Pentru oamenii de știință moderni, o gaură neagră este unul dintre cele mai misterioase fenomene din universul nostru. Studiul unor astfel de obiecte este dificil, nu este posibil să le încerci „prin experiență”. Masa, densitatea substanței unei găuri negre, procesele de formare a acestui obiect, dimensiuni - toate acestea trezesc interes în rândul specialiștilor și, uneori - nedumerire. Să luăm în considerare subiectul mai detaliat. Mai întâi, să analizăm ce este un astfel de obiect.
Informații generale
O caracteristică uimitoare a unui obiect cosmic este combinația dintre o rază mică, o densitate mare a materiei găurii negre și o masă incredibil de mare. Toate proprietățile fizice cunoscute în prezent ale unui astfel de obiect par ciudate oamenilor de știință, adesea inexplicabile. Chiar și cei mai experimentați astrofizicieni sunt încă uimiți de particularitățile unor astfel de fenomene. Caracteristica principală care permite oamenilor de știință să identifice o gaură neagră este orizontul evenimentelor, adică granița datorită căreianimic nu se întoarce, inclusiv lumina. Dacă o zonă este separată permanent, limita de separare este desemnată ca orizont de evenimente. Cu separarea temporară, prezența unui orizont vizibil este fixă. Uneori, temporalul este un concept foarte liber, adică regiunea poate fi separată pentru o perioadă care depășește vârsta actuală a universului. Dacă există un orizont vizibil care există pentru o lungă perioadă de timp, este dificil să-l distingem de orizontul evenimentelor.
În multe feluri, proprietățile unei găuri negre, densitatea substanței care o formează, se datorează altor calități fizice care operează în legile noastre mondiale. Orizontul de evenimente al unei găuri negre simetrice sferic este o sferă al cărei diametru este determinat de masa sa. Cu cât este mai mare masă trasă spre interior, cu atât gaura este mai mare. Și totuși rămâne surprinzător de mic pe fundalul stelelor, deoarece presiunea gravitațională comprimă totul în interior. Dacă ne imaginăm o gaură a cărei masă corespunde planetei noastre, atunci raza unui astfel de obiect nu va depăși câțiva milimetri, adică va fi cu zece miliarde mai puțin decât pământul. Raza a fost numită după Schwarzschild, om de știință care a dedus pentru prima dată găurile negre ca soluție la teoria relativității generale a lui Einstein.
Și în interior?
După ce a intrat într-un astfel de obiect, este puțin probabil ca o persoană să observe o densitate uriașă asupra sa. Proprietățile unei găuri negre nu sunt bine înțelese pentru a fi siguri ce se va întâmpla, dar oamenii de știință cred că nimic special nu poate fi dezvăluit atunci când traversează orizontul. Acest lucru este explicat prin echivalentul einsteinianprincipiu care explică de ce câmpul care formează curbura orizontului și accelerația inerentă planului nu diferă pentru observator. Când urmăriți procesul de traversare de la distanță, puteți vedea că obiectul începe să încetinească în apropierea orizontului, de parcă timpul trece încet în acest loc. După ceva timp, obiectul va traversa orizontul, va cădea în raza Schwarzschild.
Densitatea materiei într-o gaură neagră, masa unui obiect, dimensiunile și forțele de maree și câmpul gravitațional sunt strâns legate. Cu cât raza este mai mare, cu atât densitatea este mai mică. Raza crește cu greutatea. Forțele de maree sunt invers proporționale cu greutatea pătrată, adică pe măsură ce dimensiunile cresc și densitatea scade, forțele de maree ale obiectului scad. Va fi posibil să depășiți orizontul înainte de a observa acest fapt dacă masa obiectului este foarte mare. În primele zile ale relativității generale, se credea că există o singularitate la orizont, dar acest lucru s-a dovedit a nu fi cazul.
Despre densitate
După cum au arătat studiile, densitatea unei găuri negre, în funcție de masă, poate fi mai mult sau mai mică. Pentru diferite obiecte, acest indicator variază, dar scade întotdeauna odată cu creșterea razei. Pot apărea găuri supermasive, care se formează în mod extins datorită acumulării de material. În medie, densitatea unor astfel de obiecte, a căror masă corespunde cu masa totală a mai multor miliarde de corpuri de iluminat din sistemul nostru, este mai mică decât densitatea apei. Uneori este comparabil cu nivelul densității gazului. Forța de maree a acestui obiect este activată deja după ce observatorul traversează orizontulevenimente. Exploratorul ipotetic nu avea să fie rănit în timp ce se apropia de orizont și ar cădea multe mii de kilometri dacă ar găsi protecție de la plasma discului. Dacă observatorul nu se uită înapoi, nu va observa că orizontul a fost traversat, iar dacă întoarce capul, probabil va vedea raze de lumină înghețate la orizont. Timpul pentru observator va curge foarte lent, el va putea urmări evenimentele din apropierea gaurii până în momentul morții - fie ea, fie Universul.
Pentru a determina densitatea unei găuri negre supermasive, trebuie să-i cunoști masa. Găsiți valoarea acestei cantități și volumul Schwarzschild inerent obiectului spațial. În medie, un astfel de indicator, potrivit astrofizicienilor, este excepțional de mic. Într-un procent impresionant de cazuri, este mai mică decât nivelul densității aerului. Fenomenul este explicat astfel. Raza Schwarzschild este direct legată de greutate, în timp ce densitatea este invers legată de volum și, prin urmare, de raza Schwarzschild. Volumul este direct legat de raza cubului. Masa crește liniar. În consecință, volumul crește mai repede decât greutatea, iar densitatea medie devine mai mică, cu cât raza obiectului studiat este mai mare.
Curios să știu
Forța mareelor inerentă într-o gaură este un gradient al forței gravitaționale, care este destul de mare la orizont, așa că nici măcar fotonii nu pot scăpa de aici. În același timp, creșterea parametrului are loc destul de ușor, ceea ce face posibil ca observatorul să depășească orizontul fără riscuri pentru sine.
Studii ale densității unei găuri negre încentrul obiectului este încă relativ limitat. Astrofizicienii au stabilit că, cu cât singularitatea centrală este mai apropiată, cu atât nivelul densității este mai mare. Mecanismul de calcul menționat mai devreme vă permite să vă faceți o idee foarte medie a ceea ce se întâmplă.
Oamenii de știință au idei extrem de limitate despre ceea ce se întâmplă în gaură, structura sa. Potrivit astrofizicienilor, distribuția densității într-o gaură nu este foarte semnificativă pentru un observator din exterior, cel puțin la nivelul actual. Specificații mult mai informative despre gravitație, greutate. Cu cât masa este mai mare, cu atât centrul, orizontul, sunt mai puternice separate unul de celăl alt. Există și astfel de presupuneri: chiar dincolo de orizont, materia este absentă în principiu, ea poate fi detectată doar în adâncurile obiectului.
Se cunosc numere?
Oamenii de știință se gândesc de mult timp la densitatea unei găuri negre. Au fost efectuate anumite studii, s-au încercat calcule. Iată una dintre ele.
Masa solară este de 210^30 kg. O gaură se poate forma la locul unui obiect care este de câteva ori mai mare decât Soarele. Densitatea celei mai ușoare găuri este estimată la o medie de 10^18 kg/m3. Acesta este un ordin de mărime mai mare decât densitatea nucleului unui atom. Aproximativ aceeași diferență față de nivelul mediu de densitate caracteristic unei stele neutronice.
Este posibilă existența unor găuri ultrauşoare, ale căror dimensiuni corespund particulelor subnucleare. Pentru astfel de obiecte, indicele de densitate va fi prohibitiv de mare.
Dacă planeta noastră devine o gaură, densitatea sa va fi de aproximativ 210^30 kg/m3. Cu toate acestea, oamenii de știință nu au reușitdezvăluie procesele în urma cărora casa noastră spațială poate fi transformată într-o gaură neagră.
Despre numere mai detaliat
Densitatea găurii negre din centrul Căii Lactee este estimată la 1,1 milioane kg/m3. Masa acestui obiect corespunde la 4 milioane de mase solare. Raza găurii este estimată la 12 milioane km. Densitatea indicată a găurii negre din centrul Căii Lactee oferă o idee despre parametrii fizici ai găurilor supermasive.
Dacă greutatea unui obiect este de 10^38 kg, adică este estimată la aproximativ 100 de milioane de sori, atunci densitatea unui obiect astronomic va corespunde nivelului de densitate al granitului găsit pe planeta noastră.
Dintre toate găurile cunoscute de astrofizicienii moderni, una dintre cele mai grele găuri a fost găsită în quasarul OJ 287. Greutatea sa corespunde celor 18 miliarde de corpuri de iluminat ale sistemului nostru. Care este densitatea unei găuri negre, au calculat oamenii de știință fără prea multe dificultăți. Valoarea s-a dovedit a fi extrem de mică. Are doar 60 g/m3. Pentru comparație: aerul atmosferic al planetei noastre are o densitate de 1,29 mg/m3.
De unde vin găurile?
Oamenii de știință nu numai că au efectuat cercetări pentru a determina densitatea unei găuri negre în comparație cu steaua sistemului nostru sau cu alte corpuri cosmice, dar au încercat și să determine de unde provin găurile, care sunt mecanismele de formare a unor astfel de găuri. obiecte misterioase. Acum există o idee a patru moduri de apariție a găurilor. Opțiunea cea mai de înțeles este prăbușirea unei stele. Când devine mare, sinteza în nucleu este încheiată,presiunea dispare, materia cade în centrul de greutate, deci apare o gaură. Pe măsură ce te apropii de centru, densitatea crește. Mai devreme sau mai târziu, indicatorul devine atât de semnificativ încât obiectele externe nu pot depăși efectele gravitației. Din acest moment, apare o nouă gaură. Acest tip este mai frecvent decât altele și se numește găuri de masă solară.
Un alt tip destul de comun de gaură este una supermasivă. Acestea sunt observate mai des în centrele galactice. Masa obiectului în comparație cu gaura de masă solară descrisă mai sus este de miliarde de ori mai mare. Oamenii de știință nu au stabilit încă procesele de manifestare a unor astfel de obiecte. Se presupune că o gaură se formează mai întâi conform mecanismului descris mai sus, apoi stelele vecine sunt absorbite, ceea ce duce la creștere. Acest lucru este posibil dacă zona galaxiei este dens populată. Absorbția materiei are loc mai rapid decât poate explica schema de mai sus, iar oamenii de știință nu pot ghici încă cum se desfășoară absorbția.
Prezumții și idei
Un subiect foarte dificil pentru astrofizicieni sunt găurile primordiale. Astfel, probabil, apar din orice masă. Ele se pot forma în fluctuații mari. Probabil, apariția unor astfel de găuri a avut loc în Universul timpuriu. Până acum, studiile dedicate calităților, caracteristicilor (inclusiv densității) găurilor negre, proceselor de apariție a acestora nu ne permit să determinăm un model care reproduce cu exactitate procesul de apariție a unei găuri primare. Modelele cunoscute în prezent sunt predominant astfel încât, dacă ar fi implementate în realitate,ar fi prea multe găuri.
Să presupunem că Large Hadron Collider poate deveni o sursă de formare a unei găuri, a cărei masă corespunde bosonului Higgs. În consecință, densitatea găurii negre va fi foarte mare. Dacă o astfel de teorie este confirmată, poate fi considerată o dovadă indirectă a prezenței unor dimensiuni suplimentare. În prezent, această concluzie speculativă nu a fost încă confirmată.
Radiții dintr-o gaură
Emisia unei găuri se explică prin efectele cuantice ale materiei. Spațiul este dinamic, așa că particulele de aici sunt complet diferite de ceea ce suntem obișnuiți. Lângă gaură, nu numai timpul este distorsionat; înțelegerea unei particule depinde în mare măsură de cine o observă. Dacă cineva cade într-o gaură, i se pare că se cufundă într-un vid, iar pentru un observator îndepărtat, pare o zonă plină cu particule. Efectul se explică prin întinderea timpului și a spațiului. Radiația din gaură a fost identificată pentru prima dată de Hawking, al cărui nume a fost dat fenomenului. Radiația are o temperatură care este invers legată de masă. Cu cât greutatea unui obiect astronomic este mai mică, cu atât temperatura este mai mare (precum și densitatea unei găuri negre). Dacă gaura este supermasivă sau are o masă comparabilă cu cea a unei stele, temperatura inerentă a radiației sale va fi mai mică decât fundalul cu microunde. Din această cauză, nu este posibil să o observi.
Această radiație explică pierderea de date. Acesta este numele unui fenomen termic, care are o calitate distinctă - temperatura. Nu există informații despre procesele de formare a găurilor prin studiu, dar un obiect care emite o astfel de radiație pierde simultan masa (și, prin urmare, creștedensitatea găurii negre) este redusă. Procesul nu este determinat de substanța din care se formează gaura, nu depinde de ceea ce a fost aspirat în ea mai târziu. Oamenii de știință nu pot spune ce a devenit baza găurii. Mai mult, studiile au arătat că radiația este un proces ireversibil, adică unul care pur și simplu nu poate exista în mecanica cuantică. Aceasta înseamnă că radiația nu poate fi conciliată cu teoria cuantică, iar inconsecvența necesită lucrări suplimentare în această direcție. În timp ce oamenii de știință cred că radiația Hawking ar trebui să conțină informații, pur și simplu nu avem încă mijloacele și capacitățile pentru a le detecta.
Curios: despre stelele neutronice
Dacă există o supergigant, nu înseamnă că un astfel de corp astronomic este etern. În timp, se schimbă, elimină straturile exterioare. Din rămășițe pot apărea pitici albe. A doua opțiune sunt stelele neutronice. Procesele specifice sunt determinate de masa nucleară a corpului primar. Dacă se estimează în intervalul de 1,4-3 solar, atunci distrugerea supergigantului este însoțită de o presiune foarte mare, din cauza căreia electronii sunt, așa cum ar fi, presați în protoni. Acest lucru duce la formarea de neutroni, la emisia de neutrini. În fizică, acesta se numește gaz degenerat cu neutroni. Presiunea sa este de așa natură încât steaua nu se mai poate contracta.
Cu toate acestea, după cum au arătat studiile, probabil că nu toate stelele neutronice au apărut în acest fel. Unele dintre ele sunt rămășițele unora mari care au explodat ca o a doua supernovă.
Raza corpului Tommai puțin decât mai multă masă. Pentru majoritatea, acesta variază între 10-100 km. Au fost efectuate studii pentru a determina densitățile găurilor negre, stele neutronice. Pentru al doilea, după cum au arătat testele, parametrul este relativ apropiat de cel atomic. Cifre specifice stabilite de astrofizicieni: 10^10 g/cm3.
Curios de știut: teorie și practică
Stelele neutronice au fost prezise în teorie în anii 60 și 70 ai secolului trecut. Pulsarii au fost primii descoperiți. Acestea sunt stele mici, a căror viteză de rotație este foarte mare, iar câmpul magnetic este cu adevărat grandios. Se presupune că pulsarul moștenește acești parametri de la steaua originală. Perioada de rotație variază de la milisecunde la câteva secunde. Primii pulsari cunoscuți au emis emisii radio periodice. Astăzi, sunt cunoscuți pulsari cu radiații cu spectru de raze X, radiații gamma.
Procesul descris de formare a stelelor neutronice poate continua - nu există nimic care să-l oprească. Dacă masa nucleară este mai mare de trei mase solare, atunci corpul punctual este foarte compact, se numește găuri. Nu va fi posibil să se determine proprietățile unei găuri negre cu o masă mai mare decât cea critică. Dacă o parte din masă se pierde din cauza radiației Hawking, raza va scădea simultan, astfel încât valoarea greutății va fi din nou mai mică decât valoarea critică pentru acest obiect.
Oare o gaură poate muri?
Oamenii de știință au prezentat ipoteze despre existența proceselor datorită participării particulelor și antiparticulelor. Fluctuația elementelor poate face ca spațiul gol să fie caracterizatnivel de energie zero, care (iată un paradox!) nu va fi egal cu zero. În același timp, orizontul de evenimente inerent corpului va primi un spectru de energie scăzută inerent corpului negru absolut. O astfel de radiație va provoca pierderi de masă. Orizontul se va micșora ușor. Să presupunem că există două perechi de particule și antagonistul acesteia. Există o anihilare a unei particule dintr-o pereche și a antagonistului acesteia din alta. În consecință, există fotoni care zboară din gaură. A doua pereche de particule propuse cade în gaură, absorbind simultan o anumită cantitate de masă, energie. Treptat, acest lucru duce la moartea găurii negre.
Ca o concluzie
După unii, o gaură neagră este un fel de aspirator cosmic. O gaură poate înghiți o stea, poate chiar „mânca” o galaxie. În multe feluri, explicația calităților unei găuri, precum și caracteristicile formării acesteia, pot fi găsite în teoria relativității. Din el se știe că timpul este continuu, la fel ca și spațiul. Aceasta explică de ce procesele de compresie nu pot fi oprite, ele sunt nelimitate și nelimitate.
Acestea sunt aceste găuri negre misterioase, peste care astrofizicienii și-au bătut mintea de mai bine de un deceniu.
