Svarta hål, mörk materia, mörk materia... Dessa är utan tvekan de konstigaste och mest mystiska föremålen i rymden. Deras bisarra egenskaper kan utmana universums fysiklagar och till och med naturen hos existerande verklighet. För att förstå vad svarta hål är, föreslår forskare att "byta fokus", lära sig att tänka utanför ramarna och använda lite fantasi. Svarta hål bildas från kärnorna av supermassiva stjärnor, som kan beskrivas som ett område i rymden där enorm massa är koncentrerad i tomrummet, och ingenting, inte ens ljus, kan undkomma gravitationskraften där. Detta är det område där den andra flykthastigheten överstiger ljusets hastighet: Och ju mer massivt föremålet är för rörelse, desto snabbare måste det röra sig för att bli av med tyngdkraften. Detta är känt som flykthastighet.
Colliers uppslagsverk kallar svarta hål för ett område i rymden som uppstår som ett resultat av materiens totala gravitationella kollaps, där gravitationsattraktionen är så stark att varken materia, ljus eller andra informationsbärare kan lämna den. Därför är det inre av ett svart hål inte kausalt kopplat till resten av universum; händer i ett svart hål fysiska processer kan inte påverka processer utanför den. Ett svart hål är omgivet av en yta med egenskapen av ett enkelriktat membran: materia och strålning faller fritt genom det in i det svarta hålet, men ingenting kan fly därifrån. Denna yta kallas "händelsehorisonten".
Upptäcktshistoria
Svarta hål, som förutspåddes av den allmänna relativitetsteorin (gravitationsteorin som Einstein föreslog 1915) och andra, mer moderna gravitationsteorier, underbyggdes matematiskt av R. Oppenheimer och H. Snyder 1939. Men rymdens egenskaper och tiden i närheten av dessa föremål visade sig vara så ovanlig att astronomer och fysiker inte tog dem på allvar på 25 år. Men astronomiska upptäckter i mitten av 1960-talet förde upp svarta hål till ytan som en möjlig fysisk verklighet. Nya upptäckter och studier kan i grunden förändra vår förståelse av rum och tid och kasta ljus över miljarder kosmiska mysterier.
Bildandet av svarta hål
Medan termonukleära reaktioner inträffar i stjärnans tarmar, bibehåller de hög temperatur och tryck, vilket hindrar stjärnan från att kollapsa under sin egen gravitation. Men med tiden är kärnbränslet utarmat och stjärnan börjar krympa. Beräkningar visar att om massan av en stjärna inte överstiger tre solmassor, kommer den att vinna "slaget med gravitationen": dess gravitationskollaps kommer att stoppas av trycket från "degenererad" materia, och stjärnan kommer för alltid att förvandlas till en vit dvärg eller neutronstjärna. Men om stjärnans massa är mer än tre solar, kan ingenting stoppa dess katastrofala kollaps och den kommer snabbt att gå under händelsehorisonten och bli ett svart hål.
Är ett svart hål ett munkhål?
Det som inte avger ljus är inte lätt att märka. Ett sätt att söka efter ett svart hål är att leta efter regioner i yttre rymden som har mycket massa och som är i mörka rymden. När de letade efter dessa typer av objekt hittade astronomerna dem i två huvudområden: i galaxernas centrum och i dubbelstjärnesystemen i vår galax. Totalt, som forskare föreslår, finns det tiotals miljoner sådana föremål.
För närvarande det enda pålitliga sättet att särskilja svart hål från ett föremål av en annan typ är att mäta föremålets massa och dimensioner och jämföra dess radie med
Svarta hål är ett av de märkligaste fenomenen i universum. I alla fall i detta skede av mänsklig utveckling. Detta är ett föremål med oändlig massa och densitet, och därför attraktion, bortom vilken inte ens ljus kan fly - därför är hålet svart. Ett supermassivt svart hål kan suga in en hel galax utan att kvävas, och bortom händelsehorisonten börjar normal fysik skrika och vrida sig till en knut. Å andra sidan kan svarta hål bli potentiella "hål" för övergång från en nod i rymden till en annan. Frågan är hur nära vi kan komma ett svart hål, och kommer det att få konsekvenser?
Det supermassiva svarta hålet Sagittarius A*, som ligger i mitten av vår galax, suger inte bara in närliggande föremål, utan avger också kraftfull radiostrålning. Forskare har länge försökt att urskilja dessa strålar, men de hindrades av det spridda ljuset som omger hålet. Slutligen kunde de bryta igenom ljusbruset med hjälp av 13 teleskop, som kombinerades till ett enda kraftfullt system. Senare upptäckte de intressant information om tidigare mystiska strålar.
För några dagar sedan, den 14 mars, lämnade en av vår tids mest framstående fysiker denna värld,
Den fick detta namn eftersom den absorberar ljus, men inte reflekterar det som andra föremål. Faktum är att det finns många fakta om svarta hål, och idag kommer vi att berätta om några av de mest intressanta. Fram till relativt nyligen trodde man det svart hål i rymden suger in allt som är nära det eller flyger förbi: planeterna är skräp, men nyligen började forskare hävda att innehållet efter en tid "spotta ut" tillbaka, bara i en helt annan form. Om du är intresserad svarta hål i rymden intressanta fakta Vi kommer att berätta mer om dem idag.
Finns det ett hot mot jorden?
Det finns två svarta hål som kan representera verkligt hot vår planet, men lyckligtvis för oss ligger de långt borta på ett avstånd av cirka 1600 ljusår. Forskare kunde upptäcka dessa objekt bara för att de var belägna nära solsystemet och speciella enheter, som fångade röntgenstrålar, kunde se dem. Det finns ett antagande att den enorma tyngdkraften kan påverka svarta hål på ett sådant sätt att de smälter samman till ett.
Det är osannolikt att någon av våra samtida kommer att kunna fånga ögonblicket när dessa mystiska föremål försvinner. Processen med död av hål sker så långsamt.
Ett svart hål är en stjärna i det förflutna
Hur svarta hål bildas i rymden? Stjärnor har en imponerande tillgång på termonukleärt bränsle, vilket är anledningen till att de lyser så starkt. Men alla resurser tar slut, och stjärnan svalnar, tappar gradvis sin glöd och förvandlas till en svart dvärg. Det är känt att en kompressionsprocess inträffar i en kyld stjärna, som ett resultat av att den exploderar, och dess partiklar sprids över stora avstånd i rymden och attraherar närliggande föremål, vilket ökar storleken på det svarta hålet.
Det mest intressanta om svarta hål i rymden vi har ännu inte studerat, men överraskande nog kan dess densitet, trots sin imponerande storlek, vara lika med luftens densitet. Detta tyder på att även de största föremålen i rymden kan ha samma vikt som luft, det vill säga de kan vara otroligt lätta. Här hur svarta hål visas i rymden.
Tiden flyter väldigt långsamt i och runt det svarta hålet, så föremål som flyger i närheten saktar ner deras rörelse. Anledningen till allt är den enorma tyngdkraften, ännu mer fantastiskt faktum, alla processer som sker i själva hålet har en otrolig hastighet. Antag, om du observerar det hur ser ett svart hål ut i rymden, utanför gränserna för den alltförtärande massan, verkar det som om allt står stilla. Men så fort föremålet kom in skulle det slitas isär på ett ögonblick. Idag visar de oss hur ser ett svart hål ut på rymdfoto, simulerad av specialprogram.
Definition av ett svart hål?
Nu vet vi var kommer svarta hål ifrån i rymden. Men vad mer är speciellt med dem? Det är omöjligt a priori att säga att ett svart hål är en planet eller en stjärna, eftersom denna kropp varken är gasformig eller fast. Detta är ett objekt som kan förvränga inte bara bredden, längden och höjden, utan även tidslinjen. Vilket helt trotsar fysiska lagar. Forskare hävdar att tiden i horisonten för en rumslig enhet kan röra sig framåt och bakåt. Vad finns i ett svart hål i rymden? Det är omöjligt att föreställa sig, ljuskvantorna som kommer dit multipliceras flera gånger med singularitetens massa, denna process ökar kraften hos gravitationskraften. Därför, om du tar med dig en ficklampa och går in i ett svart hål, kommer den inte att lysa. Singularitet är den punkt där allt tenderar till oändlighet.
Strukturen hos ett svart hål är en singularitet och en händelsehorisont. Inuti singulariteten förlorar fysiska teorier helt sin mening, varför det fortfarande förblir ett mysterium för forskare. Genom att korsa gränsen (händelsehorisont) förlorar ett fysiskt föremål möjligheten att återvända. Vi vet inte långt allt om svarta hål i rymden, men intresset för dem bleknar inte.
Varje person som bekantar sig med astronomi upplever förr eller senare en stark nyfikenhet på universums mest mystiska föremål - svarta hål. Dessa är verkliga mörkrets herrar, som kan "svälja" alla atomer som passerar i närheten och inte tillåta ens ljus att fly - deras attraktion är så kraftfull. Dessa föremål utgör en verklig utmaning för fysiker och astronomer. De förra kan ännu inte förstå vad som händer med den materia som har fallit in i det svarta hålet, och de senare, även om de förklarar de mest energikrävande fenomenen i rymden med att det finns svarta hål, har aldrig haft möjlighet att observera något av dem direkt. Vi kommer att berätta om dessa intressanta himmelska föremål, ta reda på vad som redan har upptäckts och vad som återstår att lära sig för att lyfta hemlighetens slöja.
Vad är ett svart hål?
Namnet "svart hål" (på engelska - svart hål) föreslogs 1967 av den amerikanske teoretiske fysikern John Archibald Wheeler (se bilden till vänster). Det tjänade till att utse himlakropp, vars attraktion är så stark att inte ens ljuset släpper taget om sig självt. Det är därför den är "svart" eftersom den inte avger ljus.
Indirekta observationer
Detta är anledningen till ett sådant mysterium: eftersom svarta hål inte lyser, kan vi inte se dem direkt och vi tvingas leta efter och studera dem med endast indirekta bevis för att deras existens lämnar i det omgivande rummet. Med andra ord, om ett svart hål uppslukar en stjärna kan vi inte se det svarta hålet, men vi kan observera de förödande effekterna av dess kraftfulla gravitationsfält.
Laplaces intuition
Även om uttrycket "svart hål" för att beteckna det hypotetiska slutskedet av utvecklingen av en stjärna som har kollapsat in i sig själv under påverkan av gravitationen är relativt ny, uppstod idén om möjligheten att existera sådana kroppar mer än två århundraden sedan. Engelsmannen John Michell och fransmannen Pierre-Simon de Laplace antog oberoende av varandra förekomsten av "osynliga stjärnor"; samtidigt var de baserade på dynamikens och lagens vanliga lagar universell gravitation Newton. Idag har svarta hål fått sin korrekta beskrivning utifrån Einsteins allmänna relativitetsteori.
I sitt arbete "Exposition of the System of the World" (1796) skrev Laplace: "En ljus stjärna med samma täthet som jorden, med en diameter som är 250 gånger större än solens diameter, skulle tack vare sin gravitation attraktion, förhindra ljusstrålar från att nå oss. Därför är det möjligt att de största och ljusaste himlakropparna är osynliga av denna anledning.”
Oövervinnerlig gravitation
Laplaces idé baserades på begreppet flykthastighet (den andra flykthastighet). Ett svart hål är ett så tätt föremål att dess attraktion kan hålla tillbaka även ljus, som utvecklar den högsta hastigheten i naturen (nästan 300 000 km/s). I praktiken kräver flykt från ett svart hål hastigheter högre än ljusets hastighet, men detta är omöjligt!
Detta betyder att en stjärna av detta slag kommer att vara osynlig, eftersom inte ens ljus kommer att kunna övervinna sin kraftfulla gravitation. Einstein förklarade detta faktum genom fenomenet ljusböjning under påverkan av ett gravitationsfält. I verkligheten, nära ett svart hål, är rumtiden så krökt att ljusstrålars banor också sluter sig själva. För att förvandla solen till ett svart hål måste vi koncentrera hela dess massa i en boll med en radie på 3 km, och jorden måste förvandlas till en boll med en radie på 9 mm!
Typer av svarta hål
För ungefär tio år sedan antydde observationer att det fanns två typer av svarta hål: stjärna, vars massa är jämförbar med solens massa eller något överstiger den, och supermassiva, vars massa sträcker sig från flera hundra tusen till många miljoner solmassor. Men relativt nyligen, röntgenbilder och spektra hög upplösning, erhållen från konstgjorda satelliter som Chandra och XMM-Newton, förde fram den tredje typen av svarta hål - med en medelmassa som överstiger solens massa tusentals gånger.
Stjärniga svarta hål
Stjärniga svarta hål blev kända tidigare än andra. De bildas när en stjärna med stor massa, i slutet av sin evolutionära väg, förbrukar sina reserver av kärnbränsle och kollapsar in i sig själv på grund av sin egen gravitation. En explosion som skakar en stjärna (detta fenomen är känt som en "supernovaexplosion") får katastrofala konsekvenser: om stjärnans kärna är mer än 10 gånger solens massa kan ingen kärnkraft motstå gravitationskollapsen som kommer att resultera i skapandet av ett svart hål.
Supermassiva svarta hål
Supermassiva svarta hål, som först noterades i kärnorna i vissa aktiva galaxer, har ett annat ursprung. Det finns flera hypoteser angående deras födelse: ett stjärnigt svart hål, som under loppet av miljoner år slukar alla stjärnor runt sig; ett kluster av svarta hål som smälter samman; ett kolossalt gasmoln som kollapsar direkt i ett svart hål. Dessa svarta hål är bland de mest energiska föremålen i rymden. De är belägna i centrum för många, om inte alla, galaxer. Vår galax har också ett sådant svart hål. Ibland, på grund av närvaron av ett sådant svart hål, blir kärnorna i dessa galaxer mycket ljusa. Galaxer med svarta hål i centrum, omgivna av stora mängder fallande materia och därför kapabla att producera kolossala mängder energi, kallas "aktiva" och deras kärnor kallas "aktiva galaktiska kärnor" (AGN). Till exempel är kvasarer (de mest avlägsna kosmiska objekten från oss tillgängliga för vår observation) aktiva galaxer där vi bara ser en mycket ljus kärna.
Medium och mini
Ett annat mysterium förblir de medelstora svarta hålen, som, enligt nyare forskning, kan vara i centrum för vissa klotformiga kluster, såsom M13 och NCC 6388. Många astronomer är skeptiska till dessa objekt, men viss ny forskning tyder på förekomsten av svarta hål medelstora även nära mitten av vår galax. Den engelske fysikern Stephen Hawking lade också fram ett teoretiskt antagande om förekomsten av en fjärde typ av svart hål - ett "minihål" med en massa på bara en miljard ton (vilket är ungefär lika med massan av ett stort berg). Vi talar om primära objekt, det vill säga de som dök upp i de första ögonblicken av universums liv, när trycket fortfarande var mycket högt. Men ännu har inte ett enda spår av deras existens upptäckts.
Hur man hittar ett svart hål
För bara några år sedan tändes ett ljus över svarta hål. Tack vare ständigt förbättrade instrument och teknologier (både markbaserade och rymdbaserade) blir dessa objekt mindre och mindre mystiska; mer exakt, utrymmet som omger dem blir mindre mystiskt. Faktum är att eftersom det svarta hålet i sig är osynligt kan vi bara känna igen det om det är omgivet av tillräckligt mycket materia (stjärnor och het gas) som kretsar runt det på kort avstånd.
Titta på binära system
Några stjärnsvarta hål har upptäckts genom att observera en stjärnas omloppsrörelse runt en osynlig följeslagare i ett binärt system. Nära binära system (det vill säga bestående av två stjärnor mycket nära varandra), där en av följeslagarna är osynlig, är ett favoritobjekt för observation för astrofysiker som söker efter svarta hål.
En indikation på närvaron av ett svart hål (eller neutronstjärna) är stark emission röntgenstrålar, orsakad av en komplex mekanism som schematiskt kan beskrivas enligt följande. Tack vare sin kraftfulla gravitation kan ett svart hål slita ut materia ur sin medföljande stjärna; denna gas sprider sig till en platt skiva och spiralerar ner i det svarta hålet. Friktion till följd av kollisioner mellan partiklar av fallande gas värmer skivans inre skikt till flera miljoner grader, vilket orsakar kraftig röntgenstrålning.
Röntgenobservationer
Röntgenobservationer av objekt i vår galax och närliggande galaxer, utförda i flera decennier, har gjort det möjligt att upptäcka kompakta binära källor, varav ett dussintal är system som innehåller svarta hålskandidater. Huvudproblemet är att bestämma massan av en osynlig himlakropp. Massan (även om den inte är särskilt exakt) kan hittas genom att studera följeslagarens rörelse eller, mycket svårare, genom att mäta intensiteten av röntgenstrålningen från det fallande materialet. Denna intensitet är relaterad av en ekvation till massan av kroppen som detta ämne faller på.
Nobelpristagare
Något liknande kan sägas för supermassiva svarta hål som observerats i kärnorna i många galaxer, vars massor uppskattas genom att mäta omloppshastigheterna för gasen som faller in i det svarta hålet. I det här fallet, orsakat av det kraftfulla gravitationsfältet hos ett mycket stort objekt, upptäcks en snabb ökning av hastigheten hos gasmoln som kretsar i mitten av galaxer av observationer i radioområdet, såväl som i optiska strålar. Observationer i röntgenområdet kan bekräfta den ökade frigöringen av energi som orsakas av att materia faller in i det svarta hålet. Forskning inom röntgenstrålning startades i början av 1960-talet av italienaren Riccardo Giacconi, som arbetade i USA. Hans Nobelpris 2002 erkände hans "banbrytande bidrag till astrofysik som ledde till upptäckten av röntgenkällor i rymden."
Cygnus X-1: första kandidat
Vår galax är inte immun mot förekomsten av kandidatsvarta hålsobjekt. Lyckligtvis är inget av dessa objekt tillräckligt nära oss för att utgöra ett hot mot jordens eller solsystemets existens. Trots stort antal markerade kompakta röntgenkällor (som är de mest sannolika kandidaterna för svarta hål) har vi ingen tilltro till att de faktiskt innehåller svarta hål. Den enda av dessa källor som inte har en alternativ version är det nära binära systemet Cygnus X-1, det vill säga den ljusaste källan för röntgenstrålning i konstellationen Cygnus.
Massiva stjärnor
Detta system, som har en omloppstid på 5,6 dagar, består av en mycket klarblå stjärna stor storlek(dess diameter är 20 gånger solens och dess massa är cirka 30 gånger), lätt synlig även i ditt teleskop och en osynlig andra stjärna, vars massa uppskattas till flera solmassor (upp till 10). Belägen 6 500 ljusår bort skulle den andra stjärnan vara perfekt synlig om det var en vanlig stjärna. Dess osynlighet, den kraftfulla röntgenstrålning som produceras av systemet och slutligen massuppskattningen får de flesta astronomer att tro att detta är den första bekräftade upptäckten av ett stjärnigt svart hål.
Tvivlar
Men det finns också skeptiker. Bland dem finns en av de största forskarna av svarta hål, fysikern Stephen Hawking. Han gjorde till och med ett vad med sin amerikanska kollega Keel Thorne, en ivrig anhängare av att klassificera Cygnus X-1-objektet som ett svart hål.
Debatten om Cygnus X-1-objektets identitet är inte Hawkings enda insats. Efter att ha ägnat flera nio år åt teoretiska studier av svarta hål, blev han övertygad om felaktigheten i hans tidigare idéer om dessa mystiska föremål. Speciellt antog Hawking att materia, efter att ha fallit i ett svart hål, försvinner för alltid, och med det hela. dess informationsbagage försvinner. Han var så säker på detta att han gjorde en satsning på detta ämne 1997 med sin amerikanske kollega John Preskill.
Erkänner ett misstag
Den 21 juli 2004, i sitt tal vid kongressen om relativitetsteorin i Dublin, erkände Hawking att Preskill hade rätt. Svarta hål leder inte till att materien helt försvinner. Dessutom har de ett visst slags "minne". De kan mycket väl innehålla spår av vad de har konsumerat. Genom att "avdunsta" (det vill säga långsamt sända ut strålning på grund av kvanteffekten) kan de alltså återföra denna information till vårt universum.
Svarta hål i galaxen
Astronomer har fortfarande många tvivel om förekomsten av stjärnhög svarta hål (som det som tillhör det binära systemet Cygnus X-1) i vår galax; men det råder mycket mindre tvivel om supermassiva svarta hål.
I centrum
Vår galax har minst ett supermassivt svart hål. Dess källa, känd som Sagittarius A*, är exakt lokaliserad i mitten av Vintergatans plan. Dess namn förklaras av det faktum att det är den mest kraftfulla radiokällan i konstellationen Skytten. Det är i denna riktning som både de geometriska och fysiska centra i vårt galaktiska system är belägna. Beläget cirka 26 000 ljusår bort, har det supermassiva svarta hålet associerat med radiovågskällan Sagittarius A* en massa som uppskattas till cirka 4 miljoner solmassor, innesluten i ett utrymme vars volym är jämförbar med volymen av solsystemet. Dess relativa närhet till oss (detta supermassiva svarta hål är utan tvekan närmast jorden) har orsakat senaste åren föremålet genomgick särskilt djupgående studier med hjälp av Chandras rymdobservatorium. Det visade sig särskilt att det också är en kraftfull källa för röntgenstrålning (men inte lika kraftfull som källor i aktiva galaktiska kärnor). Skytten A* kan vara en slumrande rest av det som var den aktiva kärnan i vår galax för miljoner eller miljarder år sedan.
Andra svarta hålet?
Men vissa astronomer tror att det finns en annan överraskning i vår galax. Vi talar om ett andra svart hål med medelmassa, som håller ihop en klunga unga stjärnor och förhindrar dem från att falla in i ett supermassivt svart hål som ligger i själva galaxens centrum. Hur kan det komma sig att det på ett avstånd på mindre än ett ljusår från den kan finnas en stjärnhop som är knappt 10 miljoner år gammal, det vill säga, med astronomiska mått, mycket ung? Enligt forskarna är svaret att klustret inte föddes där (miljön runt det centrala svarta hålet är för fientlig för stjärnbildning), utan "drades" dit på grund av att det fanns ett andra svart hål inuti det, vilket har en medelmassa.
I omloppsbana
Enskilda stjärnor i klustret, attraherade av det supermassiva svarta hålet, började förskjutas mot det galaktiska centrumet. Men istället för att spridas ut i rymden förblir de samlade tack vare gravitationskraften från ett andra svart hål som ligger i mitten av klustret. Massan av detta svarta hål kan uppskattas baserat på dess förmåga att hålla en hel stjärnhop i koppel. Ett medelstort svart hål tar tydligen cirka 100 år att kretsa runt det centrala svarta hålet. Detta innebär att långtidsobservationer över många år gör att vi kan "se" det.
24 januari 2013
Av alla hypotetiska objekt i universum som förutspås av vetenskapliga teorier gör svarta hål det mest kusliga intrycket. Och även om förslag om deras existens började göras nästan ett och ett halvt sekel innan Einstein publicerade den allmänna relativitetsteorin, erhölls övertygande bevis på verkligheten av deras existens först nyligen.
Låt oss börja med hur allmän relativitetsteori tar upp frågan om gravitationens natur. Newtons universella gravitationslag säger att en kraft av ömsesidig attraktion verkar mellan två massiva kroppar i universum. På grund av denna gravitationsattraktion kretsar jorden runt solen. Allmän relativitetsteori tvingar oss att se på Sol-Jord-systemet annorlunda. Enligt denna teori, i närvaro av en så massiv himlakropp som solen, tycks rymdtiden kollapsa under dess tyngd, och enhetligheten i dess tyg störs. Föreställ dig en elastisk studsmatta med en tung boll (som ett bowlingklot) på. Stretchtyg böjer sig under sin vikt och skapar ett vakuum runt den. På samma sätt skjuter solen rumtiden runt sig.
Enligt den här bilden rullar jorden helt enkelt runt den resulterande tratten (förutom att en liten boll som rullar runt en tung på en studsmatta oundvikligen kommer att tappa fart och spiral närmare den stora). Och vad vi vanligtvis uppfattar som tyngdkraften i vår vardagsliv, är inte heller något annat än en förändring i rum-tidens geometri, och inte en kraft i Newtonsk mening. Idag finns det ingen mer framgångsrik förklaring av gravitationens natur än den allmänna relativitetsteorin ger oss.
Föreställ dig nu vad som kommer att hända om vi, inom ramen för den föreslagna bilden, ökar och ökar massan på en tung boll utan att öka dess fysiska dimensioner? Eftersom tratten är helt elastisk kommer den att fördjupas tills dess övre kanter konvergerar någonstans högt över den helt tunga bollen, och sedan kommer den helt enkelt att upphöra att existera när den ses från ytan. I det verkliga universum, efter att ha ackumulerat tillräcklig massa och densitet av materia, slår ett objekt en rumtidsfälla runt sig, rymdtidens väv stängs och det förlorar kontakten med resten av universum och blir osynligt för det. Så här uppstår ett svart hål.
Schwarzschild och hans samtida trodde att sådana konstiga rymdobjekt inte fanns i naturen. Einstein själv höll inte bara fast vid denna synpunkt, utan trodde också felaktigt att han hade lyckats underbygga sin åsikt matematiskt.
På 1930-talet bevisade den unge indiske astrofysikern Chandrasekhar att en stjärna som har förbrukat sitt kärnbränsle fäller sitt skal och förvandlas till en långsamt svalnande vit dvärg bara om dess massa är mindre än 1,4 solmassor. Snart insåg amerikanen Fritz Zwicky att supernovaexplosioner producerar extremt täta kroppar av neutronmaterial; Senare kom Lev Landau fram till samma slutsats. Efter Chandrasekhars arbete var det uppenbart att endast stjärnor med en massa större än 1,4 solmassor kunde genomgå en sådan utveckling. Så en naturlig fråga uppstod: finns det en övre gräns för massan av supernovor som neutronstjärnor lämnar efter sig?
I slutet av 30-talet framtida pappa Den amerikanska atombomben Robert Oppenheimer slog fast att en sådan gräns faktiskt existerar och inte överstiger flera solmassor. Det var då inte möjligt att ge en mer exakt bedömning; Det är nu känt att massan av neutronstjärnor måste vara i intervallet 1,5-3 Ms. Men även från de grova beräkningarna av Oppenheimer och hans doktorand George Volkow, följde det att de mest massiva ättlingarna till supernovor inte blir neutronstjärnor, utan omvandlas till något annat tillstånd. År 1939 använde Oppenheimer och Hartland Snyder en idealiserad modell för att bevisa att en massiv kollapsande stjärna dras samman till sin gravitationsradie. Av deras formler följer faktiskt att stjärnan inte stannar där, men medförfattarna avstod från en så radikal slutsats.
09.07.1911 - 13.04.2008
Det slutliga svaret hittades under andra hälften av 1900-talet genom ansträngningar från en hel galax av lysande teoretiska fysiker, inklusive sovjetiska. Det visade sig att en sådan kollaps alltid komprimerar stjärnan "hela vägen", vilket helt förstör dess materia. Som ett resultat uppstår en singularitet, ett "superkoncentrat" av gravitationsfältet, stängt i en oändligt liten volym. För ett stationärt hål är detta en spets, för ett roterande hål är det en ring. Krökningen av rum-tid och därför tyngdkraften nära singulariteten tenderar till oändlighet. I slutet av 1967 var den amerikanske fysikern John Archibald Wheeler den förste att kalla en sådan slutgiltig stjärnkollaps för ett svart hål. Den nya termen älskades av fysiker och förtjusta journalister, som spred den över hela världen (även om fransmännen inte gillade den till en början, eftersom uttrycket trou noir antydde tvivelaktiga associationer).
Den viktigaste egenskapen hos ett svart hål är att vad som än faller in i det kommer det inte tillbaka. Detta gäller till och med ljus, varför svarta hål får sitt namn: en kropp som absorberar allt ljus som faller på den och inte avger något eget verkar helt svart. Enligt allmän relativitetsteori, om ett objekt närmar sig mitten av ett svart hål på ett kritiskt avstånd – detta avstånd kallas Schwarzschild-radien – kan det aldrig återvända. (Den tyske astronomen Karl Schwarzschild (1873-1916) beräknade under de sista åren av sitt liv, med hjälp av ekvationerna i Einsteins allmänna relativitetsteori, gravitationsfältet runt en massa med noll volym.) För solens massa, Schwarzschilds radie är 3 km, det vill säga för att förvandla vår Solen till ett svart hål måste du komprimera hela dess massa till storleken på en liten stad!
Innanför Schwarzschild-radien förutsäger teorin ännu märkligare fenomen: all materia i ett svart hål samlas till en oändlig liten punkt av oändlig täthet i själva mitten - matematiker kallar ett sådant objekt en singulär störning. Vid oändlig densitet upptar varje ändlig massa av materia, matematiskt sett, noll rumslig volym. Naturligtvis kan vi inte experimentellt verifiera om detta fenomen faktiskt inträffar inuti ett svart hål, eftersom allt som faller innanför Schwarzschild-radien inte kommer tillbaka.
Utan att kunna "titta på" ett svart hål i den traditionella betydelsen av ordet "se" kan vi ändå upptäcka dess närvaro genom indirekta tecken på påverkan av dess superkraftiga och helt ovanliga gravitationsfält på materien runt omkring. det.
Supermassiva svarta hål
I mitten av vår Vintergatan och andra galaxer ligger ett otroligt massivt svart hål som är miljontals gånger tyngre än solen. Dessa supermassiva svarta hål (som de hette) upptäcktes från observationer av arten av rörelsen av interstellär gas nära galaxernas centrum. Gaser, att döma av observationer, roterar på nära avstånd från det supermassiva föremålet, och enkla beräkningar med hjälp av Newtons mekaniklagar visar de att föremålet som attraherar dem, med en liten diameter, har en monstruös massa. Endast ett svart hål kan virvla interstellär gas i mitten av en galax på detta sätt. Faktum är att astrofysiker redan har hittat dussintals sådana massiva svarta hål i mitten av galaxer som gränsar till vårt, och de misstänker starkt att mitten av någon galax är ett svart hål.
Svarta hål med stjärnmassa
Enligt vår nuvarande förståelse av stjärnornas utveckling, när en stjärna med en massa som överstiger cirka 30 solmassor dör i en supernovaexplosion, sprids dess yttre skal och de inre lagren kollapsar snabbt mot mitten och bildar ett svart hål på platsen av stjärnan som har förbrukat sina bränslereserver. Ett svart hål av detta ursprung isolerat i det interstellära rymden är nästan omöjligt att upptäcka, eftersom det är beläget i ett förtunnat vakuum och inte manifesterar sig på något sätt i form av gravitationsinteraktioner. Men om ett sådant hål var en del av ett binärt stjärnsystem (två heta stjärnor som kretsar runt deras massacentrum), skulle det svarta hålet fortfarande utöva ett gravitationsinflytande på sin parstjärna. Astronomer har idag mer än ett dussin kandidater för rollen som stjärnsystem av detta slag, även om rigorösa bevis inte har erhållits för någon av dem.
I ett binärt system med ett svart hål i sin sammansättning kommer den "levande" stjärnan oundvikligen att "flyta" i det svarta hålets riktning. Och ämnet som sugs ut av det svarta hålet kommer att snurra i en spiral när det faller in i det svarta hålet, försvinner när det korsar Schwarzschild-radien. När man närmar sig den dödliga gränsen kommer emellertid materialet som sugs in i tratten i det svarta hålet oundvikligen att bli tätare och upphettas på grund av den ökade frekvensen av kollisioner mellan de partiklar som absorberas av hålet, tills det värms upp till strålningsenergierna från vågor i spektrumets röntgenomfång elektromagnetisk strålning. Astronomer kan mäta periodiciteten av förändringar i intensiteten av röntgenstrålning av detta slag och beräkna, genom att jämföra den med andra tillgängliga data, den ungefärliga massan av objektet som "drar" materia mot sig själv. Om ett föremåls massa överskrider Chandrasekhar-gränsen (1,4 solmassor), kan detta föremål inte vara en vit dvärg, till vilken vår stjärna är avsedd att degenerera. I de flesta identifierade observationer av sådana dubbelstrålningsstjärnor är det massiva föremålet en neutronstjärna. Det har dock redan funnits mer än ett dussin fall där den enda rimliga förklaringen är närvaron av ett svart hål i ett binärt stjärnsystem.
Alla andra typer av svarta hål är mycket mer spekulativa och bygger enbart på teoretisk forskning – det finns inga experimentella bevis för att de existerar alls. För det första är dessa minisvarta hål med en massa som är jämförbar med massan av ett berg och komprimerade till en protons radie. Idén om deras ursprung på inledande skede bildandet av universum omedelbart efter Big Bang uttrycktes av den engelske kosmologen Stephen Hawking (se Den dolda principen om tidens irreversibilitet). Hawking föreslog att minihålsexplosioner kunde förklara det verkligt mystiska fenomenet med exakta gammastrålningskurar i universum. För det andra förutspår vissa teorier om elementarpartiklar förekomsten i universum - på mikronivå - av en riktig såll av svarta hål, som är ett slags skum från universums skräp. Diametern på sådana mikrohål är förmodligen cirka 10-33 cm - de är miljarder gånger mindre än en proton. För tillfället har vi inget hopp om att experimentellt verifiera ens själva faktumet av förekomsten av sådana svarta hålspartiklar, för att inte tala om att på något sätt utforska deras egenskaper.
Och vad händer med betraktaren om han plötsligt befinner sig på andra sidan gravitationsradien, annars kallad händelsehorisonten. Det är här allt börjar fantastisk egendom svarta hål. Det är inte för inte att när vi pratar om svarta hål nämnde vi alltid tid, eller mer exakt rum-tid. Enligt Einsteins relativitetsteori, ju snabbare en kropp rör sig, desto större blir dess massa, men desto långsammare börjar tiden gå! Vid låga hastigheter under normala förhållanden är denna effekt inte märkbar, men om kroppen ( rymdskepp) rör sig med en hastighet nära ljusets hastighet, sedan ökar dess massa och tiden saktar ner! När kroppens hastighet är lika med ljusets hastighet går massan till oändligheten, och tiden stannar! Strikta människor pratar om detta matematiska formler. Låt oss återgå till det svarta hålet. Låt oss föreställa oss en fantastisk situation när ett rymdskepp med astronauter ombord närmar sig gravitationsradien eller händelsehorisonten. Det är tydligt att händelsehorisonten heter så eftersom vi kan observera vilka händelser som helst (observera vad som helst) bara upp till denna gräns. Att vi inte kan observera bortom denna gräns. Men när astronauterna är inne i ett fartyg som närmar sig ett svart hål kommer astronauterna att känna samma sak som tidigare, eftersom... Enligt deras klocka kommer tiden att löpa "normalt". Rymdfarkosten kommer lugnt att korsa händelsehorisonten och gå vidare. Men eftersom dess hastighet kommer att vara nära ljusets hastighet, kommer rymdfarkosten att nå mitten av det svarta hålet bokstavligen på ett ögonblick.
Och för en extern observatör kommer rymdfarkosten helt enkelt att stanna vid händelsehorisonten och förbli där nästan för alltid! Detta är paradoxen med svarta håls kolossala gravitation. Den naturliga frågan är om astronauterna som går in i oändligheten enligt en extern observatörs klocka kommer att förbli vid liv. Inga. Och poängen är inte alls i enorm gravitation, utan i tidvattenkrafter, som för en så liten och massiv kropp förändras kraftigt över korta avstånd. Med en astronauts höjd på 1 m 70 cm kommer tidvattenkrafterna vid hans huvud att vara mycket mindre än vid hans fötter och han kommer helt enkelt att slitas isär vid händelsehorisonten. Så vi är med översikt fick reda på vad svarta hål är, men hittills pratade vi om svarta hål med stjärnmassa. För närvarande har astronomer upptäckt supermassiva svarta hål vars massa kan vara en miljard solar! Supermassiva svarta hål skiljer sig inte i egenskaper från sina mindre motsvarigheter. De är bara mycket mer massiva och ligger som regel i centrum av galaxer - universums stjärnöar. I mitten av vår galax (Vintergatan) finns också ett supermassivt svart hål. Den kolossala massan av sådana svarta hål kommer att göra det möjligt att söka efter dem inte bara i vår galax, utan också i mitten av avlägsna galaxer som ligger på ett avstånd av miljoner och miljarder ljusår från jorden och solen. Europeiska och amerikanska forskare genomförde en global sökning efter supermassiva svarta hål, som enligt moderna teoretiska beräkningar borde vara placerade i mitten av varje galax.
Modern teknik gör det möjligt att upptäcka förekomsten av dessa kollapsarer i angränsande galaxer, men väldigt få av dem har upptäckts. Det betyder att antingen är svarta hål helt enkelt dolda i täta gas- och stoftmoln i den centrala delen av galaxer, eller så är de belägna i mer avlägsna hörn av universum. Så svarta hål kan upptäckas av den röntgenstrålning som sänds ut under ansamlingen av materia på dem, och för att göra en räkning av sådana källor lanserades satelliter med röntgenteleskop ombord in i det kosmiska rymden nära jorden. När de letade efter röntgenkällor upptäckte rymdobservatorierna Chandra och Rossi att himlen var fylld med bakgrundsröntgenstrålning som var miljontals gånger ljusare än synlig strålning. Mycket av denna bakgrundsröntgenstrålning från himlen måste komma från svarta hål. Vanligtvis inom astronomi finns det tre typer av svarta hål. Det första är svarta hål av stjärnmassor (cirka 10 solmassor). De bildas från massiva stjärnor när de får slut på termonukleärt bränsle. Det andra är supermassiva svarta hål i galaxernas centrum (miljoner till miljarder solmassor). Och slutligen, primära svarta hål, bildade i början av universums liv, vars massor är små (i storleksordningen av massan av en stor asteroid). Således förblir ett stort antal möjliga svarta hålsmassor ofyllda. Men var är dessa hål? Fyller utrymmet med röntgenstrålar, men de vill inte visa sitt sanna "ansikte". Men för att bygga en tydlig teori om sambandet mellan bakgrundsröntgenstrålning och svarta hål är det nödvändigt att veta deras antal. För närvarande har rymdteleskop endast kunnat upptäcka ett litet antal supermassiva svarta hål, vars existens kan anses vara bevisad. Indirekta tecken gör det möjligt att öka antalet observerade svarta hål som ansvarar för bakgrundsstrålning till 15 %. Vi måste anta att de återstående supermassiva svarta hålen helt enkelt gömmer sig bakom tjocka lager av dammmoln som bara sänder högenergiröntgenstrålar eller är för långt borta för att upptäckas moderna medel observationer.
Supermassiva svarta hål (omgivning) i mitten av M87-galaxen (röntgenbild). Utstötningen (strålen) från händelsehorisonten är synlig. Bild från www.college.ru/astronomy
Att hitta dolda svarta hål är en av huvuduppgifterna för modern röntgenastronomi. Nyligen genomförda genombrott på detta område, förknippade med forskning med Chandra- och Rossi-teleskopen, täcker emellertid endast lågenergiområdet för röntgenstrålning - cirka 2000-20 000 elektronvolt (som jämförelse, energin optisk strålning- ca 2 elektronvolt). Betydande ändringar av dessa studier kan göras av det europeiska rymdteleskopet Integral, som kan tränga in i det fortfarande otillräckligt studerade området av röntgenstrålning med en energi på 20 000-300 000 elektronvolt. Vikten av att studera denna typ av röntgenstrålar är att även om himlens röntgenbakgrund har låg energi, uppträder flera toppar (punkter) av strålning med en energi på cirka 30 000 elektronvolt mot denna bakgrund. Forskare lyfter fortfarande på locket på vad som producerar dessa toppar, och Integral är det första teleskopet som är tillräckligt känsligt för att upptäcka sådana röntgenkällor. Enligt astronomer genererar högenergistrålar så kallade Compton-tjocka objekt, det vill säga supermassiva svarta hål höljda i ett dammskal. Det är Compton-objekt som är ansvariga för röntgentoppar på 30 000 elektronvolt i bakgrundsstrålningsfältet.
Men i fortsatt forskning kom forskare till slutsatsen att Compton-objekt endast utgör 10 % av antalet svarta hål som borde skapa högenergitoppar. Detta är ett allvarligt hinder för vidareutveckling teorier. Så, de saknade röntgenstrålarna levereras inte av Compton-tjocka, utan av vanliga supermassiva svarta hål? Hur är det då med dammgardiner för lågenergiröntgen? Svaret tycks ligga i det faktum att många svarta hål (Compton-objekt) hade tillräckligt med tid att absorbera all gas och damm som omslöt dem, men innan dess hade de möjlighet att ge sig till känna med högenergiröntgen. Efter att ha förbrukat all materia kunde sådana svarta hål inte längre generera röntgenstrålar vid händelsehorisonten. Det blir tydligt varför dessa svarta hål inte kan upptäckas, och det blir möjligt att tillskriva de saknade bakgrundsstrålningskällorna till dem, eftersom även om det svarta hålet inte längre sänder ut, fortsätter strålningen som det tidigare skapade att färdas genom universum. Det är dock möjligt att de saknade svarta hålen är mer dolda än vad astronomer inser, vilket betyder att bara för att vi inte ser dem betyder det inte att de inte finns där. Vi har helt enkelt inte tillräckligt med observationskraft ännu för att se dem. Samtidigt planerar NASA-forskare att utöka sökandet efter dolda svarta hål ännu längre in i universum. Det är här undervattensdelen av isberget ligger, tror de. Under loppet av flera månader kommer forskning att genomföras som en del av Swift-uppdraget. Att tränga in i det djupa universum kommer att avslöja dolda svarta hål, hitta den saknade länken till bakgrundsstrålning och kasta ljus över deras aktivitet i universums tidiga era.
Vissa svarta hål tros vara mer aktiva än sina tysta grannar. Aktiva svarta hål absorberar den omgivande materien, och om en "oförsiktig" stjärna som flyger förbi fastnar i tyngdkraftens flygning kommer den säkert att "ätas" på det mest barbariska sätt (sliten i sönder). Det absorberade materialet, som faller på ett svart hål, värms upp till enorma temperaturer och upplever en blixt i gammastrålning, röntgen och ultraviolett intervall. Det finns också ett supermassivt svart hål i mitten av Vintergatan, men det är svårare att studera än hål i närliggande eller till och med avlägsna galaxer. Detta beror på den täta väggen av gas och damm som kommer i vägen för mitten av Our Galaxy, eftersom solsystem ligger nästan vid kanten av den galaktiska skivan. Därför är observationer av svarta håls aktivitet mycket mer effektiva i de galaxer vars kärnor är tydligt synliga. Medan de observerade en av de avlägsna galaxerna i stjärnbilden Boötes på ett avstånd av 4 miljarder ljusår, lyckades astronomer för första gången spåra från början till nästan slutet processen för absorption av en stjärna av ett supermassivt svart hål. I tusentals år vilade denna gigantiska kollapsar tyst och fridfullt i mitten av en icke namngiven elliptisk galax, tills en av stjärnorna vågade komma tillräckligt nära den.
Det svarta hålets kraftfulla gravitation slet isär stjärnan. Klumpar av materia började falla ner på det svarta hålet och, när de nådde händelsehorisonten, blossade de upp ljust i det ultravioletta området. Dessa flammor spelades in av NASA:s nya rymdteleskop Galaxy Evolution Explorer, som studerar himlen i ultraviolett ljus. Teleskopet fortsätter att observera beteendet hos det framstående föremålet idag, eftersom Det svarta hålets måltid har ännu inte tagit slut, och resterna av stjärnan fortsätter att falla ner i tidens och rummets avgrund. Observationer av sådana processer kommer i slutändan att hjälpa till att bättre förstå hur svarta hål utvecklas tillsammans med deras värdgalaxer (eller, omvänt, galaxer utvecklas med ett föräldersvart hål). Tidigare observationer tyder på att sådana överdrifter inte är ovanliga i universum. Forskare har räknat ut att en stjärna i genomsnitt konsumeras av ett supermassivt svart hål i en typisk galax en gång vart 10 000:e år, men eftersom det finns ett stort antal galaxer kan stjärnabsorption observeras mycket oftare.
källa