Dátum zverejnenia: 27.09.2012

Väčšina ľudí má nejasnú alebo nesprávnu predstavu o tom, čo sú čierne diery. Medzitým sú to také globálne a mocné objekty vesmíru, v porovnaní s ktorými je naša planéta a celý náš život ničím.

Podstatou

Ide o kozmický objekt s takou obrovskou gravitáciou, že pohltí všetko, čo spadá do jeho limitov. V skutočnosti, čierna diera je objekt, ktorý ani neprepúšťa svetlo a ohýba časopriestor. V blízkosti čiernych dier dokonca čas plynie pomalšie.

V skutočnosti je existencia čiernych dier iba teóriou (a trochou praxe). Vedci majú predpoklady a praktický vývoj, ale zatiaľ neboli schopní zblízka študovať čierne diery. Preto sa čierne diery bežne nazývajú všetky vhodné objekty daný popis... Čierne diery boli málo preskúmané, a preto zostáva veľa otázok nevyriešených.

Každá čierna diera má horizont udalostí - hranicu, za ktorou sa nič nemôže dostať von. Navyše, čím bližšie je objekt k čiernej diere, tým pomalšie sa pohybuje.

Vzdelávanie

Existuje niekoľko typov a metód na vytváranie čiernych dier:
- vznik čiernych dier v dôsledku vzniku Vesmíru. Takéto čierne diery sa objavili hneď po veľkom tresku.
- umierajúce hviezdy. Keď hviezda stratí energiu a termonukleárne reakcie sa zastavia, hviezda sa začne zmenšovať. V závislosti od stupňa kompresie sa vyžarujú neutrónové hviezdy, bieli trpaslíci a vlastne aj čierne diery.
- získanie experimentom. Napríklad kvantová čierna diera môže byť vytvorená v urýchľovači.

Verzie

Mnohí vedci sa prikláňajú k názoru, že čierne diery vyvrhnú všetku absorbovanú hmotu inde. Tie. musia existovať „biele diery“, ktoré fungujú na inom princípe. Ak sa človek môže dostať do čiernej diery, ale nemôže sa dostať von, potom sa naopak nemôže dostať do bielej diery. Hlavným argumentom vedcov sú ostré a silné výbuchy energie zaznamenané vo vesmíre.

Zástancovia teórie strún vo všeobecnosti vytvorili vlastný model čiernej diery, ktorý neničí informácie. Ich teória sa nazýva „Fuzzball“ – umožňuje vám odpovedať na otázky súvisiace s jedinečnosťou a miznutím informácií.

Čo je singularita a vyblednutie informácií? Singularita je bod v priestore charakterizovaný nekonečným tlakom a hustotou. Mnohí sú zmätení skutočnosťou singularity, pretože fyzici nevedia pracovať s nekonečnými číslami. Mnohí sú si istí, že v čiernej diere je singularita, ale jej vlastnosti sú opísané veľmi povrchne.

Ak sa porozprávame jednoduchý jazyk, potom všetky problémy a nedorozumenia vychádzajú z pomeru kvantová mechanika a gravitácie. Vedci zatiaľ nedokážu vytvoriť teóriu, ktorá by ich spájala. A preto sú s čiernou dierou problémy. Zdá sa totiž, že čierna diera ničí informácie, no zároveň sú porušené základy kvantovej mechaniky. Hoci sa zdá, že pomerne nedávno S. Hawking tento problém vyriešil, keď uviedol, že informácie v čiernych dierach stále nie sú zničené.

Stereotypy

Po prvé, čierne diery nemôžu existovať donekonečna. A to všetko vďaka vyparovaniu Hawkinga. Preto by sme si nemali myslieť, že čierne diery skôr či neskôr pohltia vesmír.

Po druhé, naše Slnko sa nestane čiernou dierou. Keďže hmotnosť našej hviezdy nebude stačiť. Naše slnko sa skôr zmení na bieleho trpaslíka (a to nie je pravda).

Po tretie, Veľký hadrónový urýchľovač nezničí našu Zem vytvorením čiernej diery. Aj keď zámerne vytvoria čiernu dieru a „vypustia“ ju, pre jej malú veľkosť pohltí našu planétu veľmi, veľmi dlho.

Po štvrté, nemali by sme si myslieť, že čierna diera je „diera“ vo vesmíre. Čierna diera je sférický objekt. Preto väčšina názorov, že čierne diery vedú k paralelnému vesmíru. Táto skutočnosť však zatiaľ nebola preukázaná.

Po piate, čierna diera nemá žiadnu farbu. Zisťuje sa buď podľa röntgen alebo na pozadí iných galaxií a hviezd (efekt šošovky).

Vzhľadom na to, že ľudia si často mýlia čierne diery s červími dierami (ktoré skutočne existujú), potom medzi Obyčajní ľudia tieto pojmy sa nelíšia. Červí diera naozaj umožňuje pohybovať sa v priestore a čase, no zatiaľ len teoreticky.

Ťažké veci v jednoduchom jazyku

Je ťažké jednoducho opísať taký jav ako čierna diera. Ak sa považujete za technika, ktorý tomu rozumie exaktné vedy, potom vám radím, aby ste si prečítali priamo práce vedcov. Ak sa chcete o tomto fenoméne dozvedieť viac, prečítajte si diela Stephena Hawkinga. Urobil veľa pre vedu a najmä v oblasti čiernych dier. Na jeho počesť je pomenované vyparovanie čiernych dier. Je zástancom pedagogického prístupu, a preto budú všetky jeho diela zrozumiteľné aj bežnému človeku.

knihy:
- "Čierne diery a mladé vesmíry" 1993.
- "Svet v kocke 2001".
- « Najkratšia história Vesmír 2005“.

Odporúčam najmä jeho populárno-vedecké filmy, ktoré vám zrozumiteľným jazykom povedia nielen o čiernych dierach, ale aj o vesmíre všeobecne:
- "Stephen Hawking Universe" - séria 6 epizód.
- "Do vesmíru so Stephenom Hawkingom" - séria 3 epizód.
Všetky tieto filmy boli preložené do ruštiny a často sa zobrazujú na kanáloch Discovery.

Ďakujem za tvoju pozornosť!


Najnovšie tipy sekcia "Veda a technika":

Pomohla vám táto rada? Projektu môžete pomôcť darovaním ľubovoľnej sumy na jeho rozvoj. Napríklad 20 rubľov. Alebo viac:)

Čierne diery sú jediné kozmické telesá schopné priťahovať svetlo gravitáciou. Sú to tiež najväčšie objekty vo vesmíre. Je nepravdepodobné, že sa tak skoro dozvieme, čo sa deje v blízkosti ich horizontu udalostí (známeho ako „bod, odkiaľ niet návratu“). Ide o najzáhadnejšie miesta nášho sveta, o ktorých sa napriek desaťročiam výskumu vie len veľmi málo. Tento článok obsahuje 10 faktov, ktoré možno označiť za najzaujímavejšie.

Čierne diery nenasávajú hmotu

Mnoho ľudí si čiernu dieru predstavuje ako akýsi „vesmírny vysávač“, ktorý vťahuje okolitý priestor. V skutočnosti sú čierne diery obyčajné vesmírne objekty s mimoriadne silným gravitačným poľom.

Ak by sa na mieste Slnka objavila čierna diera rovnakej veľkosti, Zem by nebola vtiahnutá dovnútra, otáčala by sa na rovnakej dráhe ako dnes. Hviezdy nachádzajúce sa pri čiernych dierach strácajú časť svojej hmoty vo forme hviezdneho vetra (to sa stáva počas existencie akejkoľvek hviezdy) a čierne diery absorbujú iba túto hmotu.

Existenciu čiernych dier predpovedal Karl Schwarzschild

Karl Schwarzschild ako prvý aplikoval Einsteinovu všeobecnú teóriu relativity, aby dokázal existenciu „bodu, odkiaľ niet návratu“. Sám Einstein o čiernych dierach neuvažoval, hoci jeho teória umožňuje predpovedať ich existenciu.

Schwarzschild vyslovil svoj predpoklad v roku 1915, hneď po tom, čo Einstein zverejnil všeobecnú teóriu relativity. Zároveň vznikol pojem „Schwarzschildov rádius“ – to je veličina, ktorá ukazuje, ako veľmi musíte predmet stlačiť, aby sa z neho stala čierna diera.

Teoreticky sa pri dostatočnej kompresii môže stať čiernou dierou čokoľvek. Čím je objekt hustejší, tým silnejšie je gravitačné pole, ktoré vytvára. Napríklad Zem by sa stala čiernou dierou, ak by objekt veľkosti arašidov mal svoju hmotnosť.

Čierne diery môžu splodiť nové vesmíry


Myšlienka, že čierne diery môžu plodiť nové vesmíry, sa zdá byť absurdná (najmä preto, že si stále nie sme istí existenciou iných vesmírov). Vedci však takéto teórie aktívne rozvíjajú.

Veľmi zjednodušená verzia jednej z týchto teórií je nasledovná. Náš svet má mimoriadne priaznivé podmienky pre vznik života v ňom. Ak by sa niektorá z fyzikálnych konštánt čo i len trochu zmenila, neboli by sme na tomto svete. Jedinečnosť čiernych dier má prednosť pred zvyčajnými fyzikálnymi zákonmi a mohla by (aspoň teoreticky) splodiť nový vesmír, ktorý je odlišný od nášho.

Čierne diery vás (a čokoľvek) môžu zmeniť na špagety


Čierne diery naťahujú objekty, ktoré sú v ich blízkosti. Tieto položky začínajú pripomínať špagety (dokonca aj osobitný termín- "špagetifikácia").

Je to spôsobené tým, ako funguje gravitácia. V v súčasnosti vaše nohy sú bližšie k stredu zeme ako vaša hlava, takže ťahajú silnejšie. Na povrchu čiernej diery začne rozdiel v gravitácii pôsobiť proti vám. Nohy sa čoraz rýchlejšie ťahajú smerom k stredu čiernej diery, takže horná polovica tela s nimi nedokáže držať krok. Výsledok: špagetovanie!

Čierne diery sa časom vyparujú


Čierne diery nielen pohlcujú hviezdny vietor, ale sa aj vyparujú. Tento jav bol objavený v roku 1974 a dostal názov Hawkingovo žiarenie (podľa Stephena Hawkinga, ktorý objav uskutočnil).

V priebehu času môže čierna diera spolu s týmto žiarením uvoľniť všetku svoju hmotu do okolitého priestoru a zmiznúť.

Čierne diery spomaľujú čas v ich blízkosti


Čas sa spomaľuje, keď sa približujete k horizontu udalostí. Aby sme pochopili, prečo sa to deje, musíme sa obrátiť na „paradox dvojčiat“, myšlienkový experiment, ktorý sa často používa na ilustráciu základov Einsteinovej teórie všeobecnej relativity.

Jedno z dvojčiat zostáva na Zemi a druhé letí vesmírny výlet pohybujúce sa rýchlosťou svetla. Dvojča sa vrátilo na Zem a zistilo, že jeho brat je starší ako on, pretože keď sa pohybuje rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla, čas beží pomalšie.

Keď sa priblížite k horizontu udalostí čiernej diery, pohnete sa s takými vysoká rýchlosť ten čas sa ti spomalí.

Čierne diery sú najmodernejšie elektrárne


Čierne diery generujú energiu lepšie ako Slnko a iné hviezdy. Je to spôsobené tým, čo sa okolo nich točí. Pri prekonávaní horizontu udalostí obrovskou rýchlosťou sa hmota na obežnej dráhe čiernej diery zahrieva na extrémne vysoké teploty. Toto sa nazýva žiarenie čierneho telesa.

Pre porovnanie, pre jadrovej fúzie 0,7 % hmoty sa premení na energiu. V blízkosti čiernej diery sa 10% hmoty stáva energiou!

Čierne diery deformujú priestor vedľa nich

Priestor si možno predstaviť ako natiahnutý gumený pás, na ktorom sú nakreslené čiary. Ak na tanier položíte akýkoľvek predmet, zmení svoj tvar. Čierne diery fungujú rovnako. Ich extrémna hmotnosť k sebe priťahuje všetko, vrátane svetla (ktorého lúče, aby sme pokračovali v analógii, by sme mohli nazvať čiarami na tanieri).

Čierne diery obmedzujú počet hviezd vo vesmíre


Z oblakov plynu vychádzajú hviezdy. Aby sa vytvorila hviezda, oblak musí vychladnúť.

Žiarenie z čiernych telies bráni ochladzovaniu oblakov plynu a zabraňuje vzniku hviezd.

Čiernou dierou sa teoreticky môže stať každý objekt.


Jediný rozdiel medzi našim Slnkom a čiernou dierou je sila gravitácie. V strede čiernej diery je oveľa silnejší ako v strede hviezdy. Ak by bolo naše Slnko stlačené na priemer asi päť kilometrov, mohla by to byť čierna diera.

Čiernou dierou sa teoreticky môže stať čokoľvek. V praxi vieme, že čierne diery vznikajú len v dôsledku kolapsu obrovských hviezd, ktoré 20- až 30-krát prevyšujú hmotnosť Slnka.

Tajomné a nepolapiteľné čierne diery. Fyzikálne zákony potvrdzujú možnosť ich existencie vo vesmíre, no stále zostáva veľa otáznikov. Početné pozorovania ukazujú, že vo vesmíre existujú diery a existuje viac ako milión týchto objektov.

Čo sú čierne diery?

Ešte v roku 1915, pri riešení Einsteinových rovníc, bol predpovedaný jav ako „čierne diery“. ale vedeckej komunity sa o ne začal zaujímať až v roku 1967. Vtedy sa im hovorilo „zrútené hviezdy“, „zamrznuté hviezdy“.

Čierna diera sa teraz nazýva oblasť času a priestoru, ktoré majú takú gravitáciu, že sa z nich nedostane ani lúč svetla.

Ako vznikajú čierne diery?

Existuje niekoľko teórií vzhľadu čiernych dier, ktoré sa delia na hypotetické a realistické. Najjednoduchšou a najrozšírenejšou realistickou teóriou je teória gravitačného prepadu veľkých hviezd.

Keď dostatočne hmotná hviezda pred „smrťou“ zväčší svoju veľkosť a stane sa nestabilnou, pričom spotrebuje posledné palivo. Hmotnosť hviezdy zároveň zostáva nezmenená, ale jej veľkosť sa zmenšuje, keď dochádza k takzvanému zhutneniu. Inými slovami, pri zhutňovaní ťažké jadro „spadne“ do seba. Paralelne s tým dochádza pri zhutňovaní k prudkému zvýšeniu teploty vo vnútri hviezdy a k odtrhnutiu vonkajších vrstiev nebeského telesa, z ktorých vznikajú nové hviezdy. Zároveň v strede hviezdy - jadro padá do vlastného "stredu". V dôsledku pôsobenia gravitačných síl sa stred zrúti do bodu - to znamená, že gravitačné sily sú také silné, že pohltia zhutnené jadro. Takto sa rodí čierna diera, ktorá začne deformovať priestor a čas, takže z nej nemôže uniknúť ani svetlo.

V centrách všetkých galaxií je supermasívna čierna diera. Podľa Einsteinovej teórie relativity:

"Akákoľvek hmotnosť deformuje priestor a čas."

Teraz si predstavte, ako veľmi čierna diera skresľuje čas a priestor, pretože jej hmotnosť je obrovská a zároveň vtesnaná do ultramalého objemu. Táto schopnosť vytvára nasledujúcu zvláštnosť:

„Čierne diery majú schopnosť prakticky zastaviť čas a stlačiť priestor. Kvôli tomuto extrémnemu skresleniu sa diery stávajú pre nás neviditeľnými."

Ak čierne diery nie sú viditeľné, ako vieme, že existujú?

Áno, aj keď je čierna diera neviditeľná, ale mala by byť viditeľná vďaka hmote, ktorá do nej spadá. A tiež hviezdny plyn, ktorý priťahuje čierna diera, pri priblížení sa k horizontu udalostí začne teplota plynu stúpať na supervysoké hodnoty, čo vedie k žiare. To je dôvod, prečo čierne diery žiaria. Vďaka tejto, aj keď slabej žiare, astronómovia a astrofyzici vysvetľujú prítomnosť objektu s malým objemom, no obrovskou hmotnosťou v strede galaxie. V tento moment ako výsledok pozorovaní bolo objavených asi 1000 objektov, ktoré sa správajú podobne ako čierne diery.

Čierne diery a galaxie

Ako môžu čierne diery ovplyvniť galaxie? Táto otázka trápi vedcov po celom svete. Existuje hypotéza, podľa ktorej sú to čierne diery v strede galaxie, ktoré ovplyvňujú jej tvar a vývoj. A že pri zrážke dvoch galaxií sa spoja čierne diery a pri tomto procese napr veľké množstvo energie a hmoty, že vznikajú nové hviezdy.

Typy čiernych dier

  • Podľa existujúcu teóriu, existujú tri typy čiernych dier: hviezdne, supermasívne, miniatúrne. A každý z nich bol vytvorený zvláštnym spôsobom.
  • - Čierne diery hviezdnych hmôt, narastie do obrovskej veľkosti a zrúti sa.
    - Supermasívne čierne diery, ktoré môžu mať hmotnosť ekvivalentnú miliónom Sĺnk, s najväčšou pravdepodobnosťou existujú v centrách takmer všetkých galaxií, vrátane našej Mliečnej dráhy. Vedci majú stále rôzne hypotézy o vzniku supermasívnych čiernych dier. Zatiaľ je známe len jedno – supermasívne čierne diery sú vedľajším produktom vzniku galaxií. Supermasívne čierne diery – od bežných čiernych dier sa líšia tým, že majú veľmi veľkú veľkosť, no paradoxne nízku hustotu.
  • - Nikomu sa zatiaľ nepodarilo odhaliť miniatúrnu čiernu dieru, ktorá by mala hmotnosť menšiu ako Slnko. Je možné, že miniatúrne diery mohli vzniknúť krátko po „veľkom tresku“, čo je počiatočná presná existencia nášho vesmíru (asi pred 13,7 miliardami rokov).
  • - Nedávno bol predstavený nový koncept ako „biele čierne diery“. Toto je stále hypotetická čierna diera, ktorá je opakom čiernej diery. Stephen Hawking aktívne študoval možnosť existencie bielych dier.
  • - Kvantové čierne diery - existujú zatiaľ len teoreticky. Kvantové čierne diery môžu vzniknúť, keď sa ultramalé častice zrazia pri jadrovej reakcii.
  • - Prapôvodné čierne diery sú tiež teóriou. Vznikli hneď po vzniku.

V súčasnosti existuje veľký počet otvorené otázky, na ktoré budú musieť budúce generácie ešte odpovedať. Napríklad môžu skutočne existovať takzvané „červí diery“, pomocou ktorých môžete cestovať priestorom a časom. Čo presne sa deje vo vnútri čiernej diery a aké zákony tieto javy dodržiavajú. A čo zmiznutie informácií v čiernej diere?

Čierne diery sú možno najzáhadnejšími a najzáhadnejšími astronomickými objektmi v našom vesmíre a od svojho objavu priťahujú pozornosť. učenci a vzrušovať fantáziu spisovateľov sci-fi. Čo sú čierne diery a čo sú? Čierne diery sú zhasnuté hviezdy, kvôli ich fyzické vlastnosti, ktoré majú takú vysokú hustotu a takú silnú gravitáciu, že za ne nemôže uniknúť ani svetlo.

História objavovania čiernych dier

Prvýkrát teoretickú existenciu čiernych dier, dávno pred ich skutočným objavom, naznačil istý D. Michel (anglický kňaz z Yorkshire, ktorý sa vo voľnom čase venuje astronómii) v ďalekom roku 1783. Podľa jeho výpočtov, ak sa tá naša zoberie a stlačí (v modernej počítačovej reči – archivuje) na polomer 3 km, vznikne taká veľká (jednoducho obrovská) gravitačná sila, že ju nedokáže opustiť ani svetlo. Takto sa objavil pojem „čierna diera“, aj keď v skutočnosti čierna vôbec nie je, podľa nás by bol vhodnejší výraz „tmavá diera“, pretože práve absencia svetla prebieha.

Neskôr, v roku 1918, veľký vedec Albert Einstein napísal o problematike čiernych dier v kontexte teórie relativity. Ale až v roku 1967, vďaka úsiliu amerického astrofyzika Johna Wheelera, koncept čiernych dier konečne získal miesto v akademických kruhoch.

Nech je to akokoľvek, a D. Michel, Albert Einstein a John Wheeler vo svojich prácach predpokladali len teoretickú existenciu týchto záhadných nebeských objektov v r. vonkajší priestor k skutočnému objavu čiernych dier však došlo až v roku 1971, vtedy ich prvýkrát videli ďalekohľadom.

Takto vyzerá čierna diera.

Ako vznikajú čierne diery vo vesmíre

Ako vieme z astrofyziky, všetky hviezdy (vrátane nášho Slnka) majú určité obmedzené zásoby paliva. A hoci život hviezdy môže trvať miliardy svetelných rokov, skôr či neskôr sa táto podmienená zásoba paliva skončí a hviezda „zhasne“. Proces „zániku“ hviezdy sprevádzajú intenzívne reakcie, pri ktorých hviezda prechádza výraznou premenou a v závislosti od svojej veľkosti sa môže zmeniť na bieleho trpaslíka, neutrónovú hviezdu, či čiernu dieru. Navyše, najväčšie hviezdy s neuveriteľne pôsobivými rozmermi sa zvyčajne menia na čiernu dieru - práve kvôli ich kontrakcii neuveriteľná veľkosť dochádza k mnohonásobnému zvýšeniu hmotnosti a gravitačnej sily novovzniknutej čiernej diery, ktorá sa mení na akýsi galaktický vysávač – pohlcuje všetko a všetkých naokolo.

Čierna diera pohltí hviezdu.

Malá poznámka - naše Slnko na galaktické pomery vôbec nie je veľká hviezda a po zániku, ku ktorému dôjde asi o niekoľko miliárd rokov, sa s najväčšou pravdepodobnosťou nezmení na čiernu dieru.

Ale buďme k vám úprimní - dnes vedci stále nepoznajú všetky zložitosti tvorby čiernej diery, nepochybne ide o mimoriadne zložitý astrofyzikálny proces, ktorý sám o sebe môže trvať milióny svetelných rokov. Aj keď sa týmto smerom možno uberať, objav a následné štúdium takzvaných intermediárnych čiernych dier, teda hviezd v stave zániku, v ktorých prebieha aktívny proces tvorby čiernych dier. Mimochodom, podobnú hviezdu objavili astronómovia v roku 2014 v ramene špirálovej galaxie.

Koľko čiernych dier je vo vesmíre

Podľa teórií moderných vedcov v našej galaxii Mliečna dráhačiernych dier môžu byť až stovky miliónov. O nič menej ich nemusí byť ani v susednej galaxii, do ktorej z našej Mliečnej dráhy nemá čo letieť – 2,5 milióna svetelných rokov.

Teória čiernych dier

Napriek obrovskej hmotnosti (ktorá je státisíckrát väčšia ako hmotnosť nášho Slnka) a neskutočnej sile gravitácie nebolo ľahké vidieť čierne diery cez ďalekohľad, pretože vôbec nevyžarujú svetlo. Čiernu dieru sa vedcom podarilo spozorovať až v momente jej „jedla“ – pohltenia inej hviezdy, v tomto momente sa objavuje charakteristické žiarenie, ktoré už možno pozorovať. Teória čiernej diery teda našla faktické potvrdenie.

Vlastnosti čiernych dier

Hlavnou vlastnosťou čiernej diery sú jej neuveriteľné gravitačné polia, ktoré nedovoľujú, aby okolitý priestor a čas zostali vo svojom známy stav... Áno, počuli ste dobre, čas vo vnútri čiernej diery plynie mnohokrát pomalšie ako zvyčajne, a ak by ste tam boli, potom by ste sa vrátili späť (ak ste mali to šťastie, samozrejme) a prekvapilo by vás, že na Zemi prešli storočia. a ty ani nestarneš mal čas. Aj keď budeme úprimní, keby ste boli vo vnútri čiernej diery, sotva by ste to prežili, keďže sila gravitácie je tam taká, že akýkoľvek hmotný objekt by sa jednoducho neroztrhol ani na časti, na atómy.

Ale ak by ste boli čo i len v blízkosti čiernej diery, v dosahu jej gravitačného poľa, mali by ste to tiež ťažké, pretože čím viac by ste vzdorovali jej gravitácii a snažili sa odletieť, tým rýchlejšie by ste do nej spadli. Dôvodom tohto zdanlivého paradoxu je gravitačné vírové pole, ktorým disponujú všetky čierne diery.

Čo ak človek spadne do čiernej diery

Vyparovanie čiernych dier

Anglický astronóm S. Hawking objavil zaujímavý fakt: Zdá sa, že aj čierne diery spôsobujú vyparovanie. Je pravda, že to platí len pre otvory relatívne malej hmotnosti. Silná gravitácia okolo nich vedie k vzniku párov častíc a antičastíc, pričom jeden z páru je vtiahnutý dierou a druhý je vypudený von. Čierna diera teda vyžaruje tvrdé antičastice a gama lúče. Toto vyparovanie alebo žiarenie z čiernej diery bolo pomenované po vedcovi, ktorý ho objavil – „Hawkingovo žiarenie“.

Najväčšia čierna diera

Podľa teórie čiernych dier sú v strede takmer všetkých galaxií obrovské čierne diery s hmotnosťou od niekoľkých miliónov do niekoľkých miliárd hmotností Slnka. A relatívne nedávno vedci objavili dve z najväčších známych čiernych dier, ktoré sa nachádzajú v dvoch blízkych galaxiách: NGC 3842 a NGC 4849.

NGC 3842 je najjasnejšia galaxia v súhvezdí Lev, vzdialená asi 320 miliónov svetelných rokov. V jeho strede je obrovská čierna diera s hmotnosťou 9,7 miliardy slnečných hmôt.

NGC 4849 je galaxia v zhluku Coma vo vzdialenosti 335 miliónov svetelných rokov od nás a môže sa pochváliť rovnako pôsobivou čiernou dierou.

Zóny pôsobenia gravitačného poľa týchto obrovských čiernych dier, alebo v akademickom zmysle, ich horizont udalostí, je asi 5-krát väčšia ako vzdialenosť od Slnka k! Takáto čierna diera by zjedla aj naše slnečná sústava a ani by sa neudusil.

Najmenšia čierna diera

Ale v obrovskej rodine čiernych dier sú veľmi malí zástupcovia. Takže trpasličí čierna diera, ktorú vedci v súčasnosti objavili, je z hľadiska jej hmotnosti iba 3-krát väčšia ako hmotnosť nášho Slnka. V skutočnosti je to teoretické minimum potrebné na vytvorenie čiernej diery, ak by táto hviezda bola o niečo menšia, diera by nevznikla.

Čierne diery sú kanibali

Áno, existuje taký jav, ako sme písali vyššie, čierne diery sú akési "galaktické vysávače", ktoré pohlcujú všetko okolo seba, vrátane ... iných čiernych dier. Nedávno astronómovia zistili, že čiernu dieru z jednej galaxie požiera veľký čierny žrút z inej galaxie.

  • Podľa hypotéz niektorých vedcov nie sú čierne diery len galaktické vysávače, ktoré do seba nasávajú všetko, ale za istých okolností dokážu samy generovať nové vesmíry.
  • Čierne diery sa môžu časom vypariť. Vyššie sme písali, že anglický vedec Stephen Hawking zistil, že čierne diery majú vlastnosť žiarenia a po nejakom veľmi dlhom čase, keď už nie je čo absorbovať, sa čierna diera začne viac vyparovať, až sa nakoniec vzdá všetkého. jeho hmotnosť v okolitom priestore. Aj keď je to len domnienka, hypotéza.
  • Čierne diery spomaľujú čas a deformujú priestor. O dilatácii času sme už písali, no priestor v podmienkach čiernej diery bude úplne zakrivený.
  • Čierne diery obmedzujú počet hviezd vo vesmíre. Ich gravitačné polia totiž bránia ochladzovaniu oblakov plynu vo vesmíre, z ktorých, ako viete, sa rodia nové hviezdy.

Video o čiernych dierach Discovery Channel

A na záver vám ponúkame zaujímavý vedecký dokument o čiernych dierach z Discovery Channel.

S. TRANKOVSKÝ

Medzi najdôležitejšie a najzaujímavejšie problémy moderná fyzika a astrofyzici akademik VL Ginzburg pomenovali problémy súvisiace s čiernymi dierami (pozri „Veda a život“ č. 11, 12, 1999). Existencia týchto zvláštnych objektov bola predpovedaná pred viac ako dvesto rokmi, podmienky vedúce k ich vzniku boli presne vypočítané na konci 30. rokov 20. storočia a astrofyzika sa s nimi vysporiadala pred necelými štyridsiatimi rokmi. dnes vedeckých časopisoch svet každoročne publikuje tisíce článkov o čiernych dierach.

K vzniku čiernej diery môže dôjsť tromi spôsobmi.

Je zvykom zobrazovať procesy prebiehajúce v blízkosti kolabujúcej čiernej diery. S postupom času (Y) sa priestor (X) okolo neho (vyplnená oblasť) zmršťuje a smeruje k singularite.

Gravitačné pole čiernej diery spôsobuje silné deformácie v geometrii priestoru.

Čierna diera, neviditeľná cez ďalekohľad, sa odhaľuje iba svojim gravitačným účinkom.

V silnom gravitačnom poli čiernej diery sa vytvárajú páry častica-antičastica.

Vytvorenie páru častica-antičastica v laboratóriu.

AKO VZNIKAJÚ

Žeravý nebeské telo, ktorý má hustotu rovnajúcu sa hustote Zeme a priemer dvestopäťdesiatkrát väčší ako priemer Slnka, kvôli sile jeho príťažlivosti nedovolí jeho svetlu, aby sa k nám dostalo. Je teda možné, že najväčšie svietiace telesá vo vesmíre práve pre svoju veľkosť zostanú neviditeľné.
Pierre Simon Laplace.
Náčrt systému sveta. 1796 rok.

V roku 1783 anglický matematik John Mitchell a o trinásť rokov neskôr nezávisle od neho francúzsky astronóm a matematik Pierre Simon Laplace vykonali veľmi zvláštnu štúdiu. Zvažovali podmienky, za ktorých svetlo nemôže opustiť hviezdu.

Logika vedcov bola jednoduchá. Pre akýkoľvek astronomický objekt (planétu alebo hviezdu) môžete vypočítať takzvanú únikovú rýchlosť alebo druhú vesmírna rýchlosť umožňujúce akémukoľvek telu alebo častici ho navždy opustiť. A vo fyzike tej doby kraľovala newtonovská teória, podľa ktorej je svetlo prúd častíc (pred teóriou elektromagnetické vlny a na kvantá zostávalo ešte takmer stopäťdesiat rokov). Únikovú rýchlosť častíc možno vypočítať na základe rovnosti potenciálnej energie na povrchu planéty a kinetickej energie telesa, ktoré „utieklo“ do nekonečne veľkej vzdialenosti. Táto rýchlosť je určená vzorcom # 1 #

kde M- hmotnosť vesmírneho objektu, R- jeho polomer, G- gravitačná konštanta.

Z toho sa dá ľahko získať polomer telesa danej hmotnosti (neskôr nazývaný „gravitačný polomer r g"), pri ktorej sa úniková rýchlosť rovná rýchlosti svetla:

To znamená, že hviezda stlačená do gule s polomerom r g< 2GM/c 2, prestane vyžarovať - ​​svetlo ho nebude môcť opustiť. Vo vesmíre sa objaví čierna diera.

Nie je ťažké vypočítať, že Slnko (jeho hmotnosť je 2,1033 g) sa zmení na čiernu dieru, ak sa stiahne na polomer asi 3 kilometre. Hustota jeho látky potom dosiahne 10 16 g / cm 3. Polomer Zeme, stlačený do stavu čiernej diery, by sa zmenšil asi na jeden centimeter.

Zdalo sa neuveriteľné, že v prírode môžu existovať sily schopné stlačiť hviezdu na takú nepatrnú veľkosť. Preto boli závery z práce Mitchella a Laplacea viac ako sto rokov považované za niečo ako matematický paradox, ktorý nemá fyzikálny význam.

Dôkladný matematický dôkaz, že takýto exotický objekt vo vesmíre je možný, bol získaný až v roku 1916. Nemecký astronóm Karl Schwarzschild, ktorý analyzoval rovnice všeobecnej teórie relativity Alberta Einsteina, získal zaujímavý výsledok. Po štúdiu pohybu častice v gravitačnom poli masívneho telesa dospel k záveru: rovnica stráca fyzický význam(jeho riešenie siaha do nekonečna) pri r= 0 a r = r g.

Body, v ktorých charakteristika poľa stráca svoj význam, sa nazývajú singulárne, teda špeciálne. Singularita v nulovom bode odráža bod alebo, čo je to isté, centrálne symetrickú štruktúru poľa (napokon, každé guľové teleso - hviezda alebo planéta - môže byť znázornené ako hmotný bod). A body umiestnené na guľovej ploche s polomerom r g, tvoria samotný povrch, z ktorého sa úniková rýchlosť rovná rýchlosti svetla. Vo všeobecnej teórii relativity sa nazýva Schwarzschildova singulárna sféra alebo horizont udalostí (prečo - to sa ukáže neskôr).

Už na príklade známych objektov – Zeme a Slnka – je jasné, že čierne diery sú veľmi zvláštne objekty. Aj astronómovia, ktorí sa zaoberajú hmotou pri extrémnych teplotách, hustote a tlaku, ich považujú za veľmi exotické a donedávna v ich existenciu neverili všetci. Prvé náznaky možnosti vzniku čiernych dier však obsahovala už všeobecná teória relativity A. Einsteina, vytvorená v roku 1915. Anglický astronóm Arthur Eddington, jeden z prvých interpretov a popularizátorov teórie relativity, odvodil v 30. rokoch sústavu rovníc opisujúcich vnútorná štruktúra hviezdy. Vyplýva z nich, že hviezda je v rovnováhe pôsobením opačne smerujúcich gravitačných síl a vnútorného tlaku vznikajúceho pohybom horúcich častíc plazmy vo vnútri hviezdy a tlakom žiarenia vznikajúceho v jej vnútri. To znamená, že hviezda je plynová guľa, v strede ktorej teplo smerom k periférii postupne klesá. Z rovníc predovšetkým vyplynulo, že teplota povrchu Slnka je asi 5500 stupňov (čo je celkom v súlade s údajmi astronomických meraní) a v jeho strede by malo byť asi 10 miliónov stupňov. To umožnilo Eddingtonovi vyvodiť prorocký záver: pri tejto teplote sa „zapáli termonukleárna reakcia“, dostatočná na zabezpečenie žiary Slnka. Vtedajší atómoví fyzici s tým nesúhlasili. Zdalo sa im, že v útrobách hviezdy je príliš „studeno“: teplota tam nestačila na to, aby reakcia „prešla“. Na to rozzúrený teoretik odpovedal: "Hľadajte teplejšie miesto!"

A nakoniec sa ukázalo, že mal pravdu: v strede hviezdy skutočne prebieha termonukleárna reakcia (iná vec je, že tzv. solárny model„na základe predstáv o termonukleárna fúzia, sa zrejme ukázalo ako nesprávne - pozri napríklad "Veda a život" č. 2, 3, 2000). No napriek tomu reakcia v strede hviezdy prejde, hviezda svieti a žiarenie, ktoré pri tomto procese vzniká, ju udržiava v stabilnom stave. Ale jadrové „palivo“ vo hviezde dohorí. Uvoľňovanie energie sa zastaví, žiarenie zhasne a sila obmedzujúca gravitačnú príťažlivosť zmizne. Existuje obmedzenie hmotnosti hviezdy, po ktorom sa hviezda začne nezvratne zmršťovať. Výpočty ukazujú, že k tomu dôjde, ak hmotnosť hviezdy presiahne dvojnásobok alebo trojnásobok hmotnosti Slnka.

GRAVITAČNÝ KOLAPS

Spočiatku je rýchlosť kontrakcie hviezdy malá, ale jej rýchlosť sa neustále zvyšuje, pretože sila gravitácie je nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti. Stlačenie sa stáva nezvratným, neexistujú žiadne sily schopné pôsobiť proti vlastnej gravitácii. Tento proces sa nazýva gravitačný kolaps. Rýchlosť pohybu obálky hviezdy smerom k jej stredu sa zvyšuje, blíži sa k rýchlosti svetla. A tu začínajú hrať rolu účinky teórie relativity.

Úniková rýchlosť bola vypočítaná na základe Newtonových predstáv o povahe svetla. Z pohľadu všeobecnej relativity sa javy v okolí kolabujúcej hviezdy vyskytujú trochu inak. V jej mohutnom gravitačnom poli vzniká takzvaný gravitačný červený posuv. To znamená, že frekvencia žiarenia vychádzajúceho z masívneho objektu je posunutá smerom k nižším frekvenciám. V limite, na hranici Schwarzschildovej gule, sa frekvencia žiarenia stáva nulovou. To znamená, že pozorovateľ mimo nej nebude môcť zistiť nič o tom, čo sa deje vo vnútri. Preto sa Schwarzschildova sféra nazýva horizont udalostí.

Ale zníženie frekvencie je ekvivalentné spomaleniu času a keď frekvencia klesne na nulu, čas sa zastaví. To znamená, že vonkajší pozorovateľ uvidí veľmi zvláštny obraz: škrupina hviezdy, ktorá padá so zvyšujúcim sa zrýchlením, namiesto toho, aby dosiahla rýchlosť svetla, sa zastaví. Z jeho pohľadu sa kompresia zastaví, len čo sa veľkosť hviezdy priblíži gravitácii
fúzy. Nikdy neuvidí aspoň jednu časticu "potápajúcu sa" pod Schwarzschielovou guľou áno. Ale pre hypotetického pozorovateľa padajúceho do čiernej diery bude všetko v priebehu chvíľ na jeho hodinkách ukončené. Čas gravitačného kolapsu hviezdy s veľkosťou Slnka bude teda 29 minút a oveľa hustejšia a kompaktnejšia neutrónová hviezda - iba 1/20 000 sekundy. A tu je uväznený nepríjemnosťou spojenou s geometriou časopriestoru v blízkosti čiernej diery.

Pozorovateľ padá do zakriveného priestoru. V blízkosti gravitačného polomeru sa gravitačné sily nekonečne zväčšujú; naťahujú raketu s pozorujúcim astronautom do nekonečne tenkého vlákna nekonečnej dĺžky. Ale on sám si to nevšimne: všetky jeho deformácie budú zodpovedať skresleniam časopriestorových súradníc. Táto úvaha, samozrejme, odkazuje na ideálny, hypotetický prípad. Akékoľvek skutočné telo bude roztrhané slapovými silami dlho predtým, ako sa priblíži k Schwarzschildovej sfére.

VEĽKOSŤ ČIERNYCH DIER

Veľkosť čiernej diery alebo skôr polomer Schwarzschildovej gule je úmerný hmotnosti hviezdy. A keďže astrofyzika neukladá žiadne obmedzenia na veľkosť hviezdy, potom môže byť čierna diera ľubovoľne veľká. Ak by napríklad vznikla pri kolapse hviezdy s hmotnosťou 10 8 hmotností Slnka (alebo v dôsledku splynutia státisícov, ba až miliónov relatívne malých hviezd), jej polomer bude asi 300 miliónov kilometrov, dvojnásobok obehu Zeme. A priemerná hustota látky takého obra je blízka hustote vody.

Zdá sa, že práve tieto čierne diery sa nachádzajú v centrách galaxií. V každom prípade astronómovia dnes počítajú asi päťdesiat galaxií, v strede ktorých, súdiac podľa nepriamych znakov (povieme si o nich nižšie), sú čierne diery s hmotnosťou rádovo miliardy (10 9) Slnka. Aj naša Galaxia má zjavne svoju čiernu dieru; bolo možné celkom presne odhadnúť jeho hmotnosť - 2.4. 10 6 ± 10 % hmotnosti Slnka.

Teória naznačuje, že spolu s takýmito supergiantmi sa mali objaviť čierne minidiery s hmotnosťou asi 10 14 g a polomerom asi 10 - 12 cm (veľkosť atómového jadra). Mohli sa objaviť v prvých momentoch existencie Vesmíru ako prejav veľmi silnej nehomogenity časopriestoru pri kolosálnej hustote energie. Podmienky, ktoré boli vtedy vo vesmíre, teraz realizujú výskumníci na silných zrážačoch (urýchľovačoch na zrážaných lúčoch). Experimenty v CERNe, uskutočnené začiatkom tohto roka, umožnili získať kvark-gluónovú plazmu – hmotu, ktorá existovala pred vznikom elementárnych častíc. Výskum tohto stavu hmoty pokračuje v Brookhavene, American Accelerator Center. Je schopný urýchliť častice na energie o jeden a pol až dva rády vyššie ako urýchľovač v
CERN. Nadchádzajúci experiment vyvolal vážne obavy: neobjaví sa pri jeho realizácii čierna minidiera, ktorá ohne náš priestor a zničí Zem?

Tento strach vyvolal takú silnú rezonanciu, že vláda USA bola nútená zvolať autoritatívnu komisiu, aby otestovala túto možnosť. Komisia, ktorá pozostávala z významných výskumníkov, dospela k záveru, že energia urýchľovača je príliš nízka na to, aby sa objavila čierna diera (tento experiment je popísaný v časopise „Science and Life“ č. 3, 2000).

AKO VIDIEŤ NEVIDITEĽNÉ

Čierne diery nevyžarujú nič, dokonca ani svetlo. Astronómovia sa ich však naučili vidieť, alebo skôr nájsť „kandidátov“ na túto úlohu. Existujú tri spôsoby, ako nájsť čiernu dieru.

1. Je potrebné sledovať rotáciu hviezd v zhlukoch okolo určitého ťažiska. Ak sa ukáže, že v tomto strede nič nie je a hviezdy sa točia okolo prázdneho priestoru, môžeme s istotou povedať: v tejto „prázdnote“ je čierna diera. Práve na tomto základe sa predpokladala prítomnosť čiernej diery v strede našej Galaxie a odhadla sa jej hmotnosť.

2. Čierna diera aktívne nasáva hmotu z okolitého priestoru. Dopadá naň špirálovito medzihviezdny prach, plyn, hmota blízkych hviezd a vytvára takzvaný akrečný disk, podobný Saturnovmu prstencu. (To je to, čo vydesilo experiment v Brookhavene: čierna minidiera vytvorená v urýchľovači začne nasávať Zem do seba a tento proces nebolo možné zastaviť žiadnou silou.) Keď sa častice priblížia k Schwarzschildovej sfére, podstúpia zrýchlenie a začnú emitovať v oblasti röntgenového žiarenia. Toto žiarenie má charakteristické spektrum podobné dobre preštudovanému žiareniu častíc urýchlených v synchrotróne. A ak takéto žiarenie pochádza z nejakej oblasti vesmíru, dá sa s istotou povedať, že tam musí byť čierna diera.

3. Keď sa dve čierne diery spoja, objaví sa gravitačné žiarenie. Vypočítalo sa, že ak je hmotnosť každého z nich asi desaťkrát väčšia ako hmotnosť Slnka, potom keď sa v priebehu niekoľkých hodín spoja, uvoľní sa energia vo forme gravitačných vĺn, čo zodpovedá 1 % ich celkovej hmotnosti. To je tisíckrát viac ako svetlo, teplo a iná energia, ktorú Slnko vyžarovalo za celú svoju existenciu – päť miliárd rokov. Dúfajú, že sa im podarí odhaliť gravitačné žiarenie pomocou gravitačných vlnových observatórií LIGO a ďalších, ktoré sa teraz budujú v Amerike a Európe za účasti ruských výskumníkov (pozri „Veda a život“ č. 5, 2000).

A predsa, hoci astronómovia nepochybujú o existencii čiernych dier, nikto sa nezaväzuje kategoricky tvrdiť, že v danom bode vesmíru je presne jedna z nich. Vedecká etika a svedomitosť výskumníka si vyžaduje jednoznačnú odpoveď na položenú otázku, ktorá netoleruje rozpor. Nestačí odhadnúť hmotnosť neviditeľného objektu, musíte zmerať jeho polomer a ukázať, že nepresahuje Schwarzschildovu. A ani v medziach našej Galaxie tento problém zatiaľ nie je riešiteľný. Vedci preto prejavili istú zdržanlivosť pri podávaní správ o svojom objave a vedecké časopisy sú doslova preplnené správami o teoretických prácach a pozorovaniach účinkov, ktoré môžu vniesť svetlo do ich záhady.

Existujú však čierne diery a ešte jedna teoreticky predpovedaná vlastnosť, ktorá by ich snáď umožnila vidieť. Avšak pod jednou podmienkou: hmotnosť čiernej diery musí byť oveľa menšia ako hmotnosť Slnka.

ČIERNA DIERA MÔŽE BYŤ „BIELA“

Po dlhú dobu boli čierne diery považované za stelesnenie temnoty, objekty, ktoré vo vákuu, pri absencii absorpcie hmoty, nič nevyžarujú. V roku 1974 však slávny anglický teoretik Stephen Hawking ukázal, že čiernym dieram možno pripísať teplotu, a preto musia vyžarovať.

Podľa konceptov kvantovej mechaniky vákuum nie je prázdnota, ale akási „pena časopriestoru“, spleť virtuálnych (v našom svete nepozorovateľných) častíc. Fluktuácie kvantovej energie sú však schopné „vyhodiť“ pár častica-antičastica z vákua. Napríklad, keď sa zrazia dve alebo tri gama kvantá, elektrón a pozitrón sa objavia ako z ničoho. Tento a podobné javy boli mnohokrát pozorované v laboratóriách.

Práve kvantové fluktuácie určujú procesy žiarenia čiernych dier. Ak dvojica častíc s energiami E a -E(celková energia páru je nulová), vzniká v blízkosti Schwarzschildovej gule, ďalší osudčastice budú iné. Môžu takmer okamžite anihilovať alebo sa spoločne unášať pod horizontom udalostí. V tomto prípade sa stav čiernej diery nezmení. Ale ak sa pod horizont dostane len jedna častica, pozorovateľ zaregistruje ďalšiu a bude sa mu zdať, že ju vytvorila čierna diera. V tomto prípade čierna diera, ktorá absorbovala časticu s energiou -E, zníži svoju energiu as energiou E- vzrastie.

Hawking vypočítal rýchlosti, ktorými všetky tieto procesy prebiehajú, a dospel k záveru: pravdepodobnosť absorpcie častíc s negatívnou energiou je vyššia. To znamená, že čierna diera stráca energiu a hmotu – vyparuje sa. Navyše oboje absolútne vyžaruje čierne telo s teplotou T = 6 . 10 -8 M s / M kelvin, kde Mс - hmotnosť Slnka (2,10 33 g), M je hmotnosť čiernej diery. Tento jednoduchý vzťah ukazuje, že teplota čiernej diery s hmotnosťou šesťnásobku hmotnosti Slnka sa rovná sto milióntine stupňa. Je jasné, že takto chladné teleso prakticky nič nevyžaruje a všetky vyššie uvedené úvahy zostávajú v platnosti. Miniotvory sú iná záležitosť. Je ľahké vidieť, že s hmotnosťou 10 14 - 10 30 gramov sa ukáže, že sú zahriate na desiatky tisíc stupňov a rozpálené do biela! Okamžite však treba poznamenať, že neexistuje žiadny rozpor s vlastnosťami čiernych dier: toto žiarenie je vyžarované vrstvou nad Schwarzschildovou sférou, a nie pod ňou.

Čierna diera, ktorá sa zdala byť navždy zamrznutým objektom, teda skôr či neskôr zmizne a vyparí sa. Navyše, ako sa „schudne“, rýchlosť vyparovania sa zvyšuje, no aj tak to trvá extrémne dlho. Odhaduje sa, že miniotvory s hmotnosťou 10 14 gramov, ktoré sa objavili bezprostredne po Veľkom tresku pred 10 – 15 miliardami rokov, by sa do našej doby mali úplne vypariť. V poslednom štádiu ich života dosahuje ich teplota kolosálne hodnoty, preto musia byť produktmi vyparovania častice s extrémne vysokou energiou. Je možné, že práve z nich vznikajú v zemskej atmosfére široké amosferické spŕšky – EAS. V každom prípade je pôvod častíc anomálne vysokej energie ďalším dôležitým a zaujímavým problémom, ktorý môže úzko súvisieť s rovnako vzrušujúcimi otázkami fyziky čiernych dier.