънцето възникне черна дупка със същия размер, Земята няма да бъде притеглена, а ще се върти в същата орбита, както днес. Звездите, разположени до черни дупки, губят част от масата си под формата на звезден вятър (това се случва по време на съществуването на всяка звезда) и черните дупки абсорбират само тази материя.

Съществуването на черни дупки е предсказано от Карл Шварцшилд

Карл Шварцшилд е първият, който използва теорията на Айнщайн за общата теория на относителността, за да докаже съществуването на „точка без връщане“. Самият Айнщайн не е мислил за черни дупки, въпреки че неговата теория предсказва тяхното съществуване.

Шварцшилд прави своето предложение през 1915 г., веднага след като Айнщайн публикува своята обща теория на относителността. Тогава възниква терминът "радиус на Шварцшилд" - това е стойност, която показва колко трябва да компресирате обект, за да се превърне в черна дупка.

Теоретично всичко може да се превърне в черна дупка, ако се компресира достатъчно. Колкото по-плътен е обектът, толкова по-силно е гравитационното поле, което създава. Например, Земята би се превърнала в черна дупка, ако имаше масата на обект с размерите на фъстък.

Черните дупки могат да раждат нови вселени


Идеята, че черните дупки могат да раждат нови вселени, изглежда абсурдна (особено след като все още не сме сигурни в съществуването на други вселени). Въпреки това учените активно развиват такива теории.

Една много опростена версия на една от тези теории е следната. Нашият свят има изключително благоприятни условия за възникване на живот в него. Ако някоя от физическите константи се промени дори само малко, ние нямаше да сме на този свят. Сингулярността на черните дупки отменя нормалните закони на физиката и може (поне на теория) да доведе до нова вселена, която ще бъде различна от нашата.

Черните дупки могат да превърнат вас (и всичко друго) в спагети


Черните дупки разтягат обекти, които са близо до тях. Тези предмети започват да приличат на спагети (има дори специален термин- "спагетификация").

Това се случва поради начина, по който работи гравитацията. IN настоящ моменткраката ви са по-близо до центъра на Земята, отколкото главата ви, така че те се привличат по-силно. На повърхността на черна дупка разликата в гравитацията започва да работи срещу вас. Краката се изтеглят към центъра на черната дупка все по-бързо и по-бързо, така че горната половина на тялото не може да се справи с тях. Резултат: спагетизиране!

Черните дупки се изпаряват с времето


Черните дупки не само поглъщат звездния вятър, но и се изпаряват. Това явление е открито през 1974 г. и е наречено радиация на Хокинг (на името на Стивън Хокинг, който прави откритието).

С течение на времето черната дупка може да освободи цялата си маса в околното пространство заедно с това излъчване и да изчезне.

Черните дупки забавят времето близо до тях


С наближаването на хоризонта на събитията времето се забавя. За да разберем защо се случва това, трябва да разгледаме „парадокса на близнаците“, мисловен експеримент, често използван за илюстриране на основните принципи на теорията на общата теория на относителността на Айнщайн.

Единият от братята близнаци остава на Земята, а вторият лети към пътуване в космоса, движейки се със скоростта на светлината. Близнак, който се завръща на Земята, открива, че брат му е остарял повече от него, защото докато пътува със скорост, близка до светлината, времето минавапо-бавно.

Когато се приближите до хоризонта на събитията на черна дупка, ще се движите с такава скорост висока скоростче времето ще се забави за вас.

Черните дупки са най-напредналите енергийни системи


Черните дупки генерират енергия по-добре от Слънцето и другите звезди. Това се дължи на обикалящата около тях материя. Преминавайки хоризонта на събитията с огромна скорост, материята в орбитата на черната дупка се нагрява до изключително високи температури. Това се нарича излъчване на черно тяло.

За сравнение кога ядрен синтез 0,7% от материята се превръща в енергия. В близост до черна дупка 10% от материята се превръща в енергия!

Черните дупки огъват пространството около себе си

Пространството може да се разглежда като опъната гумена плоча с линии, начертани върху нея. Ако поставите обект върху записа, той ще промени формата си. Черните дупки работят по същия начин. Изключителната им маса привлича всичко, включително светлината (лъчите на която, за да продължим аналогията, можем да наречем линии върху чиния).

Черните дупки ограничават броя на звездите във Вселената


Звездите възникват от газови облаци. За да започне образуването на звезди, облакът трябва да се охлади.

Излъчването от черни тела предотвратява охлаждането на газовите облаци и предотвратява появата на звезди.

Теоретично всеки обект може да се превърне в черна дупка


Единствената разлика между нашето Слънце и черна дупка е силата на гравитацията. В центъра на черна дупка е много по-силен, отколкото в центъра на звезда. Ако нашето Слънце беше компресирано до около пет километра в диаметър, то можеше да бъде черна дупка.

Теоретично всичко може да се превърне в черна дупка. На практика знаем, че черните дупки възникват само в резултат на колапса на огромни звезди, които надвишават Слънцето по маса 20-30 пъти.

Мистериозни и неуловими черни дупки. Законите на физиката потвърждават възможността за съществуването им във Вселената, но все още остават много въпроси. Многобройни наблюдения показват, че във Вселената съществуват дупки и има повече от един милион от тези обекти.

Какво представляват черните дупки?

Още през 1915 г. при решаването на уравненията на Айнщайн е предсказано явлението "черни дупки". Въпреки това научна общностЗапочнах да се интересувам от тях едва през 1967 г. Тогава те бяха наречени „срутени звезди“, „замръзнали звезди“.

В наши дни черната дупка е област от време и пространство, която има такава гравитация, че дори лъч светлина не може да избяга от нея.

Как се образуват черните дупки?

Има няколко теории за появата на черни дупки, които се делят на хипотетични и реалистични. Най-простата и най-разпространената реалистична е теорията за гравитационния колапс на големи звезди.

Когато достатъчно масивна звезда, преди „смъртта“, нараства по размер и става нестабилна, изразходвайки последното си гориво. В същото време масата на звездата остава непроменена, но нейният размер намалява, тъй като настъпва така нареченото уплътняване. С други думи, когато се уплътни, тежкото ядро ​​"пада" в себе си. Успоредно с това уплътняването води до рязко повишаване на температурата вътре в звездата и външните слоеве на небесното тяло се разкъсват, от които се образуват нови звезди. В същото време в центъра на звездата ядрото попада в собствения си „център“. В резултат на действието на гравитационните сили центърът се срутва до точка - тоест гравитационните сили са толкова силни, че поглъщат уплътненото ядро. Така се ражда черна дупка, която започва да изкривява пространството и времето, така че дори светлината да не може да излезе от нея.

В центъра на всички галактики има свръхмасивна черна дупка. Според теорията на относителността на Айнщайн:

„Всяка маса изкривява пространството и времето.“

А сега си представете колко черна дупка изкривява времето и пространството, защото нейната маса е огромна и в същото време е събрана в ултрамалък обем. Тази способност причинява следната странност:

„Черните дупки имат способността практически да спират времето и да компресират пространството. Поради това изключително изкривяване, дупките стават невидими за нас.

Ако черните дупки не се виждат, как да знаем, че съществуват?

Да, въпреки че черната дупка е невидима, тя трябва да бъде забележима поради материята, която попада в нея. Освен звездния газ, който се привлича от черна дупка, когато се приближи до хоризонта на събитията, температурата на газа започва да се повишава до свръхвисоки стойности, което води до сияние. Ето защо черните дупки светят. Благодарение на това, макар и слабо сияние, астрономите и астрофизиците обясняват присъствието в центъра на галактиката на обект с малък обем, но огромна маса. IN в моментаВ резултат на наблюденията са открити около 1000 обекта, които по поведение са подобни на черните дупки.

Черни дупки и галактики

Как черните дупки могат да влияят на галактиките? Този въпрос измъчва учени от цял ​​свят. Съществува хипотеза, според която черните дупки, разположени в центъра на галактиката, влияят на нейната форма и еволюция. И че когато две галактики се сблъскат, черните дупки се сливат и по време на този процес такива огромно количествоенергия и материя, че се образуват нови звезди.

Видове черни дупки

  • Според съществуваща теория, има три вида черни дупки: звездни, свръхмасивни, миниатюрни. И всеки от тях е оформен по специален начин.
  • - Черни дупки от звездни маси, нарастват до огромни размери и се срутват.
    - Свръхмасивни черни дупки, които могат да имат маса, еквивалентна на милиони слънца, вероятно съществуват в центровете на почти всички галактики, включително нашия Млечен път. Учените все още имат различни хипотези за образуването на свръхмасивни черни дупки. Засега се знае само едно - свръхмасивните черни дупки са страничен продукт от образуването на галактики. Свръхмасивни черни дупки - те се различават от обикновените по това, че имат много голям размер, но парадоксално ниска плътност.
  • - Все още никой не е успял да открие миниатюрна черна дупка, която би имала маса по-малка от Слънцето. Възможно е миниатюрни дупки да са се образували малко след „Големия взрив“, който е точното начало на съществуването на нашата Вселена (преди около 13,7 милиарда години).
  • - Съвсем наскоро беше въведено ново понятие като „бели черни дупки“. Това все още е хипотетична черна дупка, която е обратното на черна дупка. Стивън Хокинг активно изучава възможността за съществуването на бели дупки.
  • - Квантовите черни дупки - засега съществуват само на теория. Квантовите черни дупки могат да се образуват, когато свръхмалки частици се сблъскат в резултат на ядрена реакция.
  • - Първичните черни дупки също са теория. Те са се образували веднага след възникването им.

В момента съществува голям бройотворени въпроси, на които бъдещите поколения тепърва ще отговарят. Например, могат ли наистина да съществуват така наречените „червееви дупки“, с помощта на които човек може да пътува през пространството и времето. Какво точно се случва вътре в черна дупка и на какви закони се подчиняват тези явления. А какво да кажем за изчезването на информация в черна дупка?

Черните дупки са може би най-мистериозните и енигматични астрономически обекти в нашата Вселена и привличат внимание от откриването им. експертии вълнуват въображението на писателите на научна фантастика. Какво представляват черните дупки и какво представляват? Черните дупки са изчезнали звезди, поради тяхната физически характеристики, имащи толкова висока плътност и толкова мощна гравитация, че дори светлината не може да излезе отвъд тях.

История на откриването на черните дупки

За първи път теоретичното съществуване на черни дупки, много преди действителното им откриване, беше предложено от някой си Д. Мишел (английски свещеник от графство Йоркшир, който се интересува от астрономия в свободното си време) през 1783 г. Според неговите изчисления, ако вземем нашата и я компресираме (на съвременен компютърен език, архивираме) до радиус от 3 км, ще се образува толкова голяма (просто огромна) гравитационна сила, че дори светлината няма да може да я напусне . Така се появи понятието „черна дупка“, въпреки че всъщност тя изобщо не е черна, по-подходящо би било понятието „тъмна дупка“, тъй като се получава именно липсата на светлина.

По-късно, през 1918 г., великият учен Алберт Айнщайн пише за проблема с черните дупки в контекста на теорията на относителността. Но едва през 1967 г., благодарение на усилията на американския астрофизик Джон Уилър, концепцията за черните дупки най-накрая спечели място в академичните среди.

Както и да е, Д. Мишел, Алберт Айнщайн и Джон Уилър в своите трудове допускат само теоретичното съществуване на тези мистериозни небесни обекти в космическото пространствоИстинското откритие на черните дупки обаче се състоя през 1971 г., когато за първи път бяха видени през телескоп.

Ето как изглежда една черна дупка.

Как се образуват черни дупки в космоса

Както знаем от астрофизиката, всички звезди (включително нашето Слънце) имат ограничен запас от гориво. И въпреки че животът на една звезда може да продължи милиарди светлинни години, рано или късно този условен запас от гориво свършва и звездата „изгасва“. Процесът на "избледняване" на звезда е придружен от интензивни реакции, по време на които звездата претърпява значителна трансформация и в зависимост от размера си може да се превърне в бяло джудже, неутронна звезда или черна дупка. Освен това най-големите звезди с невероятно впечатляващи размери обикновено се превръщат в черна дупка - поради компресията на тези много невероятен размерима многократно увеличаване на масата и гравитационната сила на новообразуваната черна дупка, която се превръща в своеобразна галактическа прахосмукачка – поглъща всичко и всички около себе си.

Черна дупка поглъща звезда.

Малка забележка - нашето Слънце по галактически стандарти изобщо не е голяма звезда и след изчезването му, което ще се случи след около няколко милиарда години, най-вероятно няма да се превърне в черна дупка.

Но нека бъдем честни с вас - днес учените все още не знаят всички тънкости на образуването на черна дупка, несъмнено това е изключително сложен астрофизичен процес, който сам по себе си може да продължи милиони светлинни години. Въпреки че е възможно да се напредне в тази посока, може да бъде откриването и последващото изследване на така наречените междинни черни дупки, тоест звезди в състояние на изчезване, в които протича активният процес на образуване на черни дупки. Между другото, подобна звезда беше открита от астрономите през 2014 г. в ръкава на спирална галактика.

Колко черни дупки има във Вселената?

Според теориите на съвременните учени в нашата галактика млечен пътМоже да има до стотици милиони черни дупки. Не по-малко може да има и в съседната ни галактика, до която няма какво да летим от нашия Млечен път - 2,5 милиона светлинни години.

Теория за черните дупки

Въпреки огромната маса (която е стотици хиляди пъти по-голяма от масата на нашето Слънце) и невероятната сила на гравитацията, не беше лесно да се видят черните дупки през телескоп, защото те изобщо не излъчват светлина. Учените успяха да забележат черната дупка само в момента на нейното „хранене“ - поглъщане на друга звезда, в този момент се появява характерно излъчване, което вече може да се наблюдава. Така теорията за черната дупка намери действително потвърждение.

Свойства на черните дупки

Основното свойство на черната дупка са нейните невероятни гравитационни полета, които не позволяват на околното пространство и време да останат в своите собствени. нормално състояние. Да, чухте правилно, времето в черна дупка минава много пъти по-бавно от обикновено и ако сте били там, тогава, когато се върнете обратно (ако сте имали толкова късмет, разбира се), ще бъдете изненадани да забележите, че са минали векове на Земята, а вие дори не сте остарели, за да сте успели навреме. Въпреки че нека бъдем честни, ако бяхте вътре в черна дупка, едва ли бихте оцелели, тъй като силата на гравитацията там е такава, че всеки материален обект просто би бил разкъсан, дори не на парчета, а на атоми.

Но ако бяхте дори близо до черна дупка, под въздействието на нейното гравитационно поле, също бихте имали трудности, тъй като колкото повече се съпротивлявате на нейната гравитация, опитвайки се да отлетите, толкова по-бързо ще паднете в нея. Причината за този привидно парадокс е гравитационното вихрово поле, което притежават всички черни дупки.

Ами ако човек попадне в черна дупка

Изпарение на черни дупки

Английският астроном С. Хокинг откри интересен факт: Черните дупки също изглежда излъчват изпарение. Вярно е, че това се отнася само за дупки с относително малка маса. Мощната гравитация около тях ражда двойки частици и античастици, едната от двойката се изтегля от дупката, а втората се изхвърля навън. Така черната дупка излъчва твърди античастици и гама-лъчи. Това изпарение или излъчване от черна дупка е кръстено на учения, който го е открил - „лъчението на Хокинг“.

Най-голямата черна дупка

Според теорията за черните дупки в центъра на почти всички галактики има огромни черни дупки с маси от няколко милиона до няколко милиарда слънчеви маси. И сравнително наскоро учените откриха двете най-големи черни дупки, известни до момента; те се намират в две близки галактики: NGC 3842 и NGC 4849.

NGC 3842 е най-ярката галактика в съзвездието Лъв, разположена на 320 милиона светлинни години. В центъра му има огромна черна дупка с тегло 9,7 милиарда слънчеви маси.

NGC 4849, галактика в клъстера Кома, на 335 милиона светлинни години от нас, може да се похвали със също толкова впечатляваща черна дупка.

Гравитационното поле на тези гигантски черни дупки, или казано на академичен език, техният хоризонт на събитията, е приблизително 5 пъти разстоянието от Слънцето до! Такава черна дупка би ни изяла слънчева системаи дори не бих се задавил.

Най-малката черна дупка

Но в огромното семейство на черните дупки има и много малки представители. По този начин най-малката черна дупка, открита от учените до момента, е само 3 пъти по-голяма от масата на нашето Слънце. Всъщност това е теоретичният минимум, необходим за образуването на черна дупка; ако тази звезда беше малко по-малка, дупката нямаше да се образува.

Черните дупки са канибали

Да, има такъв феномен, както писахме по-горе, черните дупки са един вид „галактически прахосмукачки“, които поглъщат всичко около себе си, включително... други черни дупки. Наскоро астрономите откриха, че черна дупка от една галактика е била изядена от още по-голям черен лакомник от друга галактика.

  • Според хипотезите на някои учени черните дупки са не само галактически прахосмукачки, всмукващи всичко в себе си, но при определени обстоятелства те сами могат да раждат нови вселени.
  • Черните дупки могат да се изпарят с времето. По-горе написахме, че английският учен Стивън Хокинг открива, че черните дупки имат свойството да излъчват и след много дълъг период от време, когато наоколо няма какво да абсорбира, черната дупка ще започне да се изпарява повече, докато с течение на времето даде вдига цялата си маса в околното пространство. Въпреки че това е само предположение, хипотеза.
  • Черните дупки забавят времето и огъват пространството. Вече писахме за разширяването на времето, но пространството в условията на черна дупка също ще бъде напълно извито.
  • Черните дупки ограничават броя на звездите във Вселената. А именно техните гравитационни полета възпрепятстват охлаждането на газовите облаци в космоса, от които, както е известно, се раждат нови звезди.

Черни дупки по Discovery Channel, видео

И в заключение ви предлагаме един интересен научен документален филм за черните дупки от Discovery Channel

С. ТРЪНКОВСКИ

Сред най-важните и интересни проблеми съвременна физикаи астрофизика, акад. В. Л. Гинзбург назова въпроси, свързани с черните дупки (виж „Наука и живот” № 11, 12, 1999 г.). Съществуването на тези странни обекти е предсказано преди повече от двеста години, условията, довели до тяхното образуване, са прецизно изчислени в края на 30-те години на 20-ти век, а астрофизиката започва сериозно да ги изучава преди по-малко от четиридесет години. Днес научни списанияВсяка година по света се публикуват хиляди статии за черните дупки.

Образуването на черна дупка може да се случи по три начина.

Така е прието да се изобразяват процесите, протичащи в близост до колабираща черна дупка. С течение на времето (Y), пространството (X) около него (сенчестата област) се свива, бързайки към сингулярността.

Гравитационното поле на черна дупка внася сериозни изкривявания в геометрията на пространството.

Черна дупка, невидима през телескоп, се разкрива само чрез гравитационното си влияние.

В мощното гравитационно поле на черна дупка се раждат двойки частица-античастица.

Раждането на двойка частица-античастица в лабораторията.

КАК ВЪЗНИКВАТ

Светещ небесно тяло, с плътност, еднаква плътностЗемята, с диаметър двеста и петдесет пъти по-голям от диаметъра на Слънцето, поради силата на своята гравитация, няма да позволи на светлината си да достигне до нас. Така е възможно най-големите светещи тела във Вселената да останат невидими именно поради размера си.
Пиер Симон Лаплас.
Изложение на световната система. 1796 г

През 1783 г. английският математик Джон Мичъл, а тринадесет години по-късно, независимо от него, френският астроном и математик Пиер Симон Лаплас, провеждат много странно изследване. Те разгледаха условията, при които светлината не би могла да избяга от звездата.

Логиката на учените била проста. За всеки астрономически обект (планета или звезда) можете да изчислите така наречената скорост на бягство или секунда евакуационна скорост, което позволява на всяко тяло или частица да го напусне завинаги. А във физиката от онова време властва теорията на Нютон, според която светлината е поток от частици (преди теорията електромагнитни вълнии квантите останаха почти сто и петдесет години). Скоростта на бягство на частиците може да се изчисли въз основа на равенството на потенциалната енергия на повърхността на планетата и кинетичната енергия на тяло, което е „избягало“ на безкрайно голямо разстояние. Тази скорост се определя по формулата #1#

Къде М- масата на космическия обект, Р- неговият радиус, Ж- гравитационна константа.

От това можем лесно да получим радиуса на тяло с дадена маса (по-късно наречен "гравитационен радиус" r g"), при която скоростта на бягство е равна на скоростта на светлината:

Това означава, че една звезда е компресирана в сфера с радиус rж< 2GM/c 2 ще спре да излъчва - светлината няма да може да го напусне. Във Вселената ще се появи черна дупка.

Лесно е да се изчисли, че Слънцето (неговата маса е 2,1033 g) ще се превърне в черна дупка, ако се свие до радиус от приблизително 3 километра. Плътността на веществото му ще достигне 10 16 g/cm 3 . Радиусът на Земята, компресирана в черна дупка, би намалял до около един сантиметър.

Изглеждаше невероятно, че в природата може да има сили, способни да компресират звезда до толкова незначителен размер. Следователно изводите от трудовете на Мичъл и Лаплас се считат повече от сто години за нещо като математически парадокс, който няма физически смисъл.

Едва през 1916 г. е получено строго математическо доказателство, че подобен екзотичен обект в космоса е възможен. Германският астроном Карл Шварцшилд, след като анализира уравненията на общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, получи интересен резултат. След като изучава движението на частица в гравитационното поле на масивно тяло, той стига до извода: уравнението губи физически смисъл(решението му отива до безкрайност), когато r= 0 и r = rж.

Точките, в които характеристиките на полето губят смисъл, се наричат ​​сингулярни, т.е. специални. Сингулярността в нулевата точка отразява точково или, което е едно и също нещо, централно симетрична структура на полето (в крайна сметка всяко сферично тяло - звезда или планета - може да бъде представено като материална точка). И точки, разположени върху сферична повърхност с радиус r g, образуват самата повърхност, от която скоростта на бягство е равна на скоростта на светлината. В общата теория на относителността се нарича сингулярна сфера на Шварцшилд или хоризонт на събитията (защо ще стане ясно по-късно).

Вече въз основа на примера на познатите ни обекти - Земята и Слънцето - става ясно, че черните дупки са много странни обекти. Дори астрономите, които се занимават с материя при екстремни стойности на температура, плътност и налягане, ги смятат за много екзотични и доскоро не всички вярваха в тяхното съществуване. Но първите индикации за възможността за образуване на черни дупки вече се съдържат в общата теория на относителността на А. Айнщайн, създадена през 1915 г. Английският астроном Артър Едингтън, един от първите тълкуватели и популяризатори на теорията на относителността, през 30-те години извежда система от уравнения, описващи вътрешна структуразвезди От тях следва, че звездата е в равновесие под въздействието на противоположно насочени гравитационни сили и вътрешно налягане, създадено от движението на горещи плазмени частици вътре в звездата и налягането на радиацията, генерирана в нейните дълбини. Това означава, че звездата е газова топка, в центъра на която висока температура, като постепенно намалява към периферията. От уравненията, по-специално, следва, че температурата на повърхността на Слънцето е около 5500 градуса (което напълно съответства на данните от астрономическите измервания), а в центъра му трябва да бъде около 10 милиона градуса. Това позволи на Едингтън да направи пророческо заключение: при тази температура „запалва“ термоядрена реакция, достатъчна, за да осигури сиянието на Слънцето. Атомните физици от онова време не са съгласни с това. Струваше им се, че в дълбините на звездата е твърде „студено“: температурата там не беше достатъчна, за да „тръгне“ реакцията. На това разгневеният теоретик отговорил: „Търсете по-горещо място!“

И в крайна сметка той се оказа прав: в центъра на звездата наистина се случва термоядрена реакция (друго нещо е, че т.нар. соларен модел“, въз основа на идеи за термоядрен синтез, очевидно се оказа невярно - виж например "Наука и живот" № 2, 3, 2000 г.). Но въпреки това протича реакция в центъра на звездата, звездата свети и възникващата радиация я поддържа в стабилно състояние. Но ядреното „гориво“ в звездата изгаря. Освобождаването на енергия спира, радиацията изчезва и силата, ограничаваща гравитационното привличане, изчезва. Има ограничение на масата на една звезда, след което звездата започва да се свива необратимо. Изчисленията показват, че това се случва, ако масата на звездата надвишава две до три слънчеви маси.

ГРАВИТАЦИОНЕН КОЛАПС

Първоначално скоростта на свиване на звездата е малка, но скоростта й непрекъснато се увеличава, тъй като силата на гравитацията е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието. Компресията става необратима; няма сили, способни да противодействат на собствената гравитация. Този процес се нарича гравитационен колапс. Скоростта на движение на обвивката на звездата към центъра се увеличава, доближавайки се до скоростта на светлината. И тук ефектите от теорията на относителността започват да играят роля.

Скоростта на бягство е изчислена въз основа на идеите на Нютон за природата на светлината. От гледна точка на общата теория на относителността, явленията в близост до колабираща звезда се случват малко по-различно. В нейното мощно гравитационно поле възниква така нареченото гравитационно червено изместване. Това означава, че честотата на излъчване, идващо от масивен обект, се измества към по-ниски честоти. В границата, на границата на сферата на Шварцшилд, честотата на излъчване става нула. Тоест наблюдател, който се намира извън него, няма да може да разбере нищо за случващото се вътре. Ето защо сферата на Шварцшилд се нарича хоризонт на събитията.

Но намаляването на честотата е равно на забавяне на времето и когато честотата стане нула, времето спира. Това означава, че външен наблюдател ще види много странна картина: черупката на звезда, падаща с нарастващо ускорение, спира, вместо да достигне скоростта на светлината. От негова гледна точка, компресията ще спре веднага щом размерът на звездата се доближи до гравитационния
usu. Той никога няма да види дори една частица да се „гмурка“ под сферата на Шварцшиел. Но за хипотетичен наблюдател, попаднал в черна дупка, всичко ще свърши за няколко мига на часовника му. По този начин времето за гравитационен колапс на звезда с размерите на Слънцето ще бъде 29 минути, а много по-плътна и компактна неутронна звезда ще отнеме само 1/20 000 от секундата. И тук той се сблъсква с проблеми, свързани с геометрията на пространство-времето близо до черна дупка.

Наблюдателят се озовава в извито пространство. В близост до гравитационния радиус гравитационните сили стават безкрайно големи; разтягат ракетата с астронавта-наблюдател в безкрайно тънка нишка с безкрайна дължина. Но самият той няма да забележи това: всичките му деформации ще съответстват на изкривяванията на пространствено-времевите координати. Тези съображения, разбира се, се отнасят до идеален, хипотетичен случай. Всяко истинско тяло ще бъде разкъсано от приливни сили много преди да се доближи до сферата на Шварцшилд.

РАЗМЕРИ НА ЧЕРНИТЕ ДУПКИ

Размерът на черната дупка или по-точно радиусът на сферата на Шварцшилд е пропорционален на масата на звездата. И тъй като астрофизиката не налага никакви ограничения върху размера на звездата, черната дупка може да бъде произволно голяма. Ако, например, възникне по време на колапса на звезда с маса от 10 8 слънчеви маси (или поради сливането на стотици хиляди или дори милиони сравнително малки звезди), нейният радиус ще бъде около 300 милиона километра, двойно по-голям земна орбита. А средната плътност на веществото на такъв гигант е близка до плътността на водата.

Очевидно това са черните дупки, които се намират в центровете на галактиките. Във всеки случай астрономите днес преброяват около петдесет галактики, в центровете на които, съдейки по косвени доказателства (обсъдени по-долу), има черни дупки с маса около милиард (10 9) слънчеви. Нашата Галактика също очевидно има своя собствена черна дупка; Масата му беше оценена доста точно - 2,4. 10 6 ±10% от масата на Слънцето.

Теорията предполага, че наред с такива свръхгиганти трябва да възникнат и черни минидупки с маса около 10 14 g и радиус около 10 -12 cm (размера на атомно ядро). Те биха могли да се появят в първите моменти от съществуването на Вселената като проява на много силна нехомогенност на пространство-времето с колосална енергийна плътност. Условията, които са съществували във Вселената тогава, сега се осъзнават от изследователи в мощни колайдери (ускорители, използващи сблъскващи се лъчи). Експериментите в CERN по-рано тази година произведоха кварк-глуонна плазма, материя, която е съществувала преди създаването на елементарни частици. Изследванията на това състояние на материята продължават в Brookhaven, американския ускорителен център. Той е способен да ускорява частици до енергии с един и половина до два порядъка по-високи от ускорителя в
ЦЕРН. Предстоящият експеримент предизвика сериозно безпокойство: ще създаде ли мини-черна дупка, която ще огъне нашето пространство и ще унищожи Земята?

Този страх отекна толкова силно, че правителството на САЩ беше принудено да свика авторитетна комисия, която да проучи тази възможност. Комисия, състояща се от видни изследователи, стигна до заключението: енергията на ускорителя е твърде ниска, за да възникне черна дупка (този експеримент е описан в списание Science and Life, № 3, 2000 г.).

КАК ДА ВИДИМ НЕВИДИМОТО

Черните дупки не излъчват нищо, дори светлина. Астрономите обаче са се научили да ги виждат или по-скоро да намират „кандидати“ за тази роля. Има три начина за откриване на черна дупка.

1. Необходимо е да се следи въртенето на звездите в клъстери около определен център на тежестта. Ако се окаже, че в този център няма нищо и звездите сякаш се въртят около празно пространство, можем да кажем съвсем уверено: в тази „празнота“ има черна дупка. Именно на тази основа беше допуснато наличието на черна дупка в центъра на нашата Галактика и беше оценена нейната маса.

2. Черна дупка активно засмуква материя в себе си от околното пространство. Междузвезден прах, газ и материя от близките звезди падат върху него в спирала, образувайки така наречения акреционен диск, подобен на пръстена на Сатурн. (Именно това е плашилото в експеримента Брукхейвън: мини-черна дупка, появила се в ускорителя, ще започне да засмуква Земята в себе си и този процес не може да бъде спрян от никаква сила.) Приближавайки се до сферата на Шварцшилд, частиците изпитват ускорение и започват да излъчват в рентгеновия диапазон. Това излъчване има характерен спектър, подобен на добре проученото излъчване на частици, ускорени в синхротрон. И ако такова лъчение идва от някой регион на Вселената, можем да кажем с увереност, че там трябва да има черна дупка.

3. Когато две черни дупки се слеят, възниква гравитационно излъчване. Изчислено е, че ако масата на всеки е около десет слънчеви маси, тогава когато се слеят за няколко часа, енергия, еквивалентна на 1% от общата им маса, ще бъде освободена под формата на гравитационни вълни. Това е хиляда пъти повече от светлината, топлината и другата енергия, която Слънцето е излъчвало през цялото си съществуване - пет милиарда години. Те се надяват да открият гравитационно лъчение с помощта на обсерваториите за гравитационни вълни LIGO и други, които сега се изграждат в Америка и Европа с участието на руски изследователи (виж "Наука и живот" № 5, 2000 г.).

И все пак, въпреки че астрономите не се съмняват в съществуването на черни дупки, никой не смее категорично да твърди, че точно една от тях се намира в дадена точка от пространството. Научната етика и почтеността на изследователя изискват недвусмислен отговор на поставения въпрос, който не търпи противоречия. Не е достатъчно да се оцени масата на невидим обект; трябва да се измери неговият радиус и да се покаже, че той не надвишава радиуса на Шварцшилд. И дори в нашата Галактика този проблем все още не е разрешим. Ето защо учените проявяват известна сдържаност в докладването на откритието си, а научните списания са буквално пълни с доклади за теоретична работа и наблюдения на ефекти, които могат да хвърлят светлина върху тяхната мистерия.

Черните дупки обаче имат още едно свойство, теоретично предвидено, което може да направи възможно тяхното виждане. Но при едно условие обаче: масата на черната дупка трябва да бъде много по-малка от масата на Слънцето.

ЧЕРНАТА ДУПКА СЪЩО МОЖЕ ДА БЪДЕ „БЯЛА“

Дълго време черните дупки се смятаха за въплъщение на тъмнината, обекти, които във вакуум, при липса на абсорбция на материя, не излъчват нищо. Въпреки това през 1974 г. известният английски теоретик Стивън Хокинг показа, че на черните дупки може да се присвои температура и следователно трябва да излъчват.

Според концепциите на квантовата механика, вакуумът не е празнота, а нещо като „пяна от пространство-време“, смесица от виртуални (ненаблюдаеми в нашия свят) частици. Флуктуациите на квантовата енергия обаче могат да „изхвърлят“ двойка частица-античастица от вакуума. Например при сблъсък на два или три гама-кванта електрон и позитрон ще се появят сякаш от нищото. Това и подобни явления са многократно наблюдавани в лаборатории.

Именно квантовите флуктуации определят процесите на излъчване на черните дупки. Ако двойка частици с енергии дИ -Е(общата енергия на двойката е нула), се появява в близост до сферата на Шварцшилд, по-нататъшна съдбачастиците ще бъдат различни. Те могат да се унищожат почти веднага или да преминат под хоризонта на събитията заедно. В този случай състоянието на черната дупка няма да се промени. Но ако само една частица отиде под хоризонта, наблюдателят ще регистрира друга и ще му се стори, че е генерирана от черна дупка. В същото време черна дупка, която абсорбира частица с енергия -Е, ще намали енергията ви, и с енергия д- ще се увеличи.

Хокинг изчислява скоростите, с които протичат всички тези процеси, и стига до извода: вероятността за поглъщане на частици с отрицателна енергия е по-висока. Това означава, че черната дупка губи енергия и маса – тя се изпарява. Освен това тя излъчва като абсолютно черно тялос температура Т = 6 . 10 -8 Мс / Мкелвини, където М c - маса на Слънцето (2,10 33 g), М- масата на черната дупка. Тази проста зависимост показва, че температурата на черна дупка с маса шест пъти по-голяма от тази на слънцето е равна на една стомилионна от градуса. Ясно е, че такова студено тяло не излъчва практически нищо и всички горни разсъждения остават валидни. Мини дупките са друг въпрос. Лесно се вижда, че с маса от 10 14 -10 30 грама, те се нагряват до десетки хиляди градуса и се нажежават до бяло! Веднага трябва да се отбележи обаче, че няма противоречия със свойствата на черните дупки: това лъчение се излъчва от слой над сферата на Шварцшилд, а не под нея.

И така, черната дупка, която изглеждаше вечно замръзнал обект, рано или късно изчезва, изпарявайки се. Освен това, докато „отслабва“, скоростта на изпарение се увеличава, но все още отнема много време. Смята се, че мини-дупките с тегло 10 14 грама, които са се появили веднага след Големия взрив преди 10-15 милиарда години, трябва да се изпарят напълно до наше време. На последния етап от живота им температурата достига колосални стойности, така че продуктите от изпарението трябва да са частици с изключително висока енергия. Може би те са тези, които генерират широко разпространени въздушни дъждове в земната атмосфера - EAS. Във всеки случай произходът на частици с аномално висока енергия е друг важен и интересен проблем, който може да бъде тясно свързан с не по-малко вълнуващи въпроси във физиката на черните дупки.