Găurile negre sunt unele dintre cele mai puternice și misterioase obiecte din Univers. Ele se formează după distrugerea unei stele.

NASA a compilat o serie de imagini uimitoare ale presupuselor găuri negre din imensitatea spațiului.

Iată o fotografie a galaxiei Centaurus A din apropiere, făcută de Observatorul de raze X Chandra. Aceasta arată influența unei găuri negre supermasive în interiorul unei galaxii.

NASA a anunțat recent că se naște o gaură neagră dintr-o stea care explodează într-o galaxie din apropiere. Potrivit Discovery News, această gaură este situată în galaxia M-100, aflată la 50 de milioane de ani de Pământ.

Iată o altă fotografie foarte interesantă de la Observatorul Chandra care arată galaxia M82. NASA crede că ceea ce este ilustrat ar putea fi punctele de plecare pentru două găuri negre supermasive. Cercetătorii sugerează că formarea găurilor negre va începe atunci când stelele își epuizează resursele și se vor arde. Vor fi zdrobiți de propria lor greutate gravitațională.

Oamenii de știință asociază existența găurilor negre cu teoria relativității a lui Einstein. Experții folosesc înțelegerea lui Einstein asupra gravitației pentru a determina forța gravitațională enormă a unei găuri negre. În fotografia prezentată, informațiile de la Observatorul Chandra X-Ray coincid cu imaginile obținute de la telescopul spațial Hubble. Nasa crede că aceste două găuri negre au evoluat una spre cealaltă de 30 de ani și, în timp, ar putea deveni o mare gaură neagră.

Aceasta este cea mai puternică gaură neagră din galaxia cosmică M87. Particulele subatomice care se mișcă aproape cu viteza luminii indică faptul că există o gaură neagră supermasivă în centrul acestei galaxii. Se crede că a „absorbit” materie egală cu 2 milioane din sorii noștri.

NASA crede că această imagine arată două găuri negre supermasive care se ciocnesc pentru a forma un sistem. Sau este așa-numitul „efect de praștie”, în urma căruia se formează un sistem din 3 găuri negre. Când stelele sunt supernove, ele au capacitatea de a se prăbuși și de a se forma din nou, ducând la formarea găurilor negre.

Această redare artistică arată o gaură neagră care aspira gaz de la o stea din apropiere. O gaură neagră are această culoare deoarece câmpul gravitațional este atât de dens încât absoarbe lumina. Găurile negre sunt invizibile, așa că oamenii de știință speculează doar existența lor. Dimensiunea lor poate fi egală cu dimensiunea doar a unui atom sau a unui miliard de sori.

Această redare artistică arată un quasar, care este o gaură neagră supermasivă înconjurată de particule care se rotesc. Acest quasar este situat în centrul galaxiei. Quazarii se află în stadiile incipiente ale formării găurilor negre, dar pot exista de miliarde de ani. Totuși, se crede că s-au format în epoci străvechi ale Universului. Se presupune că toți „noii” quasari au fost pur și simplu ascunși de viziunea noastră.

Telescoapele Spitzer și Hubble au capturat jeturi false colorate de particule care ies dintr-o gaură neagră gigantică și puternică. Se crede că aceste avioane se extind pe 100.000 de ani lumină de spațiu, la fel de mari ca Calea Lactee a galaxiei noastre. Culori diferite apar din diferite unde luminoase. Există o gaură neagră puternică în galaxia noastră, Săgetătorul A. Nasa crede că masa ei este egală cu 4 milioane din sorii noștri.

Această imagine arată un microquasar, considerat a fi o gaură neagră mai mică, cu aceeași masă ca o stea. Dacă ai cădea într-o gaură neagră, ai traversa orizontul de timp la limita ei. Chiar dacă nu ești zdrobit de gravitație, nu te vei mai întoarce niciodată dintr-o gaură neagră. Veți fi imposibil de văzut într-un spațiu întunecat. Fiecare călător într-o gaură neagră va fi sfâșiat de forța gravitației.

Mulțumim că le-ai spus prietenilor tăi despre noi!

S. TRANKOVSKI

Printre cele mai importante și interesante probleme ale fizicii și astrofizicii moderne, academicianul V.L Ginzburg a numit probleme legate de găurile negre (vezi „Știința și viața” nr. 11, 12, 1999). Existența acestor obiecte ciudate a fost prezisă în urmă cu mai bine de două sute de ani, condițiile care au condus la formarea lor au fost calculate cu precizie la sfârșitul anilor 30 ai secolului XX, iar astrofizica a început să le studieze serios cu mai puțin de patruzeci de ani în urmă. Astăzi, reviste științifice din întreaga lume publică anual mii de articole despre găurile negre.

Formarea unei găuri negre poate avea loc în trei moduri.

Acesta este modul în care se obișnuiește să descrie procesele care au loc în vecinătatea unei găuri negre care se prăbușește. În timp (Y), spațiul (X) din jurul lui (zona umbrită) se micșorează, grăbindu-se spre singularitate.

Câmpul gravitațional al unei găuri negre introduce distorsiuni severe în geometria spațiului.

O gaură neagră, invizibilă printr-un telescop, se dezvăluie doar prin influența gravitațională.

În câmpul gravitațional puternic al unei găuri negre, se nasc perechile particule-antiparticule.

Nașterea unei perechi particule-antiparticule în laborator.

CUM AU RĂSCAT

Un corp ceresc luminos, având o densitate egală cu cea a Pământului și un diametru de două sute cincizeci de ori mai mare decât diametrul Soarelui, datorită forței gravitației sale, nu va permite luminii sale să ajungă la noi. Astfel, este posibil ca cele mai mari corpuri luminoase din Univers să rămână invizibile tocmai datorită dimensiunii lor.
Pierre Simon Laplace.
Expunerea sistemului mondial. 1796

În 1783, matematicianul englez John Mitchell, iar treisprezece ani mai târziu, independent de el, astronomul și matematicianul francez Pierre Simon Laplace, au efectuat un studiu foarte ciudat. S-au uitat la condițiile în care lumina nu ar putea scăpa de stea.

Logica oamenilor de știință era simplă. Pentru orice obiect astronomic (planetă sau stea), puteți calcula așa-numita viteză de evacuare, sau secunda viteza de evacuare, permițând oricărui corp sau particule să o părăsească pentru totdeauna. Și în fizica acelei vremuri, teoria lui Newton domnea supremă, potrivit căreia lumina este un flux de particule (înainte de teoria undele electromagnetice iar quanta a rămas aproape o sută cincizeci de ani). Viteza de evacuare a particulelor poate fi calculată pe baza egalității energie potențială pe suprafața planetei și energia cinetică a unui corp care a „scăpat” la o distanță infinit de mare. Această viteză este determinată de formula #1#

Unde M- masa obiectului spațial, R- raza sa, G- constantă gravitațională.

Din aceasta putem obține cu ușurință raza unui corp cu o masă dată (numită mai târziu „raza gravitațională” r g "), la care viteza de evacuare este egală cu viteza luminii:

Aceasta înseamnă că o stea s-a comprimat într-o sferă cu o rază r g< 2GM/c 2 va înceta să mai emită - lumina nu o va putea părăsi. O gaură neagră va apărea în Univers.

Este ușor de calculat că Soarele (masa sa este de 2,1033 g) se va transforma într-o gaură neagră dacă se va contracta pe o rază de aproximativ 3 kilometri. Densitatea substanţei sale va ajunge la 10 16 g/cm 3 . Raza Pământului, comprimată într-o gaură neagră, ar scădea la aproximativ un centimetru.

Părea incredibil că ar putea exista forțe în natură capabile să comprima o stea la o dimensiune atât de nesemnificativă. Prin urmare, concluziile din lucrările lui Mitchell și Laplace au fost considerate timp de mai bine de o sută de ani a fi ceva ca un paradox matematic care nu avea nicio semnificație fizică.

Dovada matematică riguroasă că un astfel de obiect exotic în spațiu era posibil a fost obținută abia în 1916. Astronomul german Karl Schwarzschild, după ce a analizat ecuațiile teoriei generale a relativității a lui Albert Einstein, a obținut un rezultat interesant. După ce a studiat mișcarea unei particule în câmpul gravitațional al unui corp masiv, a ajuns la concluzia: ecuația pierde sens fizic(soluția sa merge la infinit) când r= 0 și r = r g.

Punctele în care caracteristicile domeniului devin lipsite de sens se numesc singulare, adică speciale. Singularitatea la punctul zero reflectă punctual, sau, ceea ce este același lucru, structura central simetrică a câmpului (la urma urmei, orice corp sferic - o stea sau o planetă - poate fi reprezentat ca punct material). Și puncte situate pe o suprafață sferică cu o rază r g, formează însăși suprafața de pe care viteza de evacuare este egală cu viteza luminii. În teoria generală a relativității se numește sfera singulară Schwarzschild sau orizontul evenimentelor (de ce va deveni clar mai târziu).

Bazându-ne deja pe exemplul obiectelor cunoscute nouă - Pământul și Soarele - este clar că găurile negre sunt obiecte foarte ciudate. Chiar și astronomii care se ocupă de materie la valori extreme de temperatură, densitate și presiune le consideră foarte exotice și până de curând nu toată lumea credea în existența lor. Cu toate acestea, primele indicii ale posibilității formării găurilor negre erau deja conținute în teoria generală a relativității a lui A. Einstein, creată în 1915. Astronomul englez Arthur Eddington, unul dintre primii interpreți și popularizatori ai teoriei relativității, în anii 30 a derivat un sistem de ecuații care descriu structura internă a stelelor. Din ele rezultă că steaua se află în echilibru sub influența forțelor gravitaționale direcționate opus și a presiunii interne create de mișcarea particulelor de plasmă fierbinte în interiorul stelei și de presiunea radiației generată în adâncurile sale. Aceasta înseamnă că steaua este o minge de gaz, în centrul căreia căldură, scăzând treptat spre periferie. Din ecuații, în special, a rezultat că temperatura de suprafață a Soarelui era de aproximativ 5500 de grade (ceea ce era destul de în acord cu datele măsurătorilor astronomice), iar în centrul său ar trebui să fie de aproximativ 10 milioane de grade. Acest lucru i-a permis lui Eddington să facă o concluzie profetică: la această temperatură, o reacție termonucleară „se aprinde”, suficientă pentru a asigura strălucirea Soarelui. Fizicienii atomici din acea vreme nu erau de acord cu acest lucru. Li s-a părut că este prea „rece” în adâncurile stelei: temperatura acolo nu era suficientă pentru ca reacția să „ducă”. La aceasta, teoreticianul înfuriat a răspuns: „Căutați un loc mai fierbinte!”

Și în cele din urmă, s-a dovedit a avea dreptate: o reacție termonucleară are loc de fapt în centrul stelei (un alt lucru este că așa-numitul „standard model solar", pe baza ideilor despre fuziunea termonucleară, aparent s-a dovedit a fi incorectă - vezi, de exemplu, „Știința și viața” nr. 2, 3, 2000). Dar, cu toate acestea, reacția în centrul stelei are loc, Steaua strălucește, iar radiația care apare o menține într-o stare stabilă, dar „combustibilul” nuclear din stele se arde, radiația se oprește, iar forța care limitează atracția gravitațională dispare. după care steaua începe să se micșoreze ireversibil.

PRIBERE GRAVITAȚIONALĂ

La început, rata de contracție a stelei este mică, dar viteza acesteia crește continuu, deoarece forța gravitației este invers proporțională cu pătratul distanței. Compresia devine ireversibilă, nu există forțe capabile să contracareze autogravitația. Acest proces se numește colaps gravitațional. Viteza de mișcare a învelișului stelei către centrul său crește, apropiindu-se de viteza luminii. Și aici încep să joace un rol efectele teoriei relativității.

Viteza de evacuare a fost calculată pe baza ideilor newtoniene despre natura luminii. Din punctul de vedere al relativității generale, fenomenele din vecinătatea unei stele care se prăbușesc apar oarecum diferit. În câmpul său gravitațional puternic, are loc așa-numita deplasare gravitațională spre roșu. Aceasta înseamnă că frecvența radiațiilor care provine de la un obiect masiv este deplasată către frecvențe inferioare. În limită, la limita sferei Schwarzschild, frecvența radiației devine zero. Adică, un observator situat în afara acestuia nu va putea afla nimic despre ceea ce se întâmplă în interior. De aceea sfera Schwarzschild este numită orizont de evenimente.

Dar scăderea frecvenței echivalează cu încetinirea timpului, iar când frecvența devine zero, timpul se oprește. Aceasta înseamnă că un observator din exterior va vedea o imagine foarte ciudată: învelișul unei stele, care cade cu o accelerație crescândă, se oprește în loc să atingă viteza luminii. Din punctul său de vedere, compresia se va opri de îndată ce dimensiunea stelei se apropie de gravitație
usu. El nu va vedea niciodată nici măcar o particulă „se scufundă” sub sfera Schwarzschiel. Dar pentru un observator ipotetic care cade într-o gaură neagră, totul se va termina în câteva clipe sub ceasul lui. Astfel, timpul de colaps gravitațional al unei stele de dimensiunea Soarelui va fi de 29 de minute, iar o stea neutronică mult mai densă și mai compactă va dura doar 1/20.000 de secundă. Și aici se confruntă cu probleme asociate cu geometria spațiului-timp lângă o gaură neagră.

Observatorul se găsește într-un spațiu curbat. În apropierea razei gravitaționale, forțele gravitaționale devin infinit de mari; ele întind racheta cu astronautul-observator într-un fir infinit de subțire de lungime infinită. Dar el însuși nu va observa acest lucru: toate deformațiile sale vor corespunde distorsiunilor coordonatelor spațiu-timp. Aceste considerații, desigur, se referă la un caz ideal, ipotetic. Orice corp real va fi sfâșiat de forțele mareelor ​​cu mult înainte de a se apropia de sfera Schwarzschild.

DIMENSIUNEA GĂURILOR NEGRE

Dimensiunea unei găuri negre, sau mai precis, raza sferei Schwarzschild, este proporțională cu masa stelei. Și din moment ce astrofizica nu impune nicio restricție cu privire la dimensiunea unei stele, o gaură neagră poate fi arbitrar de mare. Dacă, de exemplu, a apărut în timpul prăbușirii unei stele cu o masă de 10 8 mase solare (sau datorită fuziunii a sute de mii, sau chiar milioane de stele relativ mici), raza sa va fi de aproximativ 300 de milioane de kilometri, de două ori orbita Pământului. Și densitatea medie a substanței unui astfel de gigant este aproape de densitatea apei.

Aparent, acestea sunt genul de găuri negre care se găsesc în centrele galaxiilor. În orice caz, astronomii numără astăzi aproximativ cincizeci de galaxii, în centrul cărora, judecând după dovezi indirecte (discutate mai jos), există găuri negre cu o masă de aproximativ un miliard (10 9) solare. Se pare că, de asemenea, galaxia noastră are propria sa gaură neagră; Masa sa a fost estimată destul de precis - 2,4. 10 6 ±10% din masa Soarelui.

Teoria sugerează că, alături de astfel de supergiganți, mini-găuri negre cu o masă de aproximativ 10-14 g și o rază de aproximativ 10 -12 cm (dimensiune nucleul atomic). Ele ar putea apărea în primele momente ale existenței Universului ca o manifestare a neomogenității foarte puternice a spațiului-timp cu o densitate energetică colosală. Astăzi, cercetătorii realizează condițiile care existau în Univers la acea vreme la coliziune puternice (acceleratoare care folosesc fascicule de ciocnire). Experimentele de la CERN la începutul acestui an au produs plasmă de quarc-gluoni, materie care exista înainte de apariția particulelor elementare. Cercetările asupra acestei stări a materiei continuă la Brookhaven, centrul american de accelerare. Este capabil să accelereze particulele la energii cu unu și jumătate până la două ordine de mărime mai mari decât acceleratorul din
CERN. Experimentul viitor a provocat îngrijorare serioasă: va apărea o mini-gaură neagră în timpul implementării sale, care va îndoi spațiul nostru și va distruge Pământul?

Această teamă a rezonat atât de puternic încât guvernul SUA a fost forțat să convoace o comisie autorizată pentru a examina această posibilitate. O comisie formată din cercetători de seamă a concluzionat: energia acceleratorului este prea scăzută pentru ca o gaură neagră să apară (acest experiment este descris în revista Science and Life, nr. 3, 2000).

CUM SĂ VEDEȚI INVIZIBILUL

Găurile negre nu emit nimic, nici măcar lumină. Cu toate acestea, astronomii au învățat să-i vadă sau, mai degrabă, să găsească „candidați” pentru acest rol. Există trei moduri de a detecta o gaură neagră.

1. Este necesar să se monitorizeze rotația stelelor în grupuri în jurul unui anumit centru de greutate. Dacă se dovedește că nu există nimic în acest centru, iar stelele par să se învârtească în jurul unui spațiu gol, putem spune destul de încrezători: în acest „gol” există o gaură neagră. Pe această bază a fost presupusă prezența unei găuri negre în centrul galaxiei noastre și a fost estimată masa acesteia.

2. O gaură neagră aspiră activ materia în sine din spațiul înconjurător. Praf interstelar, gazul, materia din stelele din apropiere cad pe ea într-o spirală, formând un așa-numit disc de acreție, asemănător cu inelul lui Saturn. (Aceasta este tocmai sperietoarea din experimentul Brookhaven: o mini-gaura neagră care a apărut în accelerator va începe să sugă Pământul în sine, iar acest proces nu a putut fi oprit de nicio forță.) Apropiindu-se de sfera Schwarzschild, particulele experimentează accelerație și începe să emită în intervalul de raze X. Această radiație are un spectru caracteristic similar cu radiația bine studiată a particulelor accelerate într-un sincrotron. Și dacă o astfel de radiație provine dintr-o regiune a Universului, putem spune cu încredere că acolo trebuie să existe o gaură neagră.

3. Când două găuri negre se îmbină, are loc radiația gravitațională. Se calculează că, dacă masa fiecăreia este de aproximativ zece mase solare, atunci când se contopesc în câteva ore, energie echivalentă cu 1% din masa lor totală va fi eliberată sub formă de unde gravitaționale. Aceasta este de o mie de ori mai mult decat atat lumina, caldura si alte energii pe care Soarele le-a emis pe parcursul intregii sale existente - cinci miliarde de ani. Ei speră să detecteze radiația gravitațională cu ajutorul observatoarelor de unde gravitaționale LIGO și altele, care sunt acum construite în America și Europa cu participarea cercetătorilor ruși (a se vedea „Știința și viața” nr. 5, 2000).

Și totuși, deși astronomii nu au nicio îndoială cu privire la existența găurilor negre, nimeni nu îndrăznește să afirme categoric că exact una dintre ele este situată într-un anumit punct al spațiului. Etica științifică și integritatea cercetătorului necesită un răspuns fără ambiguitate la întrebarea pusă, unul care să nu tolereze discrepanțe. Nu este suficient să estimați masa unui obiect invizibil trebuie să măsurați raza acestuia și să arătați că nu depășește raza Schwarzschild. Și nici în Galaxy noastră această problemă nu este încă rezolvabilă. De aceea, oamenii de știință arată o anumită reținere în raportarea descoperirii lor, iar revistele științifice sunt literalmente pline cu rapoarte despre lucrări teoretice și observații ale efectelor care pot arunca lumină asupra misterului lor.

Cu toate acestea, găurile negre mai au o proprietate, prezisă teoretic, care ar putea face posibilă observarea lor. Dar, totuși, cu o singură condiție: masa găurii negre ar trebui să fie mult mai mică decât masa Soarelui.

O gaură neagră poate fi, de asemenea, „albă”

Multă vreme, găurile negre au fost considerate întruchiparea întunericului, obiecte care în vid, în absența absorbției materiei, nu emit nimic. Cu toate acestea, în 1974, celebrul teoretician englez Stephen Hawking a arătat că găurilor negre li se poate atribui o temperatură și, prin urmare, ar trebui să radieze.

Conform conceptelor mecanicii cuantice, vidul nu este gol, ci un fel de „spumă de spațiu-timp”, o amestec de particule virtuale (neobservabile în lumea noastră). Cu toate acestea, fluctuațiile de energie cuantică pot „ejecta” o pereche particule-antiparticule din vid. De exemplu, în ciocnirea a două sau trei cuante gamma, un electron și un pozitron vor apărea ca din aer. Acest fenomen și fenomene similare au fost observate în mod repetat în laboratoare.

Fluctuațiile cuantice determină procesele de radiație ale găurilor negre. Dacă o pereche de particule cu energii EȘi -E(energia totală a perechii este zero), apare în vecinătatea sferei Schwarzschild, mai departe soarta particulele vor fi diferite. Se pot anihila aproape imediat sau pot trece împreună sub orizontul evenimentelor. În acest caz, starea găurii negre nu se va schimba. Dar dacă o singură particulă merge sub orizont, observatorul va înregistra alta și i se va părea că a fost generată de o gaură neagră. În același timp, o gaură neagră care a absorbit o particulă cu energie -E, vă va reduce energia, și cu energie E- va creste.

Hawking a calculat ratele la care au loc toate aceste procese și a ajuns la concluzia: probabilitatea de absorbție a particulelor cu energie negativă este mai mare. Aceasta înseamnă că gaura neagră pierde energie și masă - se evaporă. În plus, ea radiază la fel de absolut corp negru cu temperatura T = 6 . 10 -8 M Cu / M kelvin, unde M c - masa Soarelui (2,10 33 g), M- masa găurii negre. Această relație simplă arată că temperatura unei găuri negre cu o masă de șase ori mai mare decât cea a soarelui este egală cu o sută de milionemi de grad. Este clar că un corp atât de rece nu emite practic nimic și tot raționamentul de mai sus rămâne valabil. Mini-găurile sunt o altă chestiune. Este ușor de observat că, cu o masă de 10 14 -10 30 de grame, sunt încălzite la zeci de mii de grade și încinse! Trebuie remarcat imediat, însă, că nu există contradicții cu proprietățile găurilor negre: această radiație este emisă de un strat deasupra sferei Schwarzschild, și nu dedesubt.

Așadar, gaura neagră, care părea a fi un obiect veșnic înghețat, mai devreme sau mai târziu dispare, evaporându-se. Mai mult, pe măsură ce „slăbește”, rata de evaporare crește, dar durează totuși un timp extrem de lung. Se estimează că mini-găurile cu o greutate de 10-14 grame, care au apărut imediat după Big Bang-ul de acum 10-15 miliarde de ani, ar trebui să se evapore complet până la vremea noastră. În ultima etapă a vieții, temperatura lor atinge valori colosale, astfel încât produsele de evaporare trebuie să fie particule de energie extrem de mare. Poate că ei sunt cei care generează averse de aer larg răspândite în atmosfera Pământului - EAS. În orice caz, originea particulelor de energie anormal de mare este o altă problemă importantă și interesantă care poate fi strâns legată de întrebări nu mai puțin interesante din fizica găurilor negre.

Datorită creșterii relativ recente a interesului pentru crearea de filme științifice populare pe tema explorării spațiului, spectatorii moderni au auzit multe despre fenomene precum singularitatea sau gaura neagră. Cu toate acestea, în mod evident, filmele nu dezvăluie natura deplină a acestor fenomene și uneori chiar distorsionează construcția. teorii științifice pentru o mai mare eficacitate. Din acest motiv, reprezentarea multora oameni moderni despre aceste fenomene este fie complet superficială, fie complet eronată. Una dintre soluțiile la această problemă este acest articol, în care vom încerca să înțelegem rezultate existente cercetează și răspunde la întrebarea - ce este o gaură neagră?

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

Totuși, conceptul de corp supermasiv propus de Michell nu a atras atenția. mare interes, până la lucrările lui Einstein. Să ne amintim că acesta din urmă a definit viteza luminii ca fiind viteza maximă de transfer de informații. În plus, Einstein a extins teoria gravitației la viteze apropiate de viteza luminii (). Ca urmare, nu mai era relevant să se aplice teoria newtoniană la găurile negre.

ecuația lui Einstein

Ca urmare a aplicării relativității generale la găurile negre și a rezolvării ecuațiilor lui Einstein, au fost identificați principalii parametri ai unei găuri negre, dintre care sunt doar trei: masa, incarcare electricași moment unghiular. Este demn de remarcat contribuția semnificativă a astrofizicianului indian Subramanian Chandrasekhar, care a creat monografia fundamentală: „Teoria matematică a găurilor negre”.

Astfel, soluția ecuațiilor lui Einstein este prezentată în patru opțiuni pentru patru tipuri posibile de găuri negre:

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

Formarea găurii negre

Există mai multe teorii despre modul în care se formează și apare o gaură neagră, dintre care cea mai faimoasă este aceea că apare ca urmare a prăbușirii gravitaționale a unei stele cu masă suficientă. O astfel de compresie poate pune capăt evoluției stelelor cu o masă mai mare de trei mase solare. La terminarea termo reactii nucleareîn interiorul unor astfel de stele încep să se comprima rapid în super-dense. Dacă presiunea gazului unei stele neutronice nu poate compensa forțele gravitaționale, adică masa stelei depășește așa-numita. Oppenheimer-Volkoff, apoi colapsul continuă, rezultând comprimarea materiei într-o gaură neagră.

Al doilea scenariu care descrie nașterea unei găuri negre este comprimarea gazului protogalactic, adică gazul interstelar în stadiul de transformare într-o galaxie sau într-un fel de cluster. Dacă presiunea internă este insuficientă pentru a compensa aceleași forțe gravitaționale, poate apărea o gaură neagră.

Alte două scenarii rămân ipotetice:

• Apariția unei găuri negre ca urmare a așa-numitelor găuri negre primordiale.
• Apariția ca urmare a reacțiilor nucleare care au loc la energii mari. Un exemplu de astfel de reacții sunt experimentele la coliziune.

Structura și fizica găurilor negre

Structura unei găuri negre după Schwarzschild include doar două elemente care au fost menționate mai devreme: singularitatea și orizontul evenimentelor găurii negre. Vorbind pe scurt despre singularitate, se poate observa că este imposibil să se tragă o linie dreaptă prin ea și, de asemenea, că majoritatea teoriilor fizice existente nu funcționează în interiorul ei. Astfel, fizica singularității rămâne un mister pentru oamenii de știință de astăzi. o gaură neagră este o anumită graniță, o traversare pe care un obiect fizic își pierde ocazia de a se întoarce dincolo de limitele sale și va „cădea” cu siguranță în singularitatea găurii negre.

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

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

În ce constă o gaură neagră?

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

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

Ce se întâmplă dacă cazi într-o gaură neagră?

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

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

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

În ciuda celor de mai sus, se presupune că în găurile negre supermasive foarte mari, forțele de maree nu se schimbă atât de mult cu distanța și acționează aproape uniform asupra corpului în cădere. În acest caz, căderea nava spatialaîși va păstra structura. Apare o întrebare rezonabilă: unde duce gaura neagră? La această întrebare se poate răspunde prin munca unor oameni de știință, legând două fenomene precum găurile de vierme și găurile negre.

În 1935, Albert Einstein și Nathan Rosen au înaintat o ipoteză despre existența așa-numitelor găuri de vierme, conectând două puncte de spațiu-timp prin locuri de curbură semnificativă ale acestora din urmă - un pod sau găuri de vierme Einstein-Rosen. Pentru o curbură atât de puternică a spațiului, ar fi necesare corpuri cu masă gigantică, al căror rol ar fi îndeplinit perfect de găurile negre.

Podul Einstein-Rosen este considerat o gaură de vierme de netrecut, deoarece este de dimensiuni mici și instabilă.

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

Găuri negre în Univers

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

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

Candidații pentru ChD

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

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

Potrivit unor surse, un alt candidat cel mai apropiat pentru rolul unei găuri negre ar putea fi un cadavru sistem stelar V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), care a fost estimat în 1999 a fi situat la o distanță de 1600 de ani lumină. Cu toate acestea, studiile ulterioare au mărit această distanță de cel puțin 15 ori.

Câte găuri negre există în galaxia noastră?

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

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

Cea mai mare gaură neagră

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

Celelalte două găuri negre cunoscute, deși nu au nume proprii, au cea mai mare valoare pentru studiul găurilor negre, deoarece acestea au confirmat existența lor experimental și au furnizat și rezultate importante pentru studiul gravitației. Vorbim despre evenimentul GW150914, care este ciocnirea a două găuri negre într-una singură. Acest eveniment permis să se înregistreze.

Detectarea găurilor negre

Înainte de a lua în considerare metodele de detectare a găurilor negre, ar trebui să răspundem la întrebarea - de ce o gaură neagră este neagră? – răspunsul la aceasta nu necesită cunoștințe profunde de astrofizică și cosmologie. Cert este că o gaură neagră absoarbe toată radiația care cade pe ea și nu emite deloc, dacă nu o iei în calcul pe cea ipotetică. Dacă luăm în considerare acest fenomen mai detaliat, putem presupune că procesele care conduc la eliberarea de energie sub formă de radiație electromagnetică nu au loc în interiorul găurilor negre. Apoi, dacă o gaură neagră emite, o face în spectrul Hawking (care coincide cu spectrul unui corp încălzit, absolut negru). Cu toate acestea, așa cum am menționat mai devreme, această radiație nu a fost detectată, ceea ce sugerează că temperatura găurilor negre este complet scăzută.

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

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

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

Metode de detectare

Să ne uităm la metodele pe care le folosesc astronomii pentru a detecta o gaură neagră:

Pe lângă metodele menționate mai sus, oamenii de știință asociază adesea obiecte precum găurile negre și. Quasarii sunt anumite grupuri de corpuri cosmice și gaze, care se numără printre cele mai strălucitoare obiecte astronomice din Univers. Deoarece au o intensitate mare a luminiscenței la dimensiuni relativ mici, există motive să presupunem că centrul acestor obiecte este o gaură neagră supermasivă, care atrage materia înconjurătoare. Datorită unei atât de puternice atracții gravitaționale, materia atrasă este atât de încălzită încât radiază intens. Descoperirea unor astfel de obiecte este de obicei comparată cu descoperirea unei găuri negre. Uneori, quasarii pot emite jeturi de plasmă încălzită în două direcții - jeturi relativiste. Motivele apariției unor astfel de jeturi nu sunt în întregime clare, dar ele sunt probabil cauzate de interacțiunea câmpurilor magnetice ale găurii negre și ale discului de acreție și nu sunt emise de gaura neagră directă.

Jet în galaxia M87 trăgând din centrul găurii negre

Pentru a rezuma cele de mai sus, ne putem imagina, de aproape: acesta este un obiect negru sferic în jurul căruia se rotește materia foarte încălzită, formând un disc de acreție luminos.

Fuziuni și ciocniri ale găurilor negre

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

Conform definiției, undele gravitaționale sunt modificări ale câmpului gravitațional care se propagă sub formă de undă din obiecte masive în mișcare. Când două astfel de obiecte se apropie, ele încep să se rotească în jurul unui centru de greutate comun. Pe măsură ce se apropie, rotația lor în jurul propriei axe crește. Astfel de oscilații alternative ale câmpului gravitațional la un moment dat pot forma o undă gravitațională puternică, care se poate răspândi prin spațiu timp de milioane de ani lumină. Astfel, la o distanță de 1,3 miliarde de ani lumină, două găuri negre s-au ciocnit, generând o undă gravitațională puternică care a ajuns pe Pământ pe 14 septembrie 2015 și a fost înregistrată de detectoarele LIGO și VIRGO.

Cum mor găurile negre?

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

Conform modelelor existente ale unei găuri negre, așa cum am menționat mai devreme, pe măsură ce masa ei scade, radiația sa devine mai intensă. Apoi, în etapa finală a existenței găurii negre, când aceasta se poate micșora la dimensiunea unei găuri negre cuantice, va elibera o cantitate uriașă de energie sub formă de radiație, care ar putea fi echivalentă cu mii sau chiar milioane de atomii. bombe. Acest eveniment amintește oarecum de explozia unei găuri negre, ca aceeași bombă. Conform calculelor, găurile negre primordiale s-ar fi putut naște în urma Big Bang-ului, iar cele dintre ele cu o masă de aproximativ 10 12 kg s-ar fi evaporat și ar fi explodat în jurul timpului nostru. Oricum ar fi, astfel de explozii nu au fost niciodată observate de astronomi.

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

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

Problemă nerezolvată a fizicii găurilor negre

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

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

Fapte interesante despre găurile negre

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

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

Universul nemărginit este plin de secrete, ghicitori și paradoxuri. Cu toate că stiinta moderna a făcut un salt uriaș înainte în explorarea spațiului, multe în această lume vastă rămân de neînțeles pentru viziunea umană asupra lumii. Știm multe despre stele, nebuloase, clustere și planete. Cu toate acestea, în vastitatea Universului există obiecte despre a căror existență o putem doar ghici. De exemplu, știm foarte puține despre găurile negre. Informațiile de bază și cunoștințele despre natura găurilor negre se bazează pe presupuneri și presupuneri. Astrofizicienii și oamenii de știință nucleari se luptă cu această problemă de zeci de ani. Ce este o gaură neagră în spațiu? Care este natura unor astfel de obiecte?

Vorbind despre găurile negre în termeni simpli

Pentru a vă imagina cum arată o gaură neagră, vedeți doar coada unui tren care intră într-un tunel. Semnalizatoarele de pe ultimul vagon vor scădea în dimensiune pe măsură ce trenul se adâncește în tunel până când vor dispărea complet din vedere. Cu alte cuvinte, acestea sunt obiecte în care, din cauza gravitației monstruoase, chiar și lumina dispare. Particulele elementare, electronii, protonii și fotonii nu sunt capabili să depășească bariera invizibilă și să cadă în abisul negru al neantului, motiv pentru care o astfel de gaură în spațiu este numită neagră. Nu există nici cea mai mică zonă de lumină în interiorul ei, întuneric complet și infinit. Ce se află de cealaltă parte a găurii negre este necunoscut.

Acest aspirator spațial are o forță gravitațională colosală și este capabil să absoarbă o întreagă galaxie cu toate clusterele și superclusterele de stele, cu nebuloase și materie întunecată. Cum este posibil acest lucru? Putem doar ghici. Legile fizicii cunoscute de noi în acest caz explodează și nu oferă o explicație pentru procesele care au loc. Esența paradoxului este că într-o anumită parte a Universului interacțiunea gravitațională a corpurilor este determinată de masa lor. Procesul de absorbție de către un obiect al altuia nu este influențat de compoziția lor calitativă și cantitativă. Particulele, care au atins un număr critic într-o anumită zonă, intră într-un alt nivel de interacțiune, unde forțele gravitaționale devin forțe de atracție. Un corp, obiect, substanță sau materie începe să se comprime sub influența gravitației, atingând o densitate colosală.

Procese aproximativ similare au loc în timpul formării unei stele neutronice, unde materia stelară este comprimată în volum sub influența gravitației interne. Electronii liberi se combină cu protonii pentru a forma particule neutre din punct de vedere electric numite neutroni. Densitatea acestei substanțe este enormă. O particulă de materie de mărimea unei bucăți de zahăr rafinat cântărește miliarde de tone. Aici ar fi potrivit să ne amintim teorie generală relativitatea, unde spațiul și timpul sunt cantități continue. În consecință, procesul de compresie nu poate fi oprit la jumătate și, prin urmare, nu are limită.

Potențial, o gaură neagră arată ca o gaură în care poate exista o tranziție de la o parte a spațiului la alta. În același timp, proprietățile spațiului și ale timpului în sine se schimbă, răsucindu-se într-o pâlnie spațiu-timp. Ajungând la fundul acestei pâlnii, orice materie se dezintegrează în cuante. Ce este de cealaltă parte a găurii negre, această gaură uriașă? Poate că există un alt spațiu acolo unde se aplică alte legi și timpul curge în direcția opusă.

În contextul teoriei relativității, teoria unei găuri negre arată așa. Punctul din spațiu în care forțele gravitaționale au comprimat orice materie la dimensiuni microscopice are o forță de atracție colosală, a cărei mărime crește la infinit. Apare un pliu de timp, iar spațiul se îndoaie, închizându-se la un moment dat. Obiectele înghițite de o gaură neagră nu sunt capabile să reziste în mod independent forței de tragere a acestui monstruos aspirator. Chiar și viteza luminii, pe care o posedă cuantele, nu permite particulelor elementare să depășească forța gravitației. Orice corp care ajunge într-un astfel de punct încetează să mai fie un obiect material, contopindu-se cu o bulă spațiu-timp.

Găuri negre din punct de vedere științific

Dacă te întrebi cum se formează găurile negre? Nu va exista un răspuns clar. Există destul de multe paradoxuri și contradicții în Univers care nu pot fi explicate din punct de vedere științific. Teoria relativității a lui Einstein permite doar o explicație teoretică a naturii unor astfel de obiecte, dar mecanica cuantică și fizica tac în acest caz.

Încercând să explice procesele care au loc cu legile fizicii, imaginea va arăta astfel. Un obiect format ca rezultat al compresiei gravitaționale colosale a unui corp cosmic masiv sau supramasiv. Acest proces este nume stiintific- colapsul gravitațional. Termenul „gaură neagră” a fost auzit pentru prima dată în comunitatea științifică în 1968, când astronomul și fizicianul american John Wheeler a încercat să explice starea colapsului stelar. Potrivit teoriei sale, în locul unei stele masive care a suferit un colaps gravitațional, apare un decalaj spațial și temporal, în care operează o compresie din ce în ce mai mare. Tot ceea ce a fost făcută steaua merge în sine.

Această explicație ne permite să concluzionam că natura găurilor negre nu este în niciun fel legată de procesele care au loc în Univers. Tot ceea ce se întâmplă în interiorul acestui obiect nu se reflectă în niciun fel în spațiul înconjurător cu un „DAR”. Forța gravitațională a unei găuri negre este atât de puternică încât îndoaie spațiul, determinând rotirea galaxiilor în jurul găurilor negre. În consecință, motivul pentru care galaxiile iau forma de spirale devine clar. Nu se știe cât va dura până când imensa galaxie Calea Lactee va dispărea în abisul unei găuri negre supermasive. Un fapt interesant este că găurile negre pot apărea oriunde în spațiul cosmic, unde sunt create în acest scop. conditii ideale. Un astfel de pliu de timp și spațiu neutralizează vitezele enorme cu care stelele se rotesc și se deplasează prin spațiul galaxiei. Timpul într-o gaură neagră curge într-o altă dimensiune. În această regiune, nicio lege a gravitației nu poate fi interpretată în termeni fizici. Această stare se numește o singularitate a găurii negre.

Găurile negre nu prezintă semne de identificare externe; existența lor poate fi judecată după comportamentul altor obiecte spațiale care sunt afectate de câmpurile gravitaționale. Întreaga imagine a unei lupte pe viață și pe moarte are loc la marginea unei găuri negre, care este acoperită cu o membrană. Această suprafață imaginară a pâlniei este numită „orizont de evenimente”. Tot ceea ce vedem până la această graniță este tangibil și material.

Scenarii de formare a găurilor negre

Dezvoltând teoria lui John Wheeler, putem concluziona că misterul găurilor negre nu este cel mai probabil în procesul de formare. Formarea unei găuri negre are loc ca urmare a prăbușirii unei stele neutronice. În plus, masa unui astfel de obiect ar trebui să depășească masa Soarelui de trei sau mai multe ori. Steaua neutronică se micșorează până când propria sa lumină nu mai poate scăpa de îmbrățișarea strânsă a gravitației. Există o limită a dimensiunii la care o stea se poate micșora, dând naștere unei găuri negre. Această rază se numește rază gravitațională. Stelele masive aflate în stadiul final al dezvoltării lor ar trebui să aibă o rază gravitațională de câțiva kilometri.

Astăzi, oamenii de știință au obținut dovezi indirecte ale prezenței găurilor negre într-o duzină de stele binare cu raze X. Stelele cu raze X, pulsarii sau exploziile nu au o suprafață solidă. În plus, masa lor este mai mare decât masa a trei Sori. Starea actuală a spațiului cosmic din constelația Cygnus - steaua cu raze X Cygnus X-1, ne permite să urmărim procesul de formare a acestor obiecte curioase.

Pe baza cercetării și a presupunerilor teoretice, astăzi în știință există patru scenarii pentru formarea stelelor negre:

• colapsul gravitațional al unei stele masive în stadiul final al evoluției sale;
• colapsul regiunii centrale a galaxiei;
• formarea găurilor negre în timpul Big Bang-ului;
• formarea găurilor negre cuantice.

Primul scenariu este cel mai realist, dar numărul de stele negre cu care suntem familiarizați astăzi depășește numărul de stele neutronice cunoscute. Iar vârsta Universului nu este atât de mare încât să poată trece un astfel de număr de stele masive proces complet evoluţie.

Al doilea scenariu are dreptul la viață și există exemplu strălucitor- gaura neagră supermasivă Săgetător A*, amplasată în centrul galaxiei noastre. Masa acestui obiect este de 3,7 mase solare. Mecanismul acestui scenariu este similar cu cel al colapsului gravitațional, cu singura diferență că nu steaua se prăbușește, ci gazul interstelar. Sub influența forțelor gravitaționale, gazul este comprimat la o masă și densitate critice. Într-un moment critic, materia se dezintegrează în cuante, formând o gaură neagră. Cu toate acestea, această teorie este pusă la îndoială, deoarece recent astronomii de la Universitatea Columbia au identificat sateliți ai găurii negre Sagittarius A*. S-au dovedit a fi multe găuri negre mici, care probabil s-au format într-un mod diferit.

Al treilea scenariu este mai teoretic și este asociat cu existența teoriei Big Bang. În momentul formării Universului, o parte din materie și câmpurile gravitaționale au suferit fluctuații. Cu alte cuvinte, procesele au luat o altă cale, fără legătură cu procese cunoscute mecanica cuantică și fizica nucleară.

Ultimul scenariu este orientat spre fizică explozie nucleara. În aglomerări de materie, în timpul reacțiilor nucleare sub influența forțelor gravitaționale, are loc o explozie, în locul ei se formează o gaură neagră. Materia explodează spre interior, absorbind toate particulele.

Existența și evoluția găurilor negre

Având o idee aproximativă despre natura unor astfel de obiecte spațiale ciudate, altceva este interesant. Care sunt adevăratele dimensiuni ale găurilor negre și cât de repede cresc ele? Dimensiunile găurilor negre sunt determinate de raza lor gravitațională. Pentru găurile negre, raza găurii negre este determinată de masa sa și se numește raza Schwarzschild. De exemplu, dacă un obiect are o masă egală cu masa planetei noastre, atunci raza Schwarzschild în acest caz este de 9 mm. Lumina noastră principală are o rază de 3 km. Densitatea medie a unei găuri negre formate în locul unei stele cu o masă de 10⁸ mase solare va fi apropiată de densitatea apei. Raza unei astfel de formațiuni va fi de 300 de milioane de kilometri.

Este probabil ca astfel de găuri negre uriașe să fie situate în centrul galaxiilor. Până în prezent, sunt cunoscute 50 de galaxii, în centrul cărora se află uriașe puțuri temporale și spațiale. Masa unor astfel de giganți este de miliarde din masa Soarelui. Nu vă puteți imagina decât ce forță de atracție colosală și monstruoasă are o astfel de gaură.

În ceea ce privește găurile mici, acestea sunt mini-obiecte, a căror rază atinge valori neglijabile, doar 10¯¹² cm Masa unor astfel de firimituri este de 10¹⁴g. Astfel de formațiuni au apărut în timpul Big Bang-ului, dar în timp au crescut în dimensiune și astăzi se etalează în spațiul cosmic ca niște monștri. Oamenii de știință încearcă acum să recreeze condițiile în care s-au format mici găuri negre în condiții terestre. În aceste scopuri, se efectuează experimente în colisionare de electroni, prin care particule elementare accelerează la viteza luminii. Primele experimente au făcut posibilă obținerea plasmei de quarc-gluoni în condiții de laborator - materie care a existat în zorii formării Universului. Astfel de experimente ne permit să sperăm că o gaură neagră pe Pământ este doar o chestiune de timp. Un alt lucru este dacă o astfel de realizare a științei umane nu se va transforma într-un dezastru pentru noi și pentru planeta noastră. Prin crearea unei găuri negre artificiale, putem deschide cutia Pandorei.

Observațiile recente ale altor galaxii au permis oamenilor de știință să descopere găuri negre ale căror dimensiuni depășesc toate așteptările și presupunerile imaginabile. Evoluția care are loc cu astfel de obiecte ne permite să înțelegem mai bine de ce crește masa găurilor negre și care este limita sa reală. Oamenii de știință au ajuns la concluzia că toate găurile negre cunoscute au crescut la dimensiunea lor reală în 13-14 miliarde de ani. Diferența de mărime se explică prin densitatea spațiului înconjurător. Dacă o gaură neagră are suficientă hrană la îndemâna forțelor sale gravitaționale, ea crește treptat, atingând o masă de sute sau mii de mase solare. De aici și dimensiunea gigantică a unor astfel de obiecte situate în centrul galaxiilor. Un grup masiv de stele, mase uriașe de gaz interstelar oferă hrană abundentă pentru creștere. Când galaxiile se îmbină, găurile negre se pot îmbina pentru a forma un nou obiect supermasiv.

Judecând după analiza proceselor evolutive, se obișnuiește să se distingă două clase de găuri negre:

• obiecte cu o masă de 10 ori masa solară;
• obiecte masive a căror masă este de sute de mii, miliarde de mase solare.

Există găuri negre cu o masă intermediară medie egală cu 100-10 mii de mase solare, dar natura lor rămâne încă necunoscută. Există aproximativ un astfel de obiect pe galaxie. Studiul stelelor cu raze X a făcut posibilă găsirea a două găuri negre de masă medie la o distanță de 12 milioane de ani lumină în galaxia M82. Masa unui obiect variază în intervalul 200-800 de mase solare. Celălalt obiect este mult mai mare și are o masă de 10-40 mii de mase solare. Soarta unor astfel de obiecte este interesantă. Sunt situate în apropierea clusterelor de stele, fiind atrase treptat de gaura neagră supermasivă situată în partea centrală a galaxiei.

Planeta noastră și găurile negre

În ciuda căutării de indicii despre natura găurilor negre, lumea științifică este preocupată de locul și rolul găurii negre în soarta galaxiei Calea Lactee și, în special, în soarta planetei Pământ. Pliul de timp și spațiu care există în centrul Căii Lactee absoarbe treptat toate obiectele existente în jurul ei. Milioane de stele și trilioane de tone de gaz interstelar au fost deja înghițite în gaura neagră. În timp, va veni rândul brațelor Cygnus și Săgetător, în care se află sistemul solar, acoperind o distanță de 27 de mii de ani lumină.

Cealaltă gaură neagră supermasivă cea mai apropiată este situată în partea centrală a galaxiei Andromeda. Este la aproximativ 2,5 milioane de ani lumină de noi. Probabil, înainte ca obiectul nostru Săgetător A* să-și înghită propria galaxie, ar trebui să ne așteptăm la o fuziune a două galaxii învecinate. În consecință, două găuri negre supermasive se vor contopi într-una singură, de dimensiuni teribile și monstruoase.

Găurile negre mici sunt o chestiune complet diferită. Pentru a înghiți planeta Pământ, este suficientă o gaură neagră cu o rază de câțiva centimetri. Problema este că, prin natura sa, o gaură neagră este un obiect complet fără chip. Nicio radiație sau radiație nu emană din burtă, așa că este destul de dificil să observi un astfel de obiect misterios. Doar la distanță apropiată puteți detecta îndoirea luminii de fundal, ceea ce indică faptul că există o gaură în spațiu în această regiune a Universului.

Până în prezent, oamenii de știință au stabilit că cea mai apropiată gaură neagră de Pământ este obiectul V616 Monocerotis. Monstrul este situat la 3000 de ani lumină de sistemul nostru. Aceasta este o formațiune mare în dimensiune, masa sa este de 9-13 mase solare. Un alt obiect din apropiere care reprezintă o amenințare pentru lumea noastră este gaura neagră Gygnus X-1. Suntem despărțiți de acest monstru de o distanță de 6.000 de ani lumină. Găurile negre descoperite în cartierul nostru fac parte dintr-un sistem binar, adică. există în imediata apropiere a stelei care hrănește obiectul nesățios.

Concluzie

Existența unor astfel de obiecte misterioase și misterioase în spațiu precum găurile negre ne obligă cu siguranță să fim în garda noastră. Totuși, tot ceea ce se întâmplă cu găurile negre se întâmplă destul de rar, având în vedere vârsta Universului și distanțe mari. Timp de 4,5 miliarde de ani, sistemul solar este în repaus, existând conform legilor cunoscute nouă. În acest timp, în apropierea Sistemului Solar nu a apărut nimic de genul acesta, nici o distorsiune a spațiului, nici un pliu de timp. Probabil că nu există condiții potrivite pentru asta. Partea Calei Lactee în care se află sistemul stelar al Soarelui este o zonă calmă și stabilă a spațiului.

Oamenii de știință admit că apariția găurilor negre nu este întâmplătoare. Astfel de obiecte joacă rolul de ordonanți în Univers, distrugând corpurile cosmice în exces. În ceea ce privește soarta monștrilor înșiși, evoluția lor nu a fost încă studiată pe deplin. Există o versiune conform căreia găurile negre nu sunt eterne și, la un anumit stadiu, pot înceta să mai existe. Nu mai este un secret faptul că astfel de obiecte reprezintă surse puternice de energie. Ce fel de energie este și cum este măsurată este o altă chestiune.

Prin eforturile lui Stephen Hawking, științei i s-a prezentat teoria conform căreia o gaură neagră încă emite energie în timp ce își pierde masa. În ipotezele sale, omul de știință a fost ghidat de teoria relativității, în care toate procesele sunt interconectate între ele. Nimic nu dispare fără să apară altundeva. Orice materie poate fi transformată într-o altă substanță, cu un tip de energie deplasându-se la un alt nivel de energie. Acesta poate fi cazul găurilor negre, care sunt un portal de tranziție de la o stare la alta.

Dacă aveți întrebări, lăsați-le în comentariile de sub articol. Noi sau vizitatorii noștri vom fi bucuroși să le răspundem

Găurile negre sunt poate cele mai misterioase și enigmatice obiecte astronomice din Universul nostru de la descoperirea lor, ele au atras atenția oamenilor de știință și au entuziasmat imaginația scriitorilor de science fiction. Ce sunt găurile negre și ce reprezintă ele? Găurile negre sunt stele dispărute, datorită caracteristicilor lor fizice, care au astfel densitate mareși o gravitație atât de puternică încât nici măcar lumina nu poate scăpa dincolo de ele.

Istoria descoperirii găurilor negre

Pentru prima dată, existența teoretică a găurilor negre, cu mult înainte de descoperirea lor efectivă, a fost sugerată de un anume D. Michel (un preot englez din Yorkshire, care este interesat de astronomie în timpul liber) încă din 1783. Conform calculelor sale, dacă îl luăm pe al nostru și îl comprimăm (în termeni moderni) limbajul calculatorului- arhivă) până la o rază de 3 km, se formează o forță gravitațională atât de mare (pur și simplu uriașă), încât nici măcar lumina nu o poate părăsi. Așa a apărut conceptul de „găură neagră”, deși de fapt nu este deloc negru după părerea noastră, termenul de „gaură întunecată” ar fi mai potrivit, pentru că tocmai absența luminii apare.

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

Oricum ar fi, D. Michel, Albert Einstein și John Wheeler în lucrările lor au presupus doar existența teoretică a acestor misterioase obiecte cerești în spațiul cosmic, dar adevărata descoperire a găurilor negre a avut loc în 1971, atunci ei au fost observate pentru prima dată la telescop.

Așa arată o gaură neagră.

Cum se formează găurile negre în spațiu

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

O gaură neagră înghite o stea.

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

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

Câte găuri negre există în Univers?

Potrivit teoriilor oamenilor de știință moderni, în galaxia noastră Calea Lactee pot exista până la sute de milioane de găuri negre. S-ar putea să fie nu mai puțini în galaxia noastră vecină, către care nu există nimic de zburat din Calea Lactee - 2,5 milioane de ani lumină.

Teoria găurii negre

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

Proprietățile găurilor negre

Principala proprietate a unei găuri negre sunt câmpurile gravitaționale incredibile, care nu permit spațiului și timpului înconjurător să rămână în starea lor obișnuită. Da, ai auzit bine, timpul într-o gaură neagră trece de multe ori mai încet decât de obicei, iar dacă ai fi acolo, atunci când te-ai întoarce înapoi (dacă ai fi atât de norocos, desigur), ai fi surprins să observi că au trecut secole. pe Pământ, și nici măcar nu ai îmbătrânit ai reușit la timp. Deși să fim sinceri, dacă te-ai afla într-o gaură neagră, cu greu ai supraviețui, deoarece forța gravitațională este de așa natură încât orice obiect material ar fi pur și simplu sfâșiat, nici măcar în bucăți, în atomi.

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

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

Evaporarea găurilor negre

Astronomul englez S. Hawking a descoperit fapt interesant: Găurile negre par, de asemenea, să emită evaporare. Adevărat, acest lucru se aplică numai găurilor cu masă relativ mică. Gravitația puternică din jurul lor dă naștere la perechi de particule și antiparticule, una dintre perechi este atrasă de orificiu, iar a doua este expulzată. Astfel, gaura neagră emite antiparticule dure și raze gamma. Această evaporare sau radiație dintr-o gaură neagră a fost numită după omul de știință care a descoperit-o - „radiația Hawking”.

Cea mai mare gaură neagră

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

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

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

Câmpul gravitațional al acestor găuri negre gigantice sau, în termeni academici, orizontul lor de evenimente, este de aproximativ 5 ori distanța de la Soare la! O astfel de gaură neagră ne-ar mânca sistem solarși nici măcar nu m-aș sufoca.

Cea mai mică gaură neagră

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

Găurile negre sunt canibali

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

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

Găuri negre pe Discovery Channel, videoclip

Și în concluzie, vă oferim un documentar științific interesant despre găurile negre de pe Discovery Channel