Każda osoba, która zapozna się z astronomią, prędzej czy później doświadcza silnej ciekawości najbardziej tajemniczych obiektów we wszechświecie – czarnych dziur. To prawdziwi mistrzowie ciemności, zdolni do „połknięcia” każdego przechodzącego w pobliżu atomu i nie przepuszczania nawet światła – ich przyciąganie jest tak potężne. Obiekty te stanowią prawdziwe wyzwanie dla fizyków i astronomów. Ci pierwsi wciąż nie potrafią zrozumieć, co dzieje się z materią, która wpadła do wnętrza czarnej dziury, a ci drudzy, choć wyjaśniają najbardziej energochłonne zjawiska kosmosu istnieniem czarnych dziur, nigdy nie mieli okazji zaobserwować żadnej z nich. bezpośrednio. Porozmawiamy o tych najciekawszych obiektach niebieskich, dowiemy się, co już zostało odkryte, a co pozostaje do poznania, aby zdjąć zasłonę tajemnicy.
Nazwę „czarna dziura” (w języku angielskim – czarna dziura) zaproponował w 1967 roku amerykański fizyk teoretyk John Archibald Wheeler (patrz zdjęcie po lewej). Służył do wyznaczenia ciała niebieskiego, którego przyciąganie jest tak silne, że nawet światło nie puszcza samego siebie. Dlatego jest „czarny”, ponieważ nie emituje światła.
obserwacje pośrednie
To jest powód takiej tajemnicy: ponieważ czarne dziury nie świecą, nie możemy ich zobaczyć bezpośrednio i jesteśmy zmuszeni ich szukać i badać, wykorzystując jedynie pośrednie dowody, że ich istnienie pozostawia w otaczającej przestrzeni. Innymi słowy, jeśli czarna dziura połknie gwiazdę, nie widzimy czarnej dziury, ale możemy zaobserwować niszczycielskie skutki jej potężnego uderzenia. pole grawitacyjne.
Intuicja Laplace'a
Pomimo tego, że określenie „czarna dziura” odnoszące się do hipotetycznego końcowego etapu ewolucji gwiazdy, która zapadła się w siebie pod wpływem grawitacji, pojawiło się stosunkowo niedawno, pojawiła się idea możliwości istnienia takich ciał ponad dwa wieki temu. Anglik John Michell i Francuz Pierre-Simon de Laplace niezależnie wysunęli hipotezę o istnieniu „niewidzialnych gwiazd”; podczas gdy opierały się na zwykłych prawach dynamiki i prawie powszechnego ciążenia Newtona. Dziś czarne dziury mają swoje poprawny opis na podstawie ogólnej teorii względności Einsteina.
W swojej pracy „Oświadczenie o systemie świata” (1796) Laplace napisał: „Jasna gwiazda o tej samej gęstości co Ziemia, o średnicy 250 razy większej niż średnica Słońca, ze względu na jej przyciąganie grawitacyjne, by nie dopuściły do nas promienie światła. Dlatego możliwe jest, że z tego powodu największe i najjaśniejsze ciała niebieskie są niewidoczne.
Niezwyciężona Grawitacja
Pomysł Laplace'a opierał się na koncepcji prędkości ucieczki (drugiej prędkości kosmicznej). Czarna dziura to tak gęsty obiekt, że jego przyciąganie jest w stanie zatrzymać nawet światło, które rozwija największą prędkość w przyrodzie (prawie 300 000 km/s). W praktyce, aby uciec z czarnej dziury, potrzebna jest prędkość większa niż prędkość światła, ale to niemożliwe!
Oznacza to, że tego rodzaju gwiazda byłaby niewidoczna, ponieważ nawet światło nie byłoby w stanie pokonać jej potężnej grawitacji. Einstein tłumaczył ten fakt zjawiskiem ugięcia światła pod wpływem pola grawitacyjnego. W rzeczywistości w pobliżu czarnej dziury czasoprzestrzeń jest tak zakrzywiona, że ścieżki promieni świetlnych również zamykają się na sobie. Aby zamienić Słońce w czarną dziurę, będziemy musieli skoncentrować całą jego masę w kuli o promieniu 3 km, a Ziemia będzie musiała zamienić się w kulę o promieniu 9 mm!
Jakieś dziesięć lat temu obserwacje sugerowały istnienie dwóch typów czarnych dziur: gwiezdnej, której masa jest porównywalna z masą Słońca lub nieznacznie ją przekracza, oraz supermasywnej, której masa wynosi od kilkuset tysięcy do wielu milionów mas Słońca. Jednak stosunkowo niedawno zdjęcia rentgenowskie o wysokiej rozdzielczości i widma uzyskane ze sztucznych satelitów, takich jak Chandra i XMM-Newton, wysunęły na pierwszy plan trzeci typ czarnej dziury – o średniej masie przekraczającej tysiące razy masę Słońca. .
Gwiezdne czarne dziury stały się znane wcześniej niż inne. Tworzą się, gdy gwiazda o dużej masie na końcu swojego ścieżka ewolucyjna wyczerpuje się paliwo jądrowe i zapada się pod wpływem własnej grawitacji. Eksplozja, która niszczy gwiazdy (znana jako „eksplozja supernowej”), ma katastrofalne skutki: jeśli jądro gwiazdy ma masę większą niż 10 mas Słońca, żadna siła jądrowa nie jest w stanie wytrzymać grawitacyjnego kolapsu, który spowoduje pojawienie się czarna dziura.
Supermasywne czarne dziury, po raz pierwszy zauważone w jądrach niektórych aktywnych galaktyk, mają inne pochodzenie. Istnieje kilka hipotez dotyczących ich narodzin: gwiezdna czarna dziura, która przez miliony lat pożera wszystkie otaczające ją gwiazdy; połączona gromada czarnych dziur; kolosalna chmura gazu zapadająca się bezpośrednio w czarną dziurę. Te czarne dziury należą do najbardziej energetycznych obiektów w kosmosie. Znajdują się one w centrach bardzo wielu galaktyk, jeśli nie wszystkich. Nasza Galaktyka również ma taką czarną dziurę. Czasami, ze względu na obecność takiej czarnej dziury, jądra tych galaktyk stają się bardzo jasne. Galaktyki z czarnymi dziurami w centrum otoczone duża ilość opadającej materii, a zatem zdolne do wytworzenia kolosalnej ilości energii, nazywane są „aktywnymi”, a ich jądra nazywane są „aktywnymi jądrami galaktycznymi” (AGN). Na przykład kwazary (najbardziej odległe obiekty kosmiczne dostępne dla naszych obserwacji) to aktywne galaktyki, w których widzimy tylko bardzo jasne jądro.
Średni i „mini”
Kolejną tajemnicą pozostają czarne dziury o średniej masie, które według ostatnich badań mogą znajdować się w centrum niektórych gromad kulistych, takich jak M13 i NCC 6388. Wielu astronomów odnosi się sceptycznie do tych obiektów, ale niektóre niedawne badania sugerują obecność czarne dziury średniej wielkości nawet niedaleko centrum naszej Galaktyki. Angielski fizyk Stephen Hawking przedstawił również teoretyczne założenie o istnieniu czwartego typu czarnej dziury – „mini-dziury” o masie zaledwie miliarda ton (co jest w przybliżeniu równej masie dużej góry). To jest o o obiektach pierwotnych, czyli tych, które pojawiły się w pierwszych chwilach życia Wszechświata, kiedy ciśnienie było jeszcze bardzo wysokie. Jednak nie odkryto jeszcze śladu ich istnienia.
Zaledwie kilka lat temu nad czarnymi dziurami zapaliło się światło. Dzięki stale ulepszanym instrumentom i technologiom (zarówno naziemnym, jak i kosmicznym) obiekty te stają się coraz mniej tajemnicze; dokładniej, otaczająca je przestrzeń staje się mniej tajemnicza. Rzeczywiście, ponieważ sama czarna dziura jest niewidoczna, możemy ją rozpoznać tylko wtedy, gdy jest otoczona wystarczającą ilością materii (gwiazdy i gorący gaz) krążących wokół niej w niewielkiej odległości.
Oglądanie podwójnych systemów
Niektóre gwiezdne czarne dziury odkryto obserwując ruch orbitalny gwiazdy wokół niewidzialnego towarzysza układu podwójnego. Bliskie układy podwójne (czyli składające się z dwóch gwiazd bardzo blisko siebie), w których jeden z towarzyszy jest niewidoczny, są ulubionym obiektem obserwacji astrofizyków poszukujących czarnych dziur.
Oznaką obecności czarnej dziury (lub gwiazdy neutronowej) jest silna emisja promieniowania rentgenowskiego, spowodowana złożonym mechanizmem, który można schematycznie opisać w następujący sposób. Ze względu na swoją potężną grawitację czarna dziura może wyrwać materię z gwiazdy towarzyszącej; gaz ten jest rozprowadzany w postaci płaskiego dysku i opada spiralnie do czarnej dziury. Tarcie powstałe w wyniku zderzeń cząstek spadającego gazu nagrzewa wewnętrzne warstwy dysku do kilku milionów stopni, co powoduje potężną emisję promieniowania rentgenowskiego.
Obserwacje rentgenowskie
Prowadzone od kilkudziesięciu lat obserwacje w promieniach X obiektów w naszej Galaktyce i sąsiednich galaktykach umożliwiły wykrycie zwartych źródeł podwójnych, z których kilkanaście to układy zawierające kandydujące czarne dziury. Głównym problemem jest określenie masy niewidzialnego ciała niebieskiego. Wartość masy (choć niezbyt dokładną) można określić badając ruch towarzysza lub, co jest znacznie trudniejsze, mierząc intensywność promieniowania rentgenowskiego padającej materii. Intensywność ta jest połączona równaniem z masą ciała, na które spada ta substancja.
Laureat Nagrody Nobla
Coś podobnego można powiedzieć o supermasywnych czarnych dziurach obserwowanych w jądrach wielu galaktyk, których masy szacuje się na podstawie pomiaru prędkości orbitalnych gazu wpadającego do czarnej dziury. W tym przypadku, wywołanym silnym polem grawitacyjnym bardzo dużego obiektu, gwałtowny wzrost prędkości obłoków gazu krążących w centrum galaktyk ujawniają obserwacje zarówno w zakresie radiowym, jak i wiązkach optycznych. Obserwacje w zakresie promieniowania rentgenowskiego mogą potwierdzić zwiększone uwalnianie energii spowodowane opadaniem materii do czarnej dziury. Badania nad promieniami X na początku lat 60. rozpoczął włoski Riccardo Giacconi, który pracował w USA. W 2002 roku otrzymał Nagrodę Nobla w uznaniu jego „przełomowego wkładu w astrofizykę, który doprowadził do odkrycia źródeł promieniowania rentgenowskiego w kosmosie”.
Nasza Galaktyka nie jest odporna na obecność obiektów kandydujących do czarnych dziur. Na szczęście żaden z tych obiektów nie znajduje się na tyle blisko nas, aby zagrażał istnieniu Ziemi czy Układu Słonecznego. Mimo duża liczba odnotowaliśmy kompaktowe źródła promieniowania rentgenowskiego (a są to najbardziej prawdopodobni kandydaci do znalezienia tam czarnych dziur), nie jesteśmy pewni, czy faktycznie zawierają one czarne dziury. Jedynym spośród tych źródeł, które nie ma alternatywnej wersji, jest bliski podwójny Cygnus X-1, czyli najjaśniejsze źródło promieniowania rentgenowskiego w konstelacji Łabędzia.
Ten system, którego okres obiegu wynosi 5,6 dni, składa się z bardzo jasnej niebieskiej gwiazdy duży rozmiar(jego średnica jest 20 razy większa od Słońca, a masa około 30 razy), łatwo dostrzegalna nawet w teleskopie, oraz niewidzialna druga gwiazda, której masa szacowana jest na kilka mas Słońca (do 10). Położona w odległości 6500 lat świetlnych od nas druga gwiazda byłaby doskonale widoczna, gdyby była zwykłą gwiazdą. Jego niewidzialność, silne promieniowanie rentgenowskie układu i wreszcie oszacowanie masy sprawiają, że większość astronomów wierzy, że jest to pierwsze potwierdzone odkrycie gwiezdnej czarnej dziury.
Wątpienie
Jednak są też sceptycy. Wśród nich jest jeden z największych badaczy czarnych dziur, fizyk Stephen Hawking. Postawił nawet zakład ze swoim amerykańskim kolegą Keelem Thorne, zagorzałym zwolennikiem klasyfikacji Cygnus X-1 jako czarnej dziury.
Spór o naturę obiektu Cygnus X-1 nie jest jedynym zakładem Hawkinga. Poświęciwszy kilkadziesiąt lat na teoretyczne badania czarnych dziur, przekonał się o błędności swoich wcześniejszych wyobrażeń na temat tych tajemniczych obiektów.W szczególności Hawking założył, że materia po wpadnięciu do czarnej dziury znika na zawsze, a wraz z nią cały jej bagaż informacyjny. . Był tego tak pewien, że postawił na ten temat w 1997 roku ze swoim amerykańskim kolegą Johnem Preskillem.
Przyznanie się do błędu
21 lipca 2004 r. w swoim przemówieniu na Kongresie Relatywności w Dublinie Hawking przyznał, że Preskill miał rację. Czarne dziury nie prowadzą do całkowitego zniknięcia materii. Co więcej, mają pewien rodzaj „pamięci”. Wewnątrz mogą być przechowywane ślady tego, co wchłonęły. W ten sposób „odparowując” (czyli powoli emitując promieniowanie w wyniku efektu kwantowego), mogą zwrócić tę informację do naszego Wszechświata.
Astronomowie wciąż mają wiele wątpliwości co do obecności gwiezdnych czarnych dziur w naszej Galaktyce (takich jak ta, która należy do układu podwójnego Cygnus X-1); ale jest znacznie mniej wątpliwości co do supermasywnych czarnych dziur.
W naszej Galaktyce istnieje co najmniej jedna supermasywna czarna dziura. Jego źródło, znane jako Strzelec A*, znajduje się dokładnie w centrum płaszczyzny Drogi Mlecznej. Jego nazwę tłumaczy fakt, że jest to najpotężniejsze źródło radiowe w konstelacji Strzelca. To w tym kierunku zlokalizowane są zarówno geometryczne, jak i fizyczne centra naszego układu galaktycznego. Położona w odległości około 26 000 lat świetlnych od nas supermasywna czarna dziura związana ze źródłem fal radiowych, Sagittarius A *, ma masę szacowaną na około 4 miliony mas Słońca, zamknięta w przestrzeni o objętości porównywalnej do objętość układu słonecznego. Jej względna bliskość do nas (ta supermasywna czarna dziura jest bez wątpienia najbliżej Ziemi) spowodowała ostatnie lata obiekt przeszedł szczególnie głębokie badania z pomocą obserwatorium kosmicznego Chandra. Okazało się w szczególności, że jest to także potężne źródło promieniowania rentgenowskiego (ale nie tak silne jak źródła w aktywnych jądrach galaktyk). Strzelec A* jest prawdopodobnie uśpioną pozostałością tego, co było aktywnym jądrem naszej galaktyki miliony lub miliardy lat temu.
Jednak niektórzy astronomowie uważają, że w naszej galaktyce jest jeszcze jedna niespodzianka. Mówimy o drugiej czarnej dziurze o średniej masie, która łączy gromadę młodych gwiazd i nie pozwala im wpaść w supermasywną czarną dziurę położoną w centrum samej Galaktyki. Jak to możliwe, że w odległości mniej niż jednego roku świetlnego może być? gwiazdozbiór wiek, który ledwie osiągnął 10 milionów lat, czyli według astronomicznych standardów bardzo młody? Zdaniem naukowców odpowiedź tkwi w tym, że gromada nie narodziła się tam (środowisko wokół centralnej czarnej dziury jest zbyt nieprzyjazne dla formowania się gwiazd), ale została tam „przyciągnięta” ze względu na istnienie wewnątrz drugiej czarnej dziury. to, który ma masę wartości średnich.
Poszczególne gwiazdy gromady, przyciągane przez supermasywną czarną dziurę, zaczęły przesuwać się w kierunku centrum galaktyki. Jednak zamiast rozproszyć się w kosmosie, pozostają razem ze względu na przyciąganie drugiej czarnej dziury znajdującej się w centrum gromady. Masę tej czarnej dziury można oszacować na podstawie jej zdolności do utrzymywania całej gromady gwiazd „na smyczy”. Średniej wielkości czarna dziura wydaje się krążyć wokół centralnej czarnej dziury za około 100 lat. Oznacza to, że wieloletnie obserwacje na przestrzeni wielu lat pozwolą nam to „zobaczyć”.
Ze wszystkich znanych ludzkości obiektów znajdujących się w przestrzeni kosmicznej czarne dziury wywołują najstraszniejsze i niezrozumiałe wrażenie. To uczucie obejmuje prawie każdą osobę na wzmiankę o czarnych dziurach, mimo że ludzkość zdaje sobie z tego sprawę od ponad półtora wieku. Pierwszą wiedzę o tych zjawiskach uzyskano na długo przed publikacjami Einsteina z teorii względności. Ale prawdziwe potwierdzenie istnienia tych obiektów uzyskano nie tak dawno temu.
Oczywiście czarne dziury słusznie słyną z dziwnych cech fizycznych, które dają początek jeszcze większej liczbie tajemnic we wszechświecie. Z łatwością przeciwstawiają się wszystkim kosmicznym prawom fizyki i kosmicznej mechaniki. Aby zrozumieć wszystkie szczegóły i zasady istnienia takiego zjawiska jak kosmiczna dziura, musimy zapoznać się ze współczesnymi osiągnięciami astronomii i zastosować fantazję, dodatkowo będziemy musieli wyjść poza standardowe koncepcje. Dla łatwiejszego zrozumienia i zaznajomienia się z dziurami kosmicznymi portal przygotował wiele ciekawych informacji, które dotyczą tych zjawisk we Wszechświecie.
Przede wszystkim należy zauważyć, że czarne dziury nie biorą się znikąd, powstają z gwiazd, które mają gigantyczne rozmiary i masy. Ponadto najbardziej duża funkcja a wyjątkowość każdej czarnej dziury polega na tym, że mają bardzo silne przyciąganie grawitacyjne. Siła przyciągania obiektów do czarnej dziury przekracza drugą prędkość kosmiczną. Takie wskaźniki grawitacji wskazują, że nawet promienie światła nie mogą uciec z pola działania czarnej dziury, ponieważ mają znacznie mniejszą prędkość.
Cechę przyciągania można nazwać faktem, że przyciąga wszystkie obiekty znajdujące się w bliskiej odległości. Im większy obiekt, który przechodzi w pobliżu czarnej dziury, tym większy wpływ i przyciąganie otrzyma. W związku z tym możemy stwierdzić, że im większy obiekt, tym silniejsza jest przyciągana przez czarną dziurę, a aby uniknąć takiego wpływu, ciało kosmiczne musi mieć bardzo wysokie wskaźniki prędkości ruchu.
Można też śmiało powiedzieć, że w całym Wszechświecie nie ma takiego ciała, które mogłoby uniknąć przyciągania czarnej dziury znajdującej się w bliskiej odległości, ponieważ nawet najszybszy strumień światła nie może uniknąć tego wpływu. Teoria względności Einsteina doskonale nadaje się do zrozumienia cech czarnych dziur. Zgodnie z tą teorią grawitacja może wpływać na zniekształcenia czasu i przestrzeni. Mówi również, że im większy obiekt w przestrzeni kosmicznej, tym bardziej spowalnia czas. W pobliżu samej czarnej dziury czas wydaje się całkowicie zatrzymywać. Kiedy statek kosmiczny wejdzie w pole działania dziury kosmicznej, można zaobserwować, jak zwalnia, gdy się zbliża, a ostatecznie całkowicie znika.
Nie powinieneś się bardzo bać zjawisk takich jak czarne dziury i wierzyć we wszystkie nienaukowe informacje, które mogą w tej chwili istnieć. Przede wszystkim musimy obalić najpopularniejszy mit, że czarne dziury mogą wciągać całą materię i przedmioty wokół siebie, a przez to rosną i pochłaniają coraz więcej. Wszystko to nie jest do końca prawdą. Tak, rzeczywiście, mogą wchłonąć ciała kosmiczne i materię, ale tylko te, które znajdują się w pewnej odległości od samej dziury. Poza silną grawitacją nie różnią się zbytnio od zwykłych gwiazd o gigantycznej masie. Nawet gdy nasze Słońce zamieni się w czarną dziurę, będzie mogło przyciągać tylko obiekty znajdujące się w niewielkiej odległości, a wszystkie planety będą nadal krążyć po swoich zwykłych orbitach.
Odwołując się do teorii względności, możemy stwierdzić, że wszystkie obiekty o silnej grawitacji mogą wpływać na krzywiznę czasu i przestrzeni. Ponadto im większa masa ciała, tym silniejsze zniekształcenie. Tak więc całkiem niedawno naukowcom udało się to zobaczyć w praktyce, kiedy można było kontemplować inne obiekty, które powinny być niedostępne dla naszych oczu ze względu na ogromne ciała kosmiczne, takie jak galaktyki czy czarne dziury. Wszystko to jest możliwe dzięki temu, że promienie świetlne przechodzące w pobliżu czarnej dziury lub innego ciała bardzo mocno uginają się pod wpływem ich grawitacji. Ten rodzaj zniekształcenia pozwala naukowcom spojrzeć znacznie dalej w przestrzeń kosmiczną. Ale przy takich badaniach bardzo trudno jest określić rzeczywistą lokalizację badanego ciała.
Czarne dziury nie pojawiają się znikąd, powstają w wyniku eksplozji supermasywnych gwiazd. Co więcej, aby powstała czarna dziura, masa eksplodującej gwiazdy musi być co najmniej dziesięć razy większa niż masa Słońca. Każda gwiazda istnieje dzięki termicznemu reakcje jądrowe które przechodzą wewnątrz gwiazdy. W tym przypadku podczas procesu fuzji uwalniany jest stop wodoru, ale nie może on opuścić strefy wpływu gwiazdy, ponieważ jej grawitacja przyciąga z powrotem wodór. Cały ten proces pozwala gwiazdom istnieć. Synteza wodoru i grawitacja gwiazdy to dobrze znane mechanizmy, ale naruszenie tej równowagi może doprowadzić do wybuchu gwiazdy. W większości przypadków jest to spowodowane wyczerpaniem się paliwa jądrowego.
W zależności od masy gwiazdy możliwych jest kilka scenariuszy ich rozwoju po wybuchu. Tak więc masywne gwiazdy tworzą pole wybuchu supernowej, a większość z nich pozostaje za jądrem poprzedniej gwiazdy, astronauci nazywają takie obiekty białymi karłami. W większości przypadków wokół tych ciał tworzy się chmura gazu, która jest utrzymywana przez grawitację tego karła. Możliwy jest również inny sposób rozwoju supermasywnych gwiazd, w którym powstała czarna dziura bardzo silnie przyciągnie całą materię gwiazdy do jej centrum, co doprowadzi do jej silnej kompresji.
Takie skompresowane ciała nazywane są gwiazdami neutronowymi. W najrzadszych przypadkach, po wybuchu gwiazdy, możliwe jest powstanie czarnej dziury w naszym rozumieniu tego zjawiska. Ale żeby powstała dziura, masa gwiazdy musi być po prostu gigantyczna. W tym przypadku, gdy równowaga reakcji jądrowych jest zaburzona, grawitacja gwiazdy po prostu szaleje. Jednocześnie zaczyna się aktywnie zapadać, po czym staje się tylko punktem w przestrzeni. Innymi słowy, możemy powiedzieć, że gwiazda jako obiekt fizyczny przestaje istnieć. Pomimo tego, że znika, tworzy się za nią czarna dziura o tej samej grawitacji i masie.
To właśnie zapadanie się gwiazd prowadzi do tego, że całkowicie znikają, a na ich miejscu powstaje czarna dziura o takich samych właściwościach fizycznych jak zniknięta gwiazda. Różnica polega tylko na większym stopniu kompresji dziury niż objętość gwiazdy. Najważniejszą cechą wszystkich czarnych dziur jest ich osobliwość, która determinuje ich środek. Ten obszar sprzeciwia się wszystkim prawom fizyki, materii i przestrzeni, które przestają istnieć. Aby zrozumieć pojęcie osobliwości, możemy powiedzieć, że jest to bariera, którą nazywamy horyzontem kosmicznych zdarzeń. Jest to również zewnętrzna granica czarnej dziury. Osobliwość można nazwać punktem bez powrotu, ponieważ tam zaczyna działać gigantyczna siła grawitacyjna dziury. Nawet światło, które przekracza tę barierę, nie jest w stanie uciec.
Horyzont zdarzeń ma tak atrakcyjny efekt, że przyciąga wszystkie ciała z prędkością światła, a wraz ze zbliżaniem się do samej czarnej dziury wskaźniki prędkości rosną jeszcze bardziej. Dlatego wszystkie przedmioty, które wpadną w strefę działania tej siły, są skazane na zassanie do dziury. Należy zauważyć, że takie siły są w stanie zmodyfikować ciało, które znalazło się pod wpływem takiego przyciągania, po czym zostają rozciągnięte w cienką strunę, a następnie całkowicie przestają istnieć w przestrzeni.
Odległość między horyzontem zdarzeń a osobliwością może być różna, ta przestrzeń nazywa się promieniem Schwarzschilda. Dlatego co? większy rozmiar czarna dziura, tym większy będzie promień działania. Na przykład możemy powiedzieć, że czarna dziura, która miałaby taką samą masę jak nasze Słońce, miałaby promień Schwarzschilda wynoszący trzy kilometry. W związku z tym duże czarne dziury mają większy promień działania.
Poszukiwanie czarnych dziur jest dość trudnym procesem, ponieważ światło nie może z nich uciec. Dlatego poszukiwania i definicja opierają się jedynie na pośrednich dowodach ich istnienia. przez większość prosta metoda znajdowanie ich, którego używają naukowcy, polega na szukaniu ich poprzez znajdowanie miejsc w ciemnej przestrzeni, jeśli mają dużą masę. W większości przypadków astronomowie mogą znaleźć czarne dziury w układach podwójnych gwiazd lub w centrach galaktyk.
Większość astronomów wierzy, że w centrum naszej galaktyki znajduje się również superpotężna czarna dziura. To stwierdzenie nasuwa pytanie, czy ta dziura może pochłonąć wszystko w naszej galaktyce? W rzeczywistości jest to niemożliwe, ponieważ sama dziura ma taką samą masę jak gwiazdy, ponieważ jest wykonana z gwiazdy. Co więcej, wszystkie obliczenia naukowców nie zapowiadają żadnych globalnych wydarzeń związanych z tym obiektem. Co więcej, przez miliardy lat ciała kosmiczne naszej galaktyki będą cicho obracać się wokół tej czarnej dziury bez żadnych zmian. Dowodem na istnienie dziury w centrum Drogi Mlecznej mogą być zarejestrowane przez naukowców fale rentgenowskie. Większość astronomów wierzy, że czarne dziury aktywnie emitują je w dużych ilościach.
Dość często w naszej galaktyce powszechne są układy gwiezdne składające się z dwóch gwiazd i często jedna z nich może stać się czarną dziurą. W tej wersji czarna dziura pochłania wszystkie ciała na swojej drodze, podczas gdy materia zaczyna się wokół niej obracać, dzięki czemu powstaje tzw. dysk przyspieszenia. Cechę można nazwać faktem, że zwiększa prędkość obrotu i zbliża się do środka. To materia, która wchodzi w środek czarnej dziury, emituje promieniowanie rentgenowskie, a sama materia ulega zniszczeniu.
Binarne układy gwiazd są pierwszymi kandydatami do statusu czarnej dziury. W takich systemach najłatwiej jest znaleźć czarną dziurę ze względu na objętość widoczna gwiazda możesz także obliczyć wskaźniki niewidzialnego brata. Obecnie pierwszym kandydatem do statusu czarnej dziury może być gwiazda z konstelacji Łabędzia, która aktywnie emituje promieniowanie rentgenowskie.
Wyciągając wniosek z powyższego na temat czarnych dziur, możemy powiedzieć, że nie są one aż tak niebezpiecznym zjawiskiem, oczywiście w przypadku bliskiej odległości są najpotężniejszymi obiektami w przestrzeni kosmicznej ze względu na siłę grawitacji. Dlatego możemy powiedzieć, że nie różnią się one szczególnie od innych ciał, ich główną cechą jest silne pole grawitacyjne.
Jeśli chodzi o przeznaczenie czarnych dziur, zaproponowano ogromną liczbę teorii, wśród których były nawet absurdalne. Tak więc, według jednego z nich, naukowcy wierzyli, że czarne dziury mogą dać początek nowym galaktykom. Ta teoria polega na tym, że nasz świat jest dość korzystnym miejscem dla powstania życia, ale gdyby jeden z czynników się zmienił, życie byłoby niemożliwe. Z tego powodu osobliwość i cechy zmiany właściwości fizyczne w czarnych dziurach może dać początek zupełnie nowemu wszechświatowi, który będzie znacząco różnił się od naszego. Ale to tylko teoria i raczej słaba ze względu na fakt, że nie ma dowodów na taki efekt czarnych dziur.
Czarne dziury mogą nie tylko pochłaniać materię, ale także odparowywać. Podobne zjawisko zostało udowodnione kilkadziesiąt lat temu. To parowanie może spowodować, że czarna dziura straci całą swoją masę, a następnie całkowicie zniknie.
Wszystko to jest najmniejszą informacją o czarnych dziurach, jaką można znaleźć na stronie portalu. Mamy też ogromną ilość ciekawych informacji o innych zjawiskach kosmicznych.
Czarne dziury, ciemna materia, ciemna materia... To bez wątpienia najdziwniejsze i najbardziej tajemnicze przedmioty w kosmosie. Ich dziwaczne właściwości mogą przeczyć prawom fizyki we wszechświecie, a nawet naturze istniejącej rzeczywistości. Aby zrozumieć, czym są czarne dziury, naukowcy proponują „zmianę punktów orientacyjnych”, nauczenie się myślenia nieszablonowego i zastosowanie odrobiny wyobraźni. Czarne dziury powstają z jąder supermasywnych gwiazd, które można opisać jako obszar przestrzeni, w którym w próżni koncentruje się ogromna masa i nic, nawet światło, nie może uciec przed przyciąganiem grawitacyjnym. Jest to obszar, w którym druga prędkość kosmiczna przekracza prędkość światła: A im bardziej masywny obiekt ruchu, tym szybciej musi się poruszać, aby pozbyć się swojej grawitacji. Jest to znane jako druga prędkość ucieczki.
Encyklopedia Collier nazywa czarną dziurę regionem w przestrzeni, który powstał w wyniku całkowitego grawitacyjnego załamania się materii, w którym przyciąganie grawitacyjne jest tak silne, że ani materia, ani światło, ani inne nośniki informacji nie mogą go opuścić. Dlatego wnętrze czarnej dziury jest przyczynowo niezwiązane z resztą wszechświata; procesy fizyczne zachodzące wewnątrz czarnej dziury nie mogą wpływać na procesy poza nią. Czarna dziura jest otoczona powierzchnią mającą właściwość jednokierunkowej membrany: materia i promieniowanie swobodnie przez nią wpadają do czarnej dziury, ale nic nie może z niej uciec. Ta powierzchnia nazywana jest „horyzontem zdarzeń”.
Czarne dziury, przewidziane przez ogólną teorię względności (teorię grawitacji zaproponowaną przez Einsteina w 1915) i inne, bardziej współczesne teorie grawitacji, zostały matematycznie potwierdzone przez R. Oppenheimera i H. Snydera w 1939. Ale własności przestrzeni i czasu w sąsiedztwie tych obiektów okazały się na tyle niezwykłe, że astronomowie i fizycy przez 25 lat nie traktowali ich poważnie. Jednak odkrycia astronomiczne w połowie lat 60. zmusiły nas do spojrzenia na czarne dziury jako możliwą rzeczywistość fizyczną. Nowe odkrycia i badania mogą fundamentalnie zmienić nasze rozumienie przestrzeni i czasu, rzucając światło na miliardy kosmicznych tajemnic.
Podczas gdy reakcje termojądrowe zachodzą we wnętrzu gwiazdy, utrzymują wysoką temperaturę i ciśnienie, zapobiegając zapadaniu się gwiazdy pod wpływem jej własnej grawitacji. Jednak z czasem paliwo jądrowe się wyczerpuje, a gwiazda zaczyna się kurczyć. Z obliczeń wynika, że jeśli masa gwiazdy nie przekroczy trzech mas Słońca, to wygra „bitwę z grawitacją”: jej grawitacyjny kolaps zostanie zatrzymany przez ciśnienie „zdegenerowanej” materii, a gwiazda na zawsze zmieni się w biały karzeł lub gwiazda neutronowa. Ale jeśli masa gwiazdy jest większa niż trzy słoneczna, nic nie może powstrzymać jej katastrofalnego kolapsu i szybko zniknie ona pod horyzontem zdarzeń, stając się czarną dziurą.
Wszystko, co nie emituje światła, jest trudne do zobaczenia. Jednym ze sposobów poszukiwania czarnej dziury jest poszukiwanie obszarów w przestrzeni kosmicznej, które mają dużą masę i znajdują się w ciemnej przestrzeni. Szukając tego typu obiektów, astronomowie znaleźli je w dwóch głównych obszarach: w centrach galaktyk oraz w układach podwójnych gwiazd w naszej Galaktyce. W sumie, jak sugerują naukowcy, takich obiektów jest kilkadziesiąt milionów.
Obecnie jedyny niezawodny sposób na rozróżnienie czarna dziura z obiektu innego typu jest zmierzenie masy i wymiarów obiektu oraz porównanie jego promienia z
24 stycznia 2013 r.
Spośród wszystkich hipotetycznych obiektów we wszechświecie przewidzianych przez teorie naukowe, czarne dziury wywołują najbardziej upiorne wrażenie. I chociaż założenia dotyczące ich istnienia zaczęto formułować prawie półtora wieku przed opublikowaniem przez Einsteina ogólnej teorii względności, całkiem niedawno uzyskano przekonujące dowody na ich istnienie.
Zacznijmy od tego, jak ogólna teoria względności zajmuje się kwestią natury grawitacji. Prawo powszechnego ciążenia Newtona mówi, że pomiędzy dowolnymi dwoma masywnymi ciałami we wszechświecie istnieje siła wzajemnego przyciągania. Z powodu tego przyciągania grawitacyjnego Ziemia obraca się wokół Słońca. Ogólna teoria względności zmusza nas do innego spojrzenia na układ Słońce-Ziemia. Zgodnie z tą teorią, w obecności tak masywnego ciała niebieskiego jak Słońce, czasoprzestrzeń niejako zapada się pod swoim ciężarem, a jednolitość jej tkanki zostaje zakłócona. Wyobraź sobie elastyczną trampolinę, na której leży ciężka piłka (na przykład z kręgielni). Rozciągnięty materiał ugina się pod jego ciężarem, tworząc rozrzedzenie wokół. W ten sam sposób Słońce przesuwa czasoprzestrzeń wokół siebie.
Zgodnie z tym obrazem, Ziemia po prostu toczy się wokół powstałego lejka (z wyjątkiem tego, że mała kulka tocząca się wokół ciężkiej na trampolinie nieuchronnie straci prędkość i potoczy się w kierunku dużej). I to, co zwykle postrzegamy jako siłę grawitacji w naszym Życie codzienne, to także nic innego jak zmiana geometrii czasoprzestrzeni, a nie siła w sensie newtonowskim. Do tej pory nie wynaleziono bardziej udanego wyjaśnienia natury grawitacji niż daje nam ogólna teoria względności.
A teraz wyobraź sobie, co się stanie, jeśli w ramach proponowanego obrazu zwiększymy i zwiększymy masę ciężkiej kuli, nie zwiększając jej wymiarów fizycznych? Będąc absolutnie elastycznym, lejek będzie się pogłębiał, aż jego górne krawędzie zbiegną się gdzieś wysoko nad całkowicie cięższą kulką, a potem po prostu przestanie istnieć, patrząc z powierzchni. W rzeczywistym Wszechświecie, po zgromadzeniu wystarczającej masy i gęstości materii, obiekt zarzuca wokół siebie czasoprzestrzenną pułapkę, tkanka czasoprzestrzeni zamyka się i traci kontakt z resztą Wszechświata, stając się dla niego niewidzialnym. W ten sposób powstaje czarna dziura.
Schwarzschild i jemu współcześni wierzyli, że takie dziwne kosmiczne obiekty nie istnieją w naturze. Sam Einstein nie tylko trzymał się tego punktu widzenia, ale także błędnie wierzył, że zdołał uzasadnić swoją opinię matematycznie.
W latach trzydziestych młody indyjski astrofizyk Chandrasekhar udowodnił, że gwiazda, która zużyła paliwo jądrowe, zrzuca swoją powłokę i zamienia się w powoli stygnącego białego karła tylko wtedy, gdy jej masa jest mniejsza niż 1,4 masy Słońca. Wkrótce Amerykanin Fritz Zwicky domyślił się, że w wybuchach supernowych powstają niezwykle gęste ciała materii neutronowej; Później do tego samego wniosku doszedł Lew Landau. Po pracach Chandrasekhara było oczywiste, że tylko gwiazdy o masie większej niż 1,4 masy Słońca mogą przejść taką ewolucję. W związku z tym pojawiło się naturalne pytanie - czy istnieje górna granica masy dla supernowych, które gwiazdy neutronowe pozostawiają za sobą?
Pod koniec lat 30. przyszły ojciec Amerykanina bomba atomowa Robert Oppenheimer odkrył, że taka granica rzeczywiście istnieje i nie przekracza kilku mas Słońca. Nie było wówczas możliwości dokładniejszej oceny; obecnie wiadomo, że masy gwiazd neutronowych muszą mieścić się w zakresie 1,5-3 Ms. Ale nawet z przybliżonych obliczeń Oppenheimera i jego doktoranta George'a Volkova wynikało, że najmasywniejsi potomkowie supernowych nie stają się gwiazdami neutronowymi, ale przechodzą w inny stan. W 1939 roku Oppenheimer i Hartland Snyder udowodnili w wyidealizowanym modelu, że masywna zapadająca się gwiazda kurczy się do swojego promienia grawitacyjnego. Z ich formuł w istocie wynika, że gwiazda na tym się nie kończy, ale współautorzy powstrzymali się od tak radykalnego wniosku.
09.07.1911 - 13.04.2008
Ostateczna odpowiedź została znaleziona w drugiej połowie XX wieku dzięki wysiłkom galaktyki znakomitych fizyków teoretycznych, w tym sowieckich. Okazało się, że takie zawalenie zawsze ściska gwiazdę „do oporu”, całkowicie niszcząc jej substancję. W efekcie powstaje osobliwość, „superkoncentrat” pola grawitacyjnego, zamknięty w nieskończenie małej objętości. W przypadku stałego otworu jest to punkt, w przypadku obrotowego otworu jest to pierścień. Krzywizna czasoprzestrzeni i w konsekwencji siła grawitacji w pobliżu osobliwości zmierzają do nieskończoności. Pod koniec 1967 roku amerykański fizyk John Archibald Wheeler jako pierwszy nazwał takie ostateczne zapadnięcie się gwiazdy czarną dziurą. Nowy semestr kochany przez fizyków i zachwycony dziennikarzami, którzy rozpowszechniali go na całym świecie (choć Francuzi z początku go nie lubili, bo określenie trou noir sugerowało wątpliwe skojarzenia).
Najważniejszą właściwością czarnej dziury jest to, że bez względu na to, co do niej dostanie się, nie powróci. Dotyczy to nawet światła, dlatego też czarne dziury mają swoją nazwę: ciało, które pochłania całe światło, które na nie pada i nie emituje własnego, wydaje się całkowicie czarne. Zgodnie z ogólną teorią względności, jeśli obiekt zbliża się do środka czarnej dziury w krytycznej odległości – odległość ta nazywana jest promieniem Schwarzschilda – nigdy nie może się cofnąć. (Niemiecki astronom Karl Schwarzschild (1873-1916) w ostatnich latach swojego życia, korzystając z równań ogólnej teorii względności Einsteina, obliczył pole grawitacyjne wokół masy o zerowej objętości.) Dla masy Słońca Schwarzschild promień wynosi 3 km, czyli aby zamienić nasze Słońce w czarną dziurę, trzeba skondensować całą jego masę do rozmiarów małego miasteczka!
Wewnątrz promienia Schwarzschilda teoria przewiduje jeszcze dziwniejsze zjawiska: cała materia w czarnej dziurze gromadzi się w nieskończenie małym punkcie o nieskończonej gęstości w jej samym środku - matematycy nazywają taki obiekt osobliwym zaburzeniem. Przy nieskończonej gęstości każda skończona masa materii, z matematycznego punktu widzenia, zajmuje zerową objętość przestrzenną. Nie możemy oczywiście eksperymentalnie zweryfikować, czy to zjawisko rzeczywiście występuje wewnątrz czarnej dziury, ponieważ wszystko, co wpadło w promień Schwarzschilda, nie wraca z powrotem.
Nie mając więc możliwości „oglądnięcia” czarnej dziury w tradycyjnym znaczeniu słowa „patrz”, możemy mimo wszystko wykryć jej obecność po pośrednich oznakach wpływu jej super-potężnego i zupełnie niezwykłego pola grawitacyjnego na otaczającą ją materię. to.
Supermasywne czarne dziury
W centrum naszej Drogi Mlecznej i innych galaktyk znajduje się niesamowicie masywna czarna dziura miliony razy cięższa od Słońca. Te supermasywne czarne dziury (jak się je nazywa) odkryto, obserwując naturę ruchu gazu międzygwiazdowego w pobliżu centrów galaktyk. Gazy, sądząc po obserwacjach, obracają się w bliskiej odległości od supermasywnego obiektu i proste obliczenia posługując się prawami mechaniki Newtona, pokazują, że przyciągający ich obiekt, o niewielkiej średnicy, ma potworną masę. Tylko czarna dziura może w ten sposób obracać gaz międzygwiazdowy w centrum galaktyki. W rzeczywistości astrofizycy odkryli już dziesiątki takich masywnych czarnych dziur w centrach sąsiednich galaktyk i mocno podejrzewają, że centrum każdej galaktyki jest czarną dziurą.
Czarne dziury o masie gwiazd
Zgodnie z naszą obecną wiedzą na temat ewolucji gwiazd, gdy gwiazda o masie większej niż około 30 mas Słońca ginie w wybuchu supernowej, jej zewnętrzna powłoka rozlatuje się, a wewnętrzne warstwy gwałtownie zapadają się w kierunku środka i tworzą czarną dziurę w miejsce gwiazdy, która zużyła swoje zapasy paliwa. Praktycznie niemożliwe jest zidentyfikowanie czarnej dziury tego pochodzenia odizolowanej w przestrzeni międzygwiazdowej, ponieważ znajduje się ona w rozrzedzonej próżni i nie manifestuje się w żaden sposób w przestrzeni. oddziaływania grawitacyjne. Jeśli jednak taka dziura byłaby częścią układu podwójnego gwiazd (dwie gorące gwiazdy krążące wokół swojego środka masy), czarna dziura nadal miałaby wpływ grawitacyjny na swoją gwiazdę partnerską. Astronomowie mają dziś ponad tuzin kandydatów do roli tego rodzaju systemów gwiezdnych, chociaż dla żadnego z nich nie uzyskano rygorystycznych dowodów.
W układzie podwójnym z czarną dziurą w swoim składzie materia „żywej” gwiazdy nieuchronnie „płynie” w kierunku czarnej dziury. A materia wysysana przez czarną dziurę kręci się spiralnie, gdy wpada do czarnej dziury, znikając po przekroczeniu promienia Schwarzschilda. Zbliżając się jednak do śmiertelnej granicy, substancja zassana do lejka czarnej dziury nieuchronnie będzie się skraplać i nagrzewać z powodu częstszych zderzeń pomiędzy pochłanianymi przez dziurę cząsteczkami, aż zostanie podgrzana do energii promieniowania fal w Zakres rentgenowski widma promieniowania elektromagnetycznego. Astronomowie mogą mierzyć częstotliwość zmian natężenia tego rodzaju promieni rentgenowskich i obliczać, porównując je z innymi dostępnymi danymi, przybliżoną masę obiektu, który „przyciąga” na siebie materię. Jeśli masa obiektu przekracza granicę Chandrasekhara (1,4 mas Słońca), obiekt ten nie może być białym karłem, w który nasza oprawa ma się zdegenerować. W większości przypadków obserwowanych obserwacji takich podwójnych gwiazd rentgenowskich gwiazda neutronowa jest obiektem masywnym. Jednak było kilkanaście przypadków, w których jedynym rozsądnym wyjaśnieniem jest obecność czarnej dziury w układzie podwójnym gwiazd.
Wszystkie inne typy czarnych dziur są znacznie bardziej spekulacyjne i opierają się wyłącznie na badaniach teoretycznych - w ogóle nie ma eksperymentalnego potwierdzenia ich istnienia. Po pierwsze są to czarne mini-dziury o masie porównywalnej z masą góry i skompresowane do promienia protonu. Pomysł ich pochodzenia na etap początkowy Powstanie Wszechświata bezpośrednio po Wielkim Wybuchu wyraził angielski kosmolog Stephen Hawking (patrz Ukryta zasada nieodwracalności czasu). Hawking zasugerował, że eksplozje mini-otworów mogą wyjaśnić naprawdę tajemnicze zjawisko wyrzeźbionych rozbłysków promieni gamma we wszechświecie. Po drugie, niektóre teorie cząstek elementarnych przewidują istnienie we Wszechświecie - na poziomie mikro - prawdziwego sita czarnych dziur, które są rodzajem piany ze śmieci wszechświata. Średnica takich mikrootworów to podobno około 10-33 cm – są miliardy razy mniejsze od protonu. W tej chwili nie mamy nadziei na eksperymentalną weryfikację choćby samego faktu istnienia takich czarnych dziur-cząstek, nie mówiąc już o zbadaniu w jakiś sposób ich właściwości.
A co stanie się z obserwatorem, jeśli nagle znajdzie się po drugiej stronie promienia grawitacyjnego, inaczej zwanego horyzontem zdarzeń. Tutaj zaczyna się najbardziej zdumiewająca właściwość czarnych dziur. Nie na próżno, mówiąc o czarnych dziurach, zawsze wspominaliśmy o czasie, a raczej czasoprzestrzeni. Zgodnie z teorią względności Einsteina im szybciej ciało się porusza, tym większa staje się jego masa, ale czas zaczyna płynąć wolniej! Przy niskich prędkościach w normalnych warunkach efekt ten jest niezauważalny, ale jeśli ciało ( statek kosmiczny) porusza się z prędkością bliską prędkości światła, wtedy jego masa wzrasta, a czas zwalnia! Kiedy prędkość ciała jest równa prędkości światła, masa obraca się w nieskończoność, a czas się zatrzymuje! Świadczą o tym ścisłe wzory matematyczne. Wróćmy do czarnej dziury. Wyobraź sobie fantastyczną sytuację, gdy statek kosmiczny z astronautami na pokładzie zbliża się do promienia grawitacyjnego lub horyzontu zdarzeń. Oczywiste jest, że horyzont zdarzeń jest tak nazwany, ponieważ możemy obserwować dowolne zdarzenia (obserwować coś w ogóle) tylko do tej granicy. Że nie jesteśmy w stanie zaobserwować tej granicy. Jednak będąc wewnątrz statku zbliżającego się do czarnej dziury, astronauci poczują się tak samo jak wcześniej, ponieważ. według ich zegarka czas będzie płynął „normalnie”. Statek kosmiczny spokojnie przekroczy horyzont zdarzeń i ruszy dalej. Ale ponieważ jego prędkość będzie zbliżona do prędkości światła, statek kosmiczny dotrze do środka czarnej dziury dosłownie w jednej chwili.
A dla obserwatora zewnętrznego, statek kosmiczny po prostu zatrzyma się na horyzoncie zdarzeń i pozostanie tam prawie na zawsze! Taki jest paradoks ogromnej grawitacji czarnych dziur. Pytanie jest naturalne, ale czy astronauci, którzy podążają w nieskończoność zgodnie z zegarem zewnętrznego obserwatora, pozostaną przy życiu. Nie. I wcale nie chodzi o ogromną grawitację, ale o siły pływowe, które w tak małym i masywnym ciele bardzo się zmieniają na małych odległościach. Przy wzroście astronauty o 1 m 70 cm siły pływowe na jego głowie będą znacznie mniejsze niż u jego stóp, a on po prostu zostanie rozerwany na strzępy już na horyzoncie zdarzeń. Tak więc ogólnie dowiedzieliśmy się, czym są czarne dziury, ale do tej pory mówiliśmy o czarnych dziurach o masie gwiazdowej. Obecnie astronomom udało się wykryć supermasywne czarne dziury, których masa może wynosić nawet miliard słońc! Supermasywne czarne dziury nie różnią się właściwościami od swoich mniejszych odpowiedników. Są tylko znacznie masywniejsze i z reguły znajdują się w centrach galaktyk - gwiezdnych wyspach Wszechświata. W centrum naszej Galaktyki (Drogi Mlecznej) znajduje się również supermasywna czarna dziura. Olbrzymia masa takich czarnych dziur umożliwi ich poszukiwanie nie tylko w naszej Galaktyce, ale także w centrach odległych galaktyk znajdujących się w odległości milionów i miliardów lat świetlnych od Ziemi i Słońca. Europejscy i amerykańscy naukowcy przeprowadzili globalne poszukiwania supermasywnych czarnych dziur, które według współczesnych obliczeń teoretycznych powinny znajdować się w centrum każdej galaktyki.
Nowoczesna technologia umożliwia wykrycie obecności tych kolapsów w sąsiednich galaktykach, ale znaleziono bardzo niewiele. Oznacza to, że albo czarne dziury po prostu chowają się w gęstych obłokach gazu i pyłu w centralnej części galaktyk, albo znajdują się w bardziej odległych zakątkach Wszechświata. Tak więc czarne dziury można wykryć za pomocą promieni rentgenowskich emitowanych podczas akrecji na nich materii, a w celu sporządzenia spisu takich źródeł satelity z teleskopami rentgenowskimi na pokładzie zostały wystrzelone w przestrzeń bliską Ziemi. Poszukując źródeł promieniowania rentgenowskiego, obserwatoria kosmiczne Chandra i Rossi odkryły, że niebo jest wypełnione promieniowaniem rentgenowskim tła i jest miliony razy jaśniejsze niż promieniowanie widzialne. Duża część tej emisji promieniowania rentgenowskiego z nieba musi pochodzić z czarnych dziur. Zwykle w astronomii mówi się o trzech rodzajach czarnych dziur. Pierwsza to czarne dziury o masach gwiazdowych (około 10 mas Słońca). Powstają z masywnych gwiazd, gdy zabraknie im paliwa fuzyjnego. Drugi to supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk (o masach od miliona do miliardów mas Słońca). I wreszcie pierwotne czarne dziury powstałe na początku życia Wszechświata, których masy są niewielkie (rzędu masy dużej asteroidy). W ten sposób duży zakres możliwych mas czarnych dziur pozostaje niewypełniony. Ale gdzie są te dziury? Wypełniając przestrzeń promieniami rentgenowskimi, nie chcą jednak pokazać swojej prawdziwej „twarzy”. Aby jednak zbudować jasną teorię związku między promieniowaniem rentgenowskim tła a czarnymi dziurami, konieczne jest poznanie ich liczby. Do tej pory teleskopy kosmiczne były w stanie wykryć jedynie mała ilość supermasywne czarne dziury, których istnienie można uznać za udowodnione. Pośrednie dowody pozwalają sprowadzić liczbę obserwowalnych czarnych dziur odpowiedzialnych za promieniowanie tła do 15%. Musimy założyć, że reszta supermasywnych czarnych dziur po prostu chowa się za grubą warstwą obłoków pyłowych, które przepuszczają tylko wysokoenergetyczne promienie X lub są zbyt daleko, aby można je było wykryć nowoczesnymi środkami obserwacji.
Supermasywna czarna dziura (sąsiedztwo) w centrum galaktyki M87 (zdjęcie rentgenowskie). Z horyzontu zdarzeń widoczny jest odrzutowiec. Zdjęcie z www.college.ru/astronomy
Poszukiwanie ukrytych czarnych dziur to jedno z głównych zadań współczesnej astronomii rentgenowskiej. Najnowsze przełomy w tej dziedzinie, związane z badaniami z wykorzystaniem teleskopów Chandra i Rossi, obejmują jednak tylko niskoenergetyczny zakres promieniowania rentgenowskiego - około 2000-20 000 elektronowoltów (dla porównania energia promieniowania optycznego wynosi około 2 elektron wolty). wolt). Znaczące poprawki do tych badań może wprowadzić europejski teleskop kosmiczny Integral, który jest w stanie przeniknąć do wciąż niedostatecznie zbadanego obszaru promieniowania rentgenowskiego o energii 20 000–300 000 elektronowoltów. Znaczenie badania tego typu promieni rentgenowskich polega na tym, że chociaż tło rentgenowskie nieba ma niską energię, na tym tle pojawiają się liczne piki (punkty) promieniowania o energii około 30 000 elektronowoltów. Naukowcy muszą jeszcze rozwikłać zagadkę, co generuje te szczyty, a Integral jest pierwszym teleskopem wystarczająco czułym, aby znaleźć takie źródła promieniowania rentgenowskiego. Według astronomów z wysokoenergetycznych wiązek powstają tak zwane obiekty o grubości Comptona, czyli supermasywne czarne dziury spowite powłoką pyłową. To obiekty Comptona są odpowiedzialne za szczyty promieniowania rentgenowskiego o wartości 30 000 elektronowoltów w polu promieniowania tła.
Jednak kontynuując swoje badania, naukowcy doszli do wniosku, że obiekty Comptona stanowią tylko 10% liczby czarnych dziur, które powinny tworzyć piki o wysokiej energii. To poważna przeszkoda w dalszym rozwoju teorii. Czy to oznacza, że brakujące promienie rentgenowskie są dostarczane nie przez grubą Comptona, ale przez zwykłe supermasywne czarne dziury? A co z ekranami przeciwpyłowymi dla promieni rentgenowskich o niskiej energii.? Odpowiedź wydaje się tkwić w fakcie, że wiele czarnych dziur (obiektów Comptona) miało wystarczająco dużo czasu, aby wchłonąć cały gaz i pył, który je otaczał, ale wcześniej miały okazję zadeklarować się za pomocą wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich. Po wchłonięciu całej materii, takie czarne dziury już okazały się niezdolne do generowania promieni rentgenowskich na horyzoncie zdarzeń. Staje się jasne, dlaczego te czarne dziury nie mogą zostać wykryte, i staje się możliwe przypisanie im brakujących źródeł promieniowania tła, ponieważ chociaż czarna dziura już nie promieniuje, to promieniowanie przez nią wytworzone wcześniej nadal podróżuje przez Wszechświat. Jednak jest całkowicie możliwe, że brakujące czarne dziury są bardziej ukryte niż sugerują astronomowie, więc to, że ich nie widzimy, nie oznacza, że nie istnieją. Po prostu nie mamy wystarczającej mocy obserwacyjnej, żeby je zobaczyć. Tymczasem naukowcy NASA planują rozszerzyć poszukiwania ukrytych czarnych dziur jeszcze dalej we wszechświecie. Uważają, że właśnie tam znajduje się podwodna część góry lodowej. W ciągu kilku miesięcy przeprowadzone zostaną badania w ramach misji Swift. Penetracja w głąb Wszechświata ujawni ukryte czarne dziury, odnajdzie brakujące ogniwo dla promieniowania tła i rzuci światło na ich aktywność we wczesnej erze Wszechświata.
Uważa się, że niektóre czarne dziury są bardziej aktywne niż ich spokojni sąsiedzi. Aktywne czarne dziury pochłaniają otaczającą materię, a jeśli przelatująca „bezprzerwowa” gwiazda wpadnie w lot grawitacyjny, to z pewnością zostanie „zjedzona” w najbardziej barbarzyński sposób (rozerwana na strzępy). Pochłonięta materia, wpadając do czarnej dziury, jest podgrzewana do ogromnych temperatur i doświadcza błysku w zakresie gamma, rentgenowskim i ultrafioletowym. W centrum Drogi Mlecznej znajduje się również supermasywna czarna dziura, ale jest trudniejsza do zbadania niż dziury w sąsiednich lub nawet odległych galaktykach. Wynika to z gęstej ściany gazu i pyłu, która staje na drodze do centrum naszej galaktyki, ponieważ Układ Słoneczny znajduje się prawie na krawędzi dysku galaktycznego. Dlatego obserwacje aktywności czarnej dziury są znacznie bardziej efektywne dla tych galaktyk, których jądro jest wyraźnie widoczne. Obserwując jedną z odległych galaktyk, znajdującą się w konstelacji Boötesa w odległości 4 miliardów lat świetlnych, astronomom po raz pierwszy udało się prześledzić od początku i prawie do końca proces wchłaniania gwiazdy przez supermasywną czarną dziurę . Przez tysiące lat ten gigantyczny zapadacz leżał cicho w centrum nienazwanej galaktyki eliptycznej, dopóki jedna z gwiazd nie odważyła się zbliżyć do niego wystarczająco blisko.
Potężna grawitacja czarnej dziury rozerwała gwiazdę. Skrzepy materii zaczęły wpadać do czarnej dziury i po osiągnięciu horyzontu zdarzeń rozbłysły jasno w zakresie ultrafioletowym. Rozbłyski te zostały uchwycone przez nowy teleskop kosmiczny NASA Galaxy Evolution Explorer, który bada niebo w świetle ultrafioletowym. Teleskop do dziś obserwuje zachowanie wyróżnionego obiektu, ponieważ posiłek czarnej dziury jeszcze się nie skończył, a resztki gwiazdy nadal spadają w otchłań czasu i przestrzeni. Obserwacje takich procesów ostatecznie pomogą lepiej zrozumieć, w jaki sposób czarne dziury ewoluują wraz z ich macierzystymi galaktykami (lub odwrotnie, galaktyki ewoluują z macierzystą czarną dziurą). Wcześniejsze obserwacje pokazują, że takie ekscesy nie są rzadkością we wszechświecie. Naukowcy obliczyli, że średnio gwiazda jest pochłaniana przez supermasywną czarną dziurę typowej galaktyki raz na 10 000 lat, ale ponieważ istnieje duża liczba galaktyk, możliwe jest obserwowanie absorpcji gwiazd znacznie częściej.
źródło
Mimo ogromnych osiągnięć w dziedzinie fizyki i astronomii istnieje wiele zjawisk, których istota nie została do końca ujawniona. Zjawiska te obejmują tajemnicze czarne dziury, o których wszystkie informacje są tylko teoretyczne i nie można ich zweryfikować w praktyce.
Jeszcze przed pojawieniem się teorii względności astronomowie wyrazili teorię istnienia czarnych lejków. Po opublikowaniu teorii Einsteina zrewidowano kwestię grawitacji i pojawiły się nowe założenia w problemie czarnych dziur. Widok tego obiektu kosmicznego jest nierealistyczny, ponieważ pochłania on całe światło wpadające do jego przestrzeni. Naukowcy udowadniają istnienie czarnych dziur na podstawie analizy ruchu gazu międzygwiazdowego oraz trajektorii ruchu gwiazd.
Powstawanie czarnych dziur prowadzi do zmiany charakterystyk czasoprzestrzennych wokół nich. Czas wydaje się kurczyć pod wpływem ogromnej grawitacji i zwalnia. Gwiazdy złapane na ścieżce czarnego lejka mogą zboczyć ze swojej ścieżki, a nawet zmienić kierunek. Czarne dziury pochłaniają energię swojej bliźniaczej gwiazdy, która również się objawia.
Wiele informacji o czarnych dziurach jest hipotetycznych. Naukowcy badają je pod kątem ich wpływu na przestrzeń i promieniowanie. Nie można zobaczyć we wszechświecie czarnych dziur, ponieważ pochłaniają one całe światło wpadające do pobliskiej przestrzeni. Ze specjalnych satelitów wykonano zdjęcie rentgenowskie czarnych obiektów, na których widoczny jest jasny środek, będący źródłem promieniowania promieni.
Czarna dziura w kosmosie to odrębny świat, który ma swój własny unikalne cechy i właściwości. O właściwościach kosmicznych dziur decydują przyczyny ich pojawienia się. Jeśli chodzi o wygląd czarnych obiektów, istnieją takie teorie:
Czarny lejek to obiekt w przestrzeni, który ma stosunkowo niewielki rozmiar i ogromną masę. Teoria czarnej dziury mówi, że każdy obiekt kosmiczny może potencjalnie stać się czarnym lejkiem, jeśli w wyniku pewnych zjawisk straci swój rozmiar, ale zachowa swoją masę. Naukowcy mówią nawet o istnieniu wielu czarnych mikrodziur – miniaturowych obiektów kosmicznych o stosunkowo dużej masie. Ta rozbieżność między masą a rozmiarem prowadzi do wzrostu pola grawitacyjnego i pojawienia się silnego przyciągania.
Czarny tajemniczy obiekt można nazwać tylko dziurą o dużym rozciągnięciu. Centrum tego zjawiska stanowi ciało kosmiczne o zwiększonej grawitacji. Wynikiem takiej grawitacji jest silne przyciąganie powierzchni tego kosmicznego ciała. W tym przypadku powstaje przepływ wirowy, w którym wirują gazy i ziarna kosmicznego pyłu. Dlatego czarna dziura jest bardziej poprawnie nazywana czarnym lejkiem.
W praktyce nie da się dowiedzieć, co znajduje się w czarnej dziurze, ponieważ poziom grawitacji kosmicznego leja nie pozwala żadnemu obiektowi na ucieczkę z jej strefy wpływu. Według naukowców w czarnej dziurze panuje całkowita ciemność, ponieważ kwanty światła znikają w niej bezpowrotnie. Zakłada się, że przestrzeń i czas są zniekształcone w czarnym lejku, prawa fizyki i geometrii nie obowiązują w tym miejscu. Takie cechy czarnych dziur mogą prawdopodobnie prowadzić do powstania antymaterii, co jest obecnie nieznane naukowcom.
Czasami czarne dziury są opisywane jako obiekty, które pochłaniają otaczające obiekty, promieniowanie i cząstki. Ten pogląd jest błędny: właściwości czarnej dziury pozwalają jej wchłonąć tylko to, co znajduje się w jej strefie wpływów. Może przyciągać kosmiczne mikrocząstki i promieniowanie pochodzące z bliźniaczych gwiazd. Nawet jeśli planeta znajduje się w pobliżu czarnej dziury, nie zostanie wchłonięta, ale będzie nadal poruszać się po swojej orbicie.
Właściwości czarnych dziur zależą od siły pola grawitacyjnego. Czarne lejki przyciągają do siebie wszystko, co wpada w ich strefę wpływów. Jednocześnie zmieniają się cechy przestrzenno-czasowe. Naukowcy, którzy badają wszystko na temat czarnych dziur, nie zgadzają się co do tego, co dzieje się z rzeczami w tym lejku:
Czarne lejki dzielą się na typy, ze względu na sposób ich powstawania:
Najbliższa czarna dziura znajduje się 3000 lat świetlnych od Ziemi. Nazywa się V616 Monocerotis lub V616 Mon. Jego waga sięga 9-13 mas Słońca. Partnerem podwójnym tej dziury jest gwiazda o masie połowy masy Słońca. Innym lejkiem stosunkowo blisko Ziemi jest Cygnus X-1. Znajduje się 6 tysięcy lat świetlnych od Ziemi i waży 15 razy więcej niż Słońce. Ta czarna dziura ma również własnego partnera podwójnego, którego ruch pomaga śledzić wpływ Cygnus X-1.
Naukowcy mówią o czarnych przedmiotach takie ciekawe fakty:
