Kai buvo atrastos juodosios skylės. Kas yra juodosios skylės ir kaip jos susidaro? Ką daryti, jei žmogus patenka į juodąją skylę
Balandžio 10 d. grupė astrofizikų iš projekto Event Horizon Telescope išleido pirmąją juodosios skylės nuotrauką. Šie milžiniški, bet nematomi kosminiai objektai vis dar yra vieni paslaptingiausių ir labiausiai intriguojančių mūsų Visatoje.
Skaitykite apačioje
Kas yra juodoji skylė?
Juodoji skylė yra objektas (erdvės laiko sritis), kurio gravitacija yra tokia didelė, kad pritraukia visus žinomus objektus, įskaitant tuos, kurie juda šviesos greičiu. Patys šviesos kvantai taip pat negali palikti šio regiono, todėl juodoji skylė yra nematoma. Galite stebėti tik elektromagnetines bangas, spinduliuotę ir erdvės iškraipymus aplink juodąją skylę. Paskelbtas įvykių horizonto teleskopas vaizduoja juodosios skylės įvykių horizontą – supergravitacijos srities kraštą, įrėmintą akreciniu disku – šviečiančia medžiaga, kurią „įsiurbia“ skylė.
Terminas „juodoji skylė“ atsirado XX amžiaus viduryje, jį įvedė amerikiečių fizikas teoretikas Johnas Archibaldas Wheeleris. Pirmą kartą šį terminą jis pavartojo mokslinėje konferencijoje 1967 m.
Tačiau prielaidos apie tokių masyvių objektų egzistavimą, kad net šviesa negali įveikti jų traukos jėgos, buvo iškeltos dar XVIII a. Šiuolaikinė juodųjų skylių teorija pradėjo formuotis bendrosios reliatyvumo teorijos rėmuose. Įdomu tai, kad pats Albertas Einšteinas netikėjo juodųjų skylių egzistavimu.
Iš kur atsiranda juodosios skylės?
Mokslininkai mano, kad juodosios skylės yra skirtingos kilmės. Didžiulės žvaigždės savo gyvavimo pabaigoje tampa juodąja skyle: per milijardus metų keičiasi dujų sudėtis ir temperatūra jose, dėl to atsiranda disbalansas tarp žvaigždės gravitacijos ir karštų dujų slėgio. Tada žvaigždė griūva: jos tūris mažėja, bet kadangi masė nekinta, tankis didėja. Tipiškos žvaigždžių masės juodosios skylės spindulys yra 30 kilometrų, o tankis – daugiau nei 200 milijonų tonų kubiniame centimetre. Palyginimui: kad Žemė taptų juodąja skyle, jos spindulys turi būti 9 milimetrai.
Yra dar vienas juodųjų skylių tipas – supermasyvios juodosios skylės, kurios sudaro daugumos galaktikų branduolius. Jų masė milijardą kartų viršija žvaigždžių juodųjų skylių masę. Supermasyvių juodųjų skylių kilmė nežinoma, spėjama, kad kažkada jos buvo žvaigždžių masės juodosios skylės, kurios augo, rydamos kitas žvaigždes.
Taip pat yra prieštaringa idėja apie pirminių juodųjų skylių, kurios gali atsirasti suspaudus bet kokią masę visatos pradžioje, egzistavimą. Be to, yra prielaida, kad didžiajame hadronų greitintuve susidaro labai mažos juodosios skylės, kurių masė artima elementariųjų dalelių masei. Tačiau šios versijos patvirtinimo kol kas nėra.
Ar juodoji skylė praris mūsų galaktiką?
Paukščių Tako galaktikos centre yra juodoji skylė - Šaulys A *. Jo masė keturis milijonus kartų viršija Saulės masę, o dydis – 25 milijonai kilometrų – maždaug lygus 18 saulių skersmeniui. Toks mastas verčia susimąstyti: ar juodoji skylė nekelia grėsmės visai mūsų galaktikai? Ne tik mokslinės fantastikos rašytojai turi pagrindo tokioms prielaidoms: prieš keletą metų mokslininkai pranešė apie galaktiką W2246-0526, esančią 12,5 mlrd. šviesmečių nuo mūsų planetos. Remiantis astronomų aprašymu, esanti W2246–0526 centre, supermasyvi juodoji skylė ją palaipsniui drasko, o atsirandanti spinduliuotė visomis kryptimis greitėja įkaitintais milžiniškais dujų debesimis. Juodosios skylės išdraskyta galaktika šviečia ryškiau nei 300 trilijonų saulės.
Tačiau mūsų namų galaktikai negresia (bent jau trumpuoju laikotarpiu). Dauguma Paukščių Tako objektų, įskaitant Saulės sistemą, yra per toli nuo juodosios skylės, kad pajustų jos trauką. Be to, „mūsų“ juodoji skylė neįsiurbia visos medžiagos, kaip dulkių siurblys, o veikia tik kaip gravitacinis inkaras aplink ją skriejančių žvaigždžių grupei – kaip Saulė planetoms.
Tačiau net jei kada nors pateksime už juodosios skylės įvykių horizonto, greičiausiai to net nepastebėsime.
Kas atsitiks, jei „įkrisite“ į juodąją skylę?
Juodosios skylės pritrauktas objektas, greičiausiai, negalės iš ten sugrįžti. Norint įveikti juodosios skylės gravitaciją, reikia išvystyti didesnį nei šviesos greitį, tačiau žmonija dar nežino, kaip tai padaryti.
Gravitacinis laukas aplink juodąją skylę yra labai stiprus ir nevienalytis, todėl visi šalia jos esantys objektai keičia formą ir struktūrą. Ta objekto pusė, kuri yra arčiau įvykių horizonto, traukiama didesne jėga ir krenta didesniu pagreičiu, todėl visas objektas išsitempia, tampa panašus į makaronus. Šį reiškinį savo knygoje „Trumpa laiko istorija“ aprašė garsus fizikas teoretikas Stephenas Hawkingas. Dar prieš Hokingą astrofizikai šį reiškinį vadino spagetifikavimu.
Jei apibūdinsite spagečių susidarymą astronauto, kuris pirmiausia nuskrido į juodąją skylę, pėdų požiūriu, tada gravitacinis laukas įtemps jo kojas, o tada ištemps ir suplėšys kūną, paversdamas jį subatominių dalelių srautu.
Neįmanoma pamatyti kritimo į juodąją skylę iš išorės, nes ji sugeria šviesą. Išorinis stebėtojas matys tik tai, kad objektas, artėjantis prie juodosios skylės, palaipsniui sulėtėja, o tada visai sustoja. Po to objekto siluetas vis labiau neryškės, įgaus raudoną spalvą ir galiausiai tiesiog išnyks amžiams.
Remiantis Stepheno Hawkingo prielaida, visi objektai, kuriuos traukia juodoji skylė, lieka įvykių horizonte. Iš reliatyvumo teorijos išplaukia, kad šalia juodosios skylės laikas sulėtėja iki sustojimo, todėl nukritusiam į juodąją skylę gali niekada ir neįvykti.
Kas viduje?
Dėl akivaizdžių priežasčių patikimo atsakymo į šį klausimą dabar nėra. Tačiau mokslininkai sutinka, kad juodojoje skylėje fizikos dėsniai, prie kurių esame įpratę, nebeveikia. Pagal vieną įdomiausių ir egzotiškiausių hipotezių, erdvės-laiko kontinuumas aplink juodąją skylę yra taip iškreiptas, kad pačioje realybėje susidaro skylė, kuri galėtų būti portalu į kitą visatą – arba vadinamąją kirmgraužą.
Juodosios skylės: paslaptingiausi objektai visatoje
Juodosios skylės sužadina daugelio – tiek mokslininkų, tiek nuo mokslo pasaulio nutolusių žmonių – vaizduotę. Ir ne visi supranta, kas yra juodoji skylė.
Supermasyvios juodosios skylės
Manoma, kad tokios juodosios skylės yra galaktikų centruose. Jų masė gali siekti iki 10 iki devintosios Saulės galios. Šios išvados padarytos remiantis žvaigždžių judėjimo netoli galaktikų centrų analize.
Taip pat yra hipotezė, pagal kurią supermasyvios juodosios skylės yra kvazarų centruose – mažai tyrinėtų ir labiausiai nutolusių iš tų kosminių objektų, kuriuos galima stebėti nuo Žemės. Kvazarai yra galaktikos branduoliai, kurių centre yra juodoji skylė.
Kvazarai yra neįtikėtinai šviesūs ir mažo dydžio, juos galima stebėti 10 milijardų šviesmečių atstumu. Šie objektai skleidžia didžiulę energiją visuose elektromagnetinio spektro regionuose, o ypač infraraudonųjų spindulių srityje.
Pirminės arba reliktinės juodosios skylės
Mažiausios juodosios skylės, kurių formavimasis vyko ankstyvosiose Visatos vystymosi stadijose. Medžiagos gumulai, atsiradę dėl Didžiojo sprogimo nehomogeniškumo, gali susitraukti į juodųjų skylių būseną, o likusi materijos dalis išsiplėtė.
Juodoji skylė ne visada yra kažkas labai didelio ir sunkaus. Mokslininkai spėja, kad kai kurios pirmapradės juodosios skylės gali būti daug mažesnės už protoną.
Kitame mūsų straipsnyje galite sužinoti, kaip veikia branduolinis reaktorius. O jei reikia pagalbos studijuojant, kreipkitės
Dėl palyginti neseniai išaugusio susidomėjimo kurti populiariuosius mokslinius filmus kosmoso tyrinėjimo tema, šiuolaikinis žiūrovas daug girdėjo apie tokius reiškinius kaip singuliarumas arba juodoji skylė. Tačiau filmai, be abejo, neatskleidžia visos šių reiškinių prigimties, o kartais net iškreipia konstruojamas mokslines teorijas, siekdamos didesnio efektyvumo. Dėl šios priežasties daugelio šiuolaikinių žmonių mintis apie šiuos reiškinius yra arba visiškai paviršutiniška, arba visiškai klaidinga. Vienas iš problemos sprendimo būdų – šis straipsnis, kuriame pabandysime suprasti esamus tyrimų rezultatus ir atsakyti į klausimą – kas yra juodoji skylė?
1784 m. anglų kunigas ir gamtininkas Johnas Michellas laiške Karališkajai draugijai pirmą kartą paminėjo hipotetinį masyvų kūną, turintį tokį stiprų gravitacinį potraukį, kad antrasis kosminis greitis viršys šviesos greitį. Antrasis kosminis greitis yra greitis, kurio prireiks santykinai mažam objektui, kad įveiktų dangaus kūno gravitacinę trauką ir išeitų už uždaros orbitos aplink šį kūną. Jo skaičiavimais, kūno, kurio tankis yra Saulės ir kurio spindulys yra 500 saulės spindulių, paviršiuje bus antrasis kosminis greitis, lygus šviesos greičiui. Tokiu atveju net šviesa nepaliks tokio kūno paviršiaus, todėl šis kūnas tik sugers įeinančią šviesą ir liks nematomas stebėtojui – savotiška juoda dėmė tamsios erdvės fone.
Tačiau Michell supermasyvaus kūno koncepcija nesulaukė didelio susidomėjimo iki pat Einšteino darbo. Prisiminkime, kad pastarasis šviesos greitį apibrėžė kaip ribojantį informacijos perdavimo greitį. Be to, Einšteinas išplėtė gravitacijos teoriją greičiui, artimam šviesos greičiui (). Dėl to juodosioms skylėms taikyti Niutono teoriją nebebuvo aktualu.
Einšteino lygtis
Pritaikius bendrąjį reliatyvumą juodosioms skylėms ir išsprendus Einšteino lygtis, buvo nustatyti pagrindiniai juodosios skylės parametrai, kurių yra tik trys: masė, elektros krūvis ir kampinis momentas. Reikėtų pažymėti reikšmingą indų astrofiziko Subramaniano Čandrasekharo indėlį, sukūrusio pagrindinę monografiją „Juodųjų skylių matematinė teorija“.
Taigi Einšteino lygčių sprendimas pateikiamas keturiais keturių galimų juodųjų skylių tipų variantais:
- BH be sukimosi ir be įkrovimo – Schwarzschildo sprendimas. Vienas pirmųjų juodosios skylės aprašymų (1916 m.), naudojant Einšteino lygtis, tačiau neatsižvelgiant į du iš trijų kūno parametrų. Vokiečių fiziko Karlo Schwarzschildo sprendimas leidžia apskaičiuoti sferinio masyvaus kūno išorinį gravitacinį lauką. Vokiečių mokslininko BH sampratos ypatumas yra įvykių horizonto buvimas ir už jo paslėptas dalykas. Be to, Schwarzschildas pirmiausia apskaičiavo gravitacinį spindulį, kuris gavo jo pavadinimą, kuris nustato sferos spindulį, kuriame būtų tam tikros masės kūno įvykių horizontas.
- BH be sukimosi su įkrovimu - Reisner-Nordström sprendimas. 1916–1918 m. pasiūlytas sprendimas, atsižvelgiant į galimą juodosios skylės elektros krūvį. Šis krūvis negali būti savavališkai didelis ir yra ribotas dėl atsirandančio elektrinio atstūmimo. Pastarąjį turėtų kompensuoti gravitacinė trauka.
- BH su sukimu ir be krūvio – Kerro tirpalas (1963). Besisukanti Kero juodoji skylė nuo statinės skiriasi tuo, kad yra vadinamoji ergosfera (apie šią ir kitus juodosios skylės komponentus skaitykite toliau).
- BH su sukimu ir įkrovimu - Kerr - Newman sprendimas. Šis sprendimas buvo apskaičiuotas 1965 m. ir šiuo metu yra pats išsamiausias, nes jame atsižvelgiama į visus tris BH parametrus. Tačiau vis dar manoma, kad gamtoje juodosios skylės turi nereikšmingą krūvį.
Juodosios skylės susidarymas
Yra keletas teorijų apie tai, kaip susidaro ir atsiranda juodoji skylė, iš kurių žinomiausia yra pakankamai masės žvaigždės susidarymas dėl gravitacinio žlugimo. Šis suspaudimas gali užbaigti žvaigždžių, kurių masė viršija tris saulės mases, evoliuciją. Pasibaigus termobranduolinėms reakcijoms tokių žvaigždžių viduje, jos pradeda greitai subyrėti į supertankias. Jei neutroninės žvaigždės dujų slėgis negali kompensuoti gravitacinių jėgų, tai yra žvaigždės masė įveikia vadinamąją. Oppenheimerio-Volkovo riba, tada žlugimas tęsiasi, todėl materija suspaudžiama į juodąją skylę.
Antrasis scenarijus, apibūdinantis juodosios skylės gimimą, yra protogalaktinių dujų, ty tarpžvaigždinių dujų, kurios yra transformacijos į galaktiką ar tam tikrą spiečius, suspaudimas. Jei vidinio slėgio nepakanka, kad kompensuotų tas pačias gravitacijos jėgas, gali atsirasti juodoji skylė.
Kiti du scenarijai lieka hipotetiniai:
- BH atsiradimas dėl to - vadinamasis. pirmapradžių juodųjų skylių.
- Atsiradimas dėl branduolinių reakcijų esant didelei energijai. Tokių reakcijų pavyzdys yra greitintuvo eksperimentai.
Juodųjų skylių struktūra ir fizika
Schwarzschild juodosios skylės struktūra apima tik du elementus, kurie buvo paminėti anksčiau: juodosios skylės singuliarumą ir įvykių horizontą. Trumpai kalbant apie singuliarumą, galima pastebėti, kad per jį neįmanoma nubrėžti tiesios linijos, be to, dauguma egzistuojančių fizinių teorijų jame neveikia. Taigi singuliarumo fizika šiandien mokslininkams tebėra paslaptis. juodoji skylė yra tam tikra siena, kurią peržengęs fizinis objektas praranda galimybę grįžti atgal už savo ribų ir būtinai „pateks“ į juodosios skylės išskirtinumą.
Juodosios skylės struktūra tampa šiek tiek sudėtingesnė Kerr tirpalo atveju, būtent esant BH sukimuisi. Kerro sprendimas daro prielaidą, kad skylė turi ergosferą. Ergosfera – tam tikra sritis už įvykių horizonto, kurios viduje visi kūnai juda juodosios skylės sukimosi kryptimi. Ši sritis dar neįdomi ir ją galima palikti, skirtingai nei įvykių horizonte. Ergosfera tikriausiai yra savotiškas akrecinio disko, kuris sukasi aplink masyvius kūnus, analogas. Jei statinė Schwarzschildo juodoji skylė vaizduojama kaip juoda sfera, tai Kerry BH dėl ergosferos buvimo turi pailgo elipsoido formą, kurios formoje BH dažnai matėme piešiniuose, senuose filmuose ar Kompiuteriniai žaidimai.
- Kiek sveria juodoji skylė? - Didžiausia teorinė medžiaga apie juodosios skylės kilmę yra jos atsiradimo scenarijui, kaip žvaigždės griūties rezultatas. Šiuo atveju didžiausią neutroninės žvaigždės masę ir mažiausią juodosios skylės masę lemia Oppenheimerio-Volkovo riba, pagal kurią apatinė BH masės riba yra 2,5 - 3 Saulės masės. Sunkiausios kada nors atrastos juodosios skylės (galaktikoje NGC 4889) masė siekia 21 milijardą Saulės masių. Tačiau nereikėtų pamiršti apie BH, hipotetiškai atsirandančius dėl branduolinių reakcijų esant didelei energijai, pavyzdžiui, susidūrimo įrenginiuose. Tokių kvantinių juodųjų skylių, kitaip tariant „Planko juodųjų skylių“, masė yra 2 · 10–5 g.
- Juodosios skylės dydis. Minimalus BH spindulys gali būti apskaičiuojamas iš minimalios masės (2,5 - 3 saulės masės). Jei Saulės gravitacinis spindulys, tai yra sritis, kurioje būtų įvykių horizontas, yra apie 2,95 km, tai minimalus 3 saulės masių BH spindulys bus apie devynis kilometrus. Toks palyginti mažas dydis netelpa į galvą, kai kalbama apie masyvius objektus, kurie traukia viską aplinkui. Tačiau kvantinių juodųjų skylių spindulys yra – 10–35 m.
- Vidutinis juodosios skylės tankis priklauso nuo dviejų parametrų: masės ir spindulio. Juodosios skylės, kurios masė yra maždaug trys saulės masės, tankis yra apie 6 · 10 26 kg / m³, o vandens tankis yra 1000 kg / m³. Tačiau tokių mažų juodųjų skylių mokslininkai nerado. Daugumos aptiktų BH masė yra didesnė nei 10 5 saulės masės. Yra įdomus modelis, pagal kurį kuo masyvesnė juodoji skylė, tuo mažesnis jos tankis. Šiuo atveju masės pokytis 11 dydžių lemia tankio pasikeitimą 22 dydžiais. Taigi juodosios skylės, kurios masė yra 1 · 10 9 saulės masės, tankis yra 18,5 kg / m³, tai yra vienu vienetu mažesnis už aukso tankį. O BH, kurių masė didesnė nei 10 10 saulės masių, vidutinis tankis gali būti mažesnis už oro tankį. Remiantis šiais skaičiavimais, logiška manyti, kad juodoji skylė susidaro ne dėl medžiagos suspaudimo, o dėl didelio medžiagos kiekio susikaupimo tam tikrame tūryje. Kvantinių BH atveju jų tankis gali būti apie 1094 kg / m³.
- Juodosios skylės temperatūra taip pat yra atvirkščiai proporcinga jos masei. Ši temperatūra yra tiesiogiai susijusi su. Šios spinduliuotės spektras sutampa su absoliučiai juodo kūno spektru, tai yra kūno, kuris sugeria visą krintančią spinduliuotę. Absoliučiai juodo kūno spinduliuotės spektras priklauso tik nuo jo temperatūros, tada BH temperatūrą galima nustatyti iš Hokingo spinduliuotės spektro. Kaip minėta aukščiau, kuo mažesnė juodoji skylė, tuo ši spinduliuotė yra galingesnė. Šiuo atveju Hokingo spinduliuotė lieka hipotetinė, nes astronomai jos dar nepastebėjo. Iš to išplaukia, kad jei Hokingo spinduliuotė egzistuoja, tai stebimų BH temperatūra yra tokia žema, kad neleidžia registruoti nurodytos spinduliuotės. Remiantis skaičiavimais, net skylės, kurios masė yra panaši į Saulės masę, temperatūra yra nereikšminga (1 · 10 -7 K arba -272 ° C). Kvantinių juodųjų skylių temperatūra gali siekti apie 10 12 K, o joms greitai išgaruojant (apie 1,5 min.), tokie BH gali skleisti dešimties milijonų atominių bombų energijos. Tačiau, laimei, tokių hipotetinių objektų sukūrimui reikės 10 14 kartų didesnės energijos nei šiandien gaunama Didžiajame hadronų greitintuve. Be to, tokių reiškinių astronomai niekada nepastebėjo.
Iš ko susideda juodoji skylė?
Kitas klausimas neramina ir mokslininkus, ir tuos, kurie tiesiog mėgsta astrofiziką – iš ko susideda juodoji skylė? Vienareikšmiško atsakymo į šį klausimą nėra, nes neįmanoma pažvelgti už bet kurią juodąją skylę supančio įvykių horizonto. Be to, kaip minėta anksčiau, teoriniai juodosios skylės modeliai numato tik 3 jos komponentus: ergosferą, įvykių horizontą ir singuliarumą. Logiška manyti, kad ergosferoje yra tik tie objektai, kuriuos patraukė juodoji skylė ir kurie dabar sukasi aplink ją – įvairūs kosminiai kūnai ir kosminės dujos. Įvykių horizontas tėra plonytė numanoma riba, kurią užkritus tie patys kosminiai kūnai negrįžtamai traukia prie paskutinio pagrindinio BH komponento – singuliarumo. Singuliarumo prigimtis šiandien netirta ir apie jo sudėtį kalbėti dar anksti.
Remiantis kai kuriomis prielaidomis, juodoji skylė gali būti sudaryta iš neutronų. Jei laikysimės juodosios skylės scenarijaus, kai žvaigždė suspaudžiama į neutroninę žvaigždę ir jos vėlesnis susitraukimas, tada tikriausiai didžiąją juodosios skylės dalį sudaro neutronai, iš kurių susideda pati neutroninė žvaigždė. Paprastais žodžiais tariant: kai žvaigždė žlunga, jos atomai susitraukia taip, kad elektronai susijungia su protonais ir taip susidaro neutronai. Panaši reakcija iš tikrųjų vyksta gamtoje, o neutrinų emisija vyksta susidarant neutronui. Tačiau tai tik prielaidos.
Kas atsitiks, jei pateksite į juodąją skylę?
Įkritimas į astrofizinę juodąją skylę ištempia kūną. Apsvarstykite hipotetinį savižudį astronautą, kuris žengia į juodąją skylę tik su skafandru, kojomis pirmiau. Kirtęs įvykių horizontą, astronautas nepastebės jokių pokyčių, nepaisant to, kad nebeturi galimybės išlipti. Tam tikru momentu astronautas pasieks tašką (šiek tiek už įvykių horizonto), kuriame prasidės jo kūno deformacija. Kadangi juodosios skylės gravitacinis laukas yra nehomogeniškas ir jį vaizduoja didėjantis jėgos gradientas link centro, astronauto kojos bus veikiamos žymiai didesnio gravitacinio poveikio nei, pavyzdžiui, galva. Tada dėl gravitacijos, tiksliau, potvynio jėgų, kojos „nukris“ greičiau. Taigi kūnas pradeda palaipsniui tempti ilgį. Šiam reiškiniui apibūdinti astrofizikai sugalvojo gana kūrybišką terminą – spagetifikacija. Tolesnis kūno tempimas greičiausiai suskaidys jį į atomus, kurie anksčiau ar vėliau pasieks singuliarumą. Ką žmogus jaus šioje situacijoje, gali spėlioti. Verta paminėti, kad kūno tempimo efektas yra atvirkščiai proporcingas juodosios skylės masei. Tai yra, jei trijų Saulių masės BH akimirksniu ištempia / sulaužys kūną, tada supermasyvi juodoji skylė turės mažesnes potvynio jėgas ir yra pasiūlymų, kad kai kurios fizinės medžiagos gali „ištverti“ tokią deformaciją neprarasdamos savo struktūros.
Kaip žinia, prie masyvių objektų laikas teka lėčiau, vadinasi, savižudžio astronauto laikas tekės daug lėčiau nei žemiečiams. Tokiu atveju galbūt jis pergyvens ne tik savo draugus, bet ir pačią Žemę. Reikės atlikti skaičiavimus norint nustatyti, kiek laiko astronautas sulėtės, tačiau iš to, kas išdėstyta aukščiau, galima daryti prielaidą, kad astronautas į juodąją skylę kris labai lėtai ir galbūt tiesiog nesulauks to momento, kai jo kūnas pradeda deformuotis.
Pastebėtina, kad stebėtojui lauke visi kūnai, atskridę iki įvykių horizonto, liks šio horizonto pakraštyje, kol jų vaizdas išnyks. To priežastis – gravitacinis raudonasis poslinkis. Šiek tiek supaprastinus galima teigti, kad šviesa, krintanti ant įvykio horizonte „užšalusio“ savižudžio astronauto kūno, dėl sulėtėjusio laiko keis savo dažnį. Laikui bėgant lėčiau, šviesos dažnis mažės, o bangos ilgis padidės. Dėl šio reiškinio prie išėjimo, tai yra išoriniam stebėtojui, šviesa palaipsniui pasislinks žemo dažnio - raudonos - link. Vyks šviesos poslinkis išilgai spektro, nes savižudis astronautas, nors ir beveik nepastebimai, vis labiau tolsta nuo stebėtojo, o jo laikas slenka vis lėčiau. Taigi, jo kūno atspindima šviesa greitai išeis už matomo spektro ribų (vaizdas išnyks), o ateityje astronauto kūną bus galima pagauti tik infraraudonųjų spindulių srityje, o vėliau radijo dažnyje ir dėl to. , spinduliuotė bus visiškai nepagaunama.
Nepaisant to, kas išdėstyta pirmiau, daroma prielaida, kad labai didelėse supermasyviose juodosiose skylėse potvynių jėgos taip nesikeičia atsižvelgiant į atstumą ir beveik vienodai veikia krintantį kūną. Tokiu atveju krintantis erdvėlaivis išlaikytų savo struktūrą. Kyla pagrįstas klausimas – kur veda juodoji skylė? Į šį klausimą gali atsakyti kai kurių mokslininkų darbai, susiejantys du tokius reiškinius kaip kirmgraužos ir juodosios skylės.
Dar 1935 m. Albertas Einsteinas ir Nathanas Rosenas, atsižvelgdami į tai, iškėlė hipotezę apie vadinamųjų kirmgraužų egzistavimą, jungiančių du erdvėlaikio taškus keliu pastarojo reikšmingo kreivumo vietose - Einšteino-Roseno. tiltas ar kirmgrauža. Tokiam galingam erdvės kreivumui reikės milžiniškos masės kūnų, su kurių vaidmeniu puikiai susidorotų juodosios skylės.
Einšteino-Rozeno tiltas laikomas nepravažiuojama kirmgrauža, nes yra mažas ir nestabilus.
Juodųjų ir baltųjų skylių teorijos rėmuose galima peržengti kirmgraužą. Kai baltoji skylė yra juodojoje skylėje įstrigusios informacijos išvestis. Baltoji skylė aprašyta bendrosios reliatyvumo teorijos rėmuose, tačiau šiandien ji tebėra hipotetinė ir nebuvo atrasta. Kitas kirmgraužos modelis, kurį pasiūlė amerikiečių mokslininkai Kipas Thorne'as ir jo absolventas Mike'as Morrisas, gali būti vaikščioti. Tačiau, kaip ir Moriso-Thorne'o kirmgraužos atveju, ir juodųjų ir baltųjų skylių atveju, norint keliauti, būtina egzotiška vadinamoji egzotinė medžiaga, kuri turi neigiamą energiją ir taip pat lieka hipotetinė.
Juodosios skylės visatoje
Juodųjų skylių egzistavimas buvo patvirtintas palyginti neseniai (2015 m. rugsėjį), tačiau iki tol jau buvo daug teorinės medžiagos apie BH prigimtį, taip pat daug objektų, galinčių atlikti juodosios skylės vaidmenį. Visų pirma, reikia atsižvelgti į BH dydį, nes nuo jų priklauso pats reiškinio pobūdis:
- Žvaigždžių masės juodoji skylė... Tokie objektai susidaro dėl žvaigždės griūties. Kaip minėta anksčiau, minimali kūno, galinčio suformuoti tokią juodąją skylę, masė yra 2,5–3 saulės masės.
- Vidutinės masės juodosios skylės... Sąlyginis tarpinis juodųjų skylių tipas, išaugęs dėl netoliese esančių objektų, pvz., dujų kaupimosi, netoliese esančios žvaigždės (dviejų žvaigždžių sistemose) ir kitų kosminių kūnų, absorbcijos.
- Supermasyvi juodoji skylė... Kompaktiški objektai su 10 5 -10 10 saulės masių. Išskirtinės tokių BH savybės yra paradoksaliai mažas tankis, taip pat silpnos potvynio jėgos, kurios buvo paminėtos anksčiau. Tai tokia supermasyvi juodoji skylė mūsų Paukščių Tako galaktikos (Sagittarius A *, Sgr A *), kaip ir daugumos kitų galaktikų, centre.
Kandidatai į Juoduosius namus
Artimiausia juodoji skylė, tiksliau, kandidatas į BH vaidmenį, yra objektas (V616 Unicorn), esantis 3000 šviesmečių atstumu nuo Saulės (mūsų galaktikoje). Jį sudaro du komponentai: žvaigždė, kurios masė yra pusė saulės masės, taip pat nematomas mažas kūnas, kurio masė yra 3–5 saulės masės. Jei šis objektas pasirodys esanti maža žvaigždžių masės juodoji skylė, tada dešinėje jis bus artimiausias BH.
Po šio objekto antra artimiausia juodoji skylė yra Cyg X-1 objektas, kuris buvo pirmasis kandidatas į BH vaidmenį. Atstumas iki jo yra maždaug 6070 šviesmečių. Jis yra gerai ištirtas: jo masė yra 14,8 saulės masės, o įvykių horizonto spindulys yra apie 26 km.
Kai kurių šaltinių teigimu, dar vienas artimiausias kandidatas į BH vaidmenį gali būti žvaigždžių sistemos V4641 Sagittarii (V4641 Sgr) kūnas, kuris, 1999 m. skaičiavimais, buvo 1600 šviesmečių atstumu. Tačiau vėlesni tyrimai padidino šį atstumą mažiausiai 15 kartų.
Kiek juodųjų skylių yra mūsų galaktikoje?
Tikslaus atsakymo į šį klausimą nėra, nes juos stebėti gana sunku, o per visą dangaus tyrimo laiką mokslininkams Paukščių Tako viduje pavyko rasti apie tuziną juodųjų skylių. Nesileidžiant į skaičiavimus, pastebime, kad mūsų galaktikoje yra apie 100–400 milijardų žvaigždžių ir maždaug kiekviena tūkstantoji žvaigždė turi pakankamai masės, kad susidarytų juodoji skylė. Tikėtina, kad per Paukščių Tako egzistavimą galėjo susidaryti milijonai juodųjų skylių. Kadangi didžiules juodąsias skyles registruoti lengviau, logiška manyti, kad dauguma mūsų galaktikos BH greičiausiai nėra supermasyvios. Pastebėtina, kad 2005 metų NASA tyrimai rodo, kad aplink galaktikos centrą skrieja juodųjų skylių būrys (10-20 tūkst.). Be to, 2016 m. japonų astrofizikai netoli objekto aptiko didžiulį palydovą * – juodąją skylę, Paukščių Tako šerdį. Dėl mažo šio kūno spindulio (0,15 šviesmečio) ir didžiulės masės (100 000 Saulės masių) mokslininkai teigia, kad šis objektas taip pat yra supermasyvi juodoji skylė.
Mūsų galaktikos branduolys, Paukščių Tako juodoji skylė (Sagittarius A *, Sgr A * arba Sagittarius A *) yra supermasyvi, jos masė yra 4,31 10 6 Saulės masės, o spindulys – 0,00071 šviesmečio (6,25 šviesmečio). arba 6,75 milijardo km). Šaulio A * temperatūra kartu su spiečiumi aplink jį yra apie 1 · 10 7 K.
Didžiausia juodoji skylė
Didžiausia juodoji skylė Visatoje, kurią atrado mokslininkai, yra supermasyvi juodoji skylė FSRQ blazar, esanti galaktikos S5 0014 + 81 centre, 1,2 · 10 10 šviesmečių atstumu nuo Žemės. Remiantis preliminariais stebėjimo rezultatais, naudojant Swift kosminę observatoriją, BH masė buvo 40 milijardų (40 · 10 9) saulės masių, o tokios skylės Schwarzschildo spindulys buvo 118,35 milijardo kilometrų (0,013 šviesmečių). Taip pat manoma, kad jis atsirado prieš 12,1 milijardo metų (1,6 milijardo metų po Didžiojo sprogimo). Jei ši milžiniška juodoji skylė nesugers aplinkinės medžiagos, ji išliks iki juodųjų skylių eros – vienos iš Visatos raidos epochų, kurios metu joje vyraus juodosios skylės. Jei galaktikos S5 0014 + 81 branduolys ir toliau augs, tada jis taps viena iš paskutinių juodųjų skylių, kurios egzistuos Visatoje.
Kitos dvi žinomos juodosios skylės, nors ir neturi savo pavadinimų, turi didžiausią reikšmę juodųjų skylių tyrimams, nes patvirtino jų egzistavimą eksperimentiškai, taip pat davė svarbių rezultatų tiriant gravitaciją. Kalbame apie įvykį GW150914, kuris vadinamas dviejų juodųjų skylių susidūrimu į vieną. Šis renginys suteikė galimybę užsiregistruoti.
Juodųjų skylių aptikimas
Prieš svarstant juodųjų skylių aptikimo būdus, reikėtų atsakyti į klausimą – kodėl juodoji skylė yra juoda? - atsakymas į jį nereikalauja gilių astrofizikos ir kosmologijos žinių. Faktas yra tas, kad juodoji skylė sugeria visą į ją patenkančią spinduliuotę ir visiškai neišspinduliuoja, jei neatsižvelgsime į hipotetinę. Jei panagrinėsime šį reiškinį išsamiau, galime daryti prielaidą, kad procesai, lemiantys energijos išsiskyrimą elektromagnetinės spinduliuotės pavidalu, nevyksta juodųjų skylių viduje. Tada, jei BH spinduliuoja, tada jis yra Hokingo spektre (kuris sutampa su įkaitusio, visiškai juodo kūno spektru). Tačiau, kaip minėta anksčiau, ši spinduliuotė nebuvo aptikta, o tai rodo visiškai žemą juodųjų skylių temperatūrą.
Kita visuotinai pripažinta teorija teigia, kad elektromagnetinė spinduliuotė visiškai nepajėgi palikti įvykių horizonto. Labiausiai tikėtina, kad fotonų (šviesos dalelių) netraukia masyvūs objektai, nes, remiantis teorija, jie patys neturi masės. Tačiau juodoji skylė vis tiek „pritraukia“ šviesos fotonus, iškreipdama erdvėlaikį. Jeigu juodąją skylę erdvėje įsivaizduosime kaip savotišką įdubimą lygiame erdvėlaikio paviršiuje, tai nuo juodosios skylės centro yra tam tikras atstumas, prie kurio artėjant šviesa nebegalės tolti. Tai yra, grubiai tariant, šviesa pradeda „kristi“ į „duobę“, kuri net neturi „dugno“.
Be to, jei atsižvelgsime į gravitacinio raudonojo poslinkio poveikį, gali būti, kad šviesa juodojoje skylėje praranda savo dažnį ir pasislenka išilgai spektro į žemo dažnio ilgos bangos spinduliuotės sritį, kol praranda energiją. iš viso.
Taigi juodoji skylė yra juoda, todėl ją sunku aptikti erdvėje.
Aptikimo metodai
Apsvarstykite metodus, kuriuos astronomai naudoja juodajai skylei aptikti:
Be minėtų metodų, mokslininkai dažnai sieja tokius objektus kaip juodosios skylės ir. Kvazarai yra tam tikros kosminių kūnų ir dujų sankaupos, kurios yra vienas ryškiausių astronominių objektų Visatoje. Kadangi jie turi didelį liuminescencijos intensyvumą esant santykinai mažiems dydžiams, yra pagrindo manyti, kad šių objektų centras yra supermasyvi juodoji skylė, kuri pritraukia aplinkinę medžiagą. Dėl tokios galingos gravitacinės traukos pritraukta medžiaga yra tokia karšta, kad spinduliuoja intensyviai. Tokių objektų radimas paprastai lyginamas su juodosios skylės radimu. Kartais kvazarai gali spinduliuoti dviem kryptimis įkaitintos plazmos sroves – reliatyvistines. Tokių čiurkšlių (purkštukų) atsiradimo priežastys nėra iki galo aiškios, tačiau greičiausiai jas sukelia BH ir akrecinio disko magnetinių laukų sąveika, o ne tiesioginė juodoji skylė.
Srautas galaktikoje M87, atsitrenkęs iš BH centro
Apibendrinant tai, kas išdėstyta, iš arti galima įsivaizduoti: tai sferinis juodas objektas, aplink kurį sukasi stipriai įkaitusi medžiaga, sudarydama šviečiantį akrecinį diską.
Juodųjų skylių susiliejimas ir susidūrimas
Vienas įdomiausių astrofizikos reiškinių – juodųjų skylių susidūrimas, kuris taip pat leidžia aptikti tokius masyvius astronominius kūnus. Tokie procesai domina ne tik astrofizikus, nes fizikų menkai ištirti reiškiniai tampa jų pasekmėmis. Ryškiausias pavyzdys – anksčiau minėtas įvykis pavadinimu GW150914, kai dvi juodosios skylės priartėjo tiek, kad dėl abipusės gravitacinės traukos susiliejo į vieną. Svarbi šio susidūrimo pasekmė buvo gravitacinių bangų atsiradimas.
Pagal gravitacinių bangų apibrėžimą, tai gravitacinio lauko pokyčiai, sklindantys panašiu būdu iš masyvių judančių objektų. Kai du tokie objektai priartėja vienas prie kito, jie pradeda suktis aplink bendrą svorio centrą. Kai jie artėja vienas prie kito, jų sukimasis aplink savo ašį didėja. Tokie kintami gravitacinio lauko svyravimai tam tikru momentu gali sudaryti vieną galingą gravitacinę bangą, kuri gali sklisti erdvėje milijonus šviesmečių. Taigi 1,3 milijardo šviesmečių atstumu susidūrė dvi juodosios skylės, suformuodamos galingą gravitacinę bangą, kuri Žemę pasiekė 2015 metų rugsėjo 14 dieną ir buvo užfiksuota LIGO ir VIRGO detektorių.
Kaip miršta juodosios skylės?
Akivaizdu, kad juodoji skylė nustotų egzistuoti, ji turės prarasti visą savo masę. Tačiau pagal jos apibrėžimą niekas negali palikti juodosios skylės ribų, jei ji peržengė įvykių horizontą. Yra žinoma, kad sovietų fizikas teorinis Vladimiras Gribovas pirmasis paminėjo juodosios skylės galimybę išmesti daleles diskusijoje su kitu sovietų mokslininku Jakovu Zeldovičiumi. Jis teigė, kad kvantinės mechanikos požiūriu juodoji skylė gali išmesti daleles per tunelio efektą. Vėliau, pasitelkęs kvantinę mechaniką, anglų fizikas teorinis Stephenas Hawkingas sukūrė savo, kiek kitokią teoriją. Daugiau apie šį reiškinį galite paskaityti. Trumpai tariant, vakuume yra vadinamosios virtualios dalelės, kurios nuolat gimsta poromis ir naikina viena kitą, kartu nesąveikdamos su išoriniu pasauliu. Bet jei tokios poros atsiranda juodosios skylės įvykių horizonte, tada stipri gravitacija hipotetiškai gali jas atskirti, kai viena dalelė patenka į BH vidų, o kita pasitraukia iš juodosios skylės. O kadangi iš skylės išbėgančią dalelę galima stebėti, todėl jos energija yra teigiama, tai į skylę patenkanti dalelė turi turėti neigiamą energiją. Taigi juodoji skylė praras savo energiją ir atsiras efektas, vadinamas juodosios skylės išgaravimu.
Pagal turimus juodosios skylės modelius, kaip minėta anksčiau, mažėjant jos masei, jos spinduliavimas tampa intensyvesnis. Tada, paskutiniame BH egzistavimo etape, kai jis gali sumažėti iki kvantinės juodosios skylės dydžio, jis išskirs didžiulį energijos kiekį spinduliuotės pavidalu, kuris gali prilygti tūkstančiams ar net milijonams atominės bombos. Šis įvykis kažkuo primena juodosios skylės sprogimą, tarsi ta pati bomba. Skaičiavimu, dėl Didžiojo sprogimo galėjo atsirasti pirmapradžių juodųjų skylių, o tos iš jų, kurių masė yra apie 10 12 kg, maždaug mūsų laikais turėjo išgaruoti ir sprogti. Kad ir kaip būtų, tokių sprogimų astronomai niekada nepastebėjo.
Nepaisant Hawkingo pasiūlyto juodųjų skylių naikinimo mechanizmo, Hokingo spinduliuotės savybės kvantinės mechanikos sistemoje sukelia paradoksą. Jei juodoji skylė sugeria kūną, o vėliau praranda masę, susidariusią dėl šio kūno sugėrimo, tada, nepaisant kūno pobūdžio, juodoji skylė nesiskirs nuo to, kokia buvo prieš kūno sugėrimą. Tokiu atveju informacija apie kūną prarandama visam laikui. Teorinių skaičiavimų požiūriu, pradinės grynos būsenos transformacija į gautą mišrią („terminę“) būseną neatitinka dabartinės kvantinės mechanikos teorijos. Šis paradoksas kartais vadinamas informacijos išnykimu juodojoje skylėje. Galutinis šio paradokso sprendimas nerastas. Žinomos paradokso sprendimo galimybės:
- Hokingo teorijos nenuoseklumas. Tai reiškia, kad neįmanoma sunaikinti juodosios skylės ir jos nuolat augti.
- Baltųjų skylių buvimas. Tokiu atveju sugerta informacija nedingsta, o tiesiog išmetama į kitą Visatą.
- Visuotinai priimtos kvantinės mechanikos teorijos nenuoseklumas.
Neišspręstos juodosios skylės fizikos problemos
Matyt, kas buvo aprašyta anksčiau, nors juodosios skylės tyrinėtos gana ilgai, jos vis dar turi daug bruožų, kurių veikimo mechanizmai mokslininkams dar nežinomi.
- 1970 metais anglų mokslininkas suformulavo vadinamąją. „Kosminės cenzūros principas“ – „Gamta bjaurisi nuogo singuliarumo“. Tai reiškia, kad singuliarumas susidaro tik nuo akių paslėptose vietose, pavyzdžiui, juodosios skylės centre. Tačiau šis principas dar neįrodytas. Taip pat yra teorinių skaičiavimų, pagal kuriuos gali atsirasti „nuogas“ singuliarumas.
- Taip pat nebuvo įrodyta teorema „be plaukų“, pagal kurią juodosios skylės turi tik tris parametrus.
- Visiška juodosios skylės magnetosferos teorija nebuvo sukurta.
- Gravitacinio singuliarumo prigimtis ir fizika nebuvo tirti.
- Nėra tiksliai žinoma, kas nutinka paskutiniame juodosios skylės egzistavimo etape ir kas lieka po kvantinio skilimo.
Įdomūs faktai apie juodąsias skyles
Apibendrinant tai, kas išdėstyta pirmiau, yra keletas įdomių ir neįprastų juodųjų skylių prigimties bruožų:
- BH turi tik tris parametrus: masę, elektros krūvį ir kampinį momentą. Dėl tokio mažo skaičiaus šio kūno charakteristikų teorema, kuri tai teigia, vadinama „neplaukų teorema“. Taip pat atsirado posakis „juodoji skylė neturi plaukų“, reiškianti, kad dvi juodosios skylės yra absoliučiai identiškos, trys paminėti jų parametrai yra vienodi.
- BH tankis gali būti mažesnis už oro tankį, o temperatūra artima absoliučiam nuliui. Iš to galima daryti prielaidą, kad juodoji skylė susidaro ne dėl medžiagos suspaudimo, o dėl didelio medžiagos kiekio susikaupimo tam tikrame tūryje.
- BH absorbuotų kūnų laikas bėga daug lėčiau nei išorinio stebėtojo. Be to, absorbuoti kūnai yra gerokai ištempti juodosios skylės viduje, kurią mokslininkai pavadino – spagetifikacija.
- Mūsų galaktikoje gali būti apie milijonas juodųjų skylių.
- Tikriausiai kiekvienos galaktikos centre yra supermasyvi juodoji skylė.
- Ateityje, pagal teorinį modelį, visata pasieks vadinamąją juodųjų skylių erą, kai juodosios skylės taps dominuojančiais kūnais visatoje.
Dauguma mano, kad juodųjų skylių egzistavimo atradimas yra Alberto Einšteino nuopelnas.
Tačiau Einšteinas savo teoriją baigė iki 1916 m., o Johnas Mitchellas šią idėją svarstė dar 1783 m. Jis nebuvo naudojamas, nes šis anglų kunigas tiesiog nežinojo, ką su juo daryti.
Mitchellas pradėjo kurti juodųjų skylių teoriją, kai priėmė Niutono idėją, kad šviesą sudaro mažos medžiagos dalelės, vadinamos fotonais. Jis apmąstė šių šviesos dalelių judėjimą ir padarė išvadą, kad tai priklauso nuo žvaigždės, kurią jos palieka, gravitacinio lauko. Jis bandė išsiaiškinti, kas nutiktų šioms dalelėms, jei gravitacinis laukas būtų per didelis, kad šviesa galėtų išeiti.
Mitchellas taip pat yra šiuolaikinės seismologijos įkūrėjas. Jis pasiūlė, kad žemės drebėjimai žemėje sklistų kaip bangos.
2. Jie tikrai traukia aplink save erdvę.
Pabandykite įsivaizduoti erdvę kaip guminį paklodę. Įsivaizduokite, kad planetos yra rutuliai, kurie spaudžia šį lapą. Jis deformuojasi ir nebeturi tiesių linijų. Tai sukuria gravitacinį lauką ir paaiškina, kodėl planetos juda aplink žvaigždes.
Jei objekto masė didėja, erdvės deformacija gali dar labiau padidėti. Šie papildomi trikdžiai padidina gravitacijos jėgą ir pagreitina orbitą, todėl palydovai vis greičiau ir greičiau juda aplink objektus.
Pavyzdžiui, Merkurijus juda aplink saulę 48 km/s greičiu, o žvaigždžių orbitos greitis šalia juodosios skylės mūsų galaktikos centre siekia 4800 km/s.
Jei gravitacijos jėga pakankamai stipri, tada palydovas susiduria su dideliu objektu.
3. Ne visos juodosios skylės yra vienodos
Paprastai manome, kad visos juodosios skylės iš esmės yra tas pats dalykas. Tačiau astronomai neseniai atrado, kad juos galima suskirstyti į keletą veislių.
Yra besisukančių juodųjų skylių, elektra įkrautų juodųjų skylių ir juodųjų skylių, turinčių pirmųjų dviejų savybių. Įprastos juodosios skylės susidaro absorbuojant medžiagą, o besisukanti juodoji skylė susidaro susiliejus dviem tokioms skylėms.
Šios juodosios skylės sunaudoja daug daugiau energijos dėl padidėjusio erdvės trikdymo. Įkrauta besisukanti juodoji skylė veikia kaip dalelių greitintuvas.
Juodoji skylė, pavadinta GRS 1915 + 105, yra maždaug 35 000 šviesmečių nuo Žemės. Jis sukasi 950 apsisukimų per sekundę greičiu.
4. Jų tankis yra neįtikėtinai didelis
Juodosios skylės turi būti pernelyg masyvios ir neįtikėtinai mažos, kad sukurtų pakankamai gravitacinės jėgos, kad sulaikytų šviesą. Pavyzdžiui, jei padarysite juodąją skylę, kurios masė lygi Žemės masei, gausite tik 9 mm skersmens rutulį.
Juodoji skylė, kurios masė yra 4 milijonai kartų didesnė už Saulės masę, gali tilpti erdvėje tarp Merkurijaus ir Saulės. Juodosios skylės galaktikų centre gali būti 10–30 milijonų kartų didesnės už Saulės masę.
Tokia didelė masė tokioje mažoje erdvėje reiškia, kad juodosios skylės yra neįtikėtinai tankios, o jų viduje veikiančios jėgos taip pat labai stiprios.
5. Jie gana triukšmingi
Viskas, kas supa juodąją skylę, įtraukiama į šią bedugnę ir tuo pačiu įsibėgėja. Įvykių horizontas (erdvės-laiko srities riba, iš kurios informacija negali pasiekti stebėtojo dėl šviesos greičio baigtinumo; apytiksliai Mixstuff) pagreitina daleles beveik iki šviesos greičio.
Kai materija kerta įvykių horizonto centrą, sukuriamas šniokščiantis garsas. Šis garsas yra judėjimo energijos pavertimas garso bangomis.
2003 m. astronomai, naudojantys Chandra kosminę rentgeno spindulių observatoriją, užfiksavo garso bangas, sklindančias iš supermasyvios juodosios skylės, esančios 250 milijonų šviesmečių atstumu.
6. Niekas negali išvengti jų traukos.
Kai kas nors (tai gali būti planeta, žvaigždė, galaktika ar šviesos dalelė) praeina pakankamai arti juodosios skylės, šis objektas neišvengiamai bus užfiksuotas jo gravitacinio lauko. Jei kažkas kitas, paveikiantis objektą, pavyzdžiui, raketa, yra stipresnis už juodosios skylės gravitaciją, tai gali išvengti absorbcijos.
Kol, žinoma, pasieks įvykių horizontą. Taškas, po kurio nebeįmanoma išeiti iš juodosios skylės. Norint išeiti iš įvykių horizonto, reikia išvystyti didesnį nei šviesos greitį, o tai neįmanoma.
Tai tamsioji juodosios skylės pusė – jei šviesa negali iš jos išeiti, tai mes niekada negalime pažvelgti į vidų.
Mokslininkai mano, kad net maža juodoji skylė suplėšys jus į gabalus dar gerokai anksčiau nei praslysite pro įvykių horizontą. Gravitacijos jėga yra didesnė, kuo arčiau planetos, žvaigždės ar juodosios skylės. Jei kojomis skrisite pirmyn į juodąją skylę, tada pėdų traukos jėga bus daug didesnė nei galvoje. Tai jus suplėšys.
7. Jie lėtina laiką
Šviesa lenkiasi aplink įvykių horizontą, bet galiausiai įsiskverbusi į vidų pagaunama į nebūtį.
Galite apibūdinti, kas atsitiks su laikrodžiu, jei jis patenka į juodąją skylę ir ten išgyvena. Kai jie artėja prie įvykių horizonto, jie sulėtės ir galiausiai visiškai sustos.
Šis laiko sustingimas atsiranda dėl gravitacinio laiko išsiplėtimo, kuris paaiškinamas Einšteino reliatyvumo teorija. Gravitacijos jėga juodojoje skylėje yra tokia didelė, kad gali sulėtinti laiką. Žiūrint iš budėjimo taško, viskas klostosi gerai. Laikrodis išnyks iš regėjimo lauko, o šviesa iš jo vis tiek bus ištempta. Šviesa taps vis raudonesnė, bangos ilgis didės ir ilgainiui išeis už matomo spektro ribų.
8. Jie yra tobuli energijos gamintojai
Juodosios skylės susiurbia visą aplinkinę masę. Juodosios skylės viduje visa tai suspausta tiek, kad susispaudžia erdvė tarp atskirų atomų elementų ir dėl to susidaro subatominės dalelės, kurios gali išskristi. Šios dalelės iš juodosios skylės išmetamos dėl magnetinio lauko linijų, kertančių įvykių horizontą.
Dalelių išsiskyrimas gana efektyviai sukuria energiją. Tokiu būdu masės pavertimas energija yra 50 kartų daug efektyvesnis nei branduolių sintezė.
9. Jie riboja žvaigždžių skaičių
Garsus astrofizikas Carlas Saganas kartą pasakė: Visatoje yra daugiau žvaigždžių nei smėlio grūdelių viso pasaulio paplūdimiuose. Bet atrodo, kad visatoje yra tik 10 22 žvaigždžių.
Šis skaičius nustatomas pagal juodųjų skylių skaičių. Juodųjų skylių skleidžiami dalelių srautai išsiplečia į burbulus, kurie keliauja per žvaigždžių formavimosi sritis. Žvaigždžių formavimo sritys yra dujų debesų regionai, kurie gali atvėsti ir formuoti žvaigždes. Dalelių srautai kaitina šiuos dujų debesis ir neleidžia susidaryti žvaigždėms.
Tai reiškia, kad yra subalansuotas ryšys tarp žvaigždžių skaičiaus ir juodųjų skylių aktyvumo. Labai daug žvaigždžių, esančių galaktikoje, padarys ją per karštą ir sprogią gyvybei vystytis, tačiau per mažai žvaigždžių taip pat neprisidės prie gyvybės atsiradimo.
10. Mes gaminami iš tos pačios medžiagos
Kai kurie tyrinėtojai mano, kad juodosios skylės padės mums sukurti naujus elementus, nes jos suskaido medžiagą į subatomines daleles.
Šios dalelės dalyvauja formuojantis žvaigždėms, kurios savo ruožtu lemia sunkesnių už helią elementų, tokių kaip geležis ir anglis, kūrimąsi, kurie būtini kietosioms planetoms ir gyvybei formuotis. Šie elementai yra dalis visko, kas turi masę, taigi ir tu, ir aš.
Didžiausi mokslo atradimai 2014 m
10 geriausių klausimų apie visatą, į kuriuos mokslininkai šiuo metu ieško atsakymų Ar amerikiečiai buvo Mėnulyje? Rusija neturi galimybės žmonėms tyrinėti Mėnulio 10 būdų, kaip kosmosas gali nužudyti žmones Pamatykite šį įspūdingą nuolaužų sūkurį, kuris supa mūsų planetą
Begalinė Visata pilna paslapčių, paslapčių ir paradoksų. Nepaisant to, kad šiuolaikinis mokslas padarė didžiulį kosmoso tyrinėjimo šuolį į priekį, daug kas šiame begaliniame pasaulyje lieka nesuprantama žmogaus pasaulėžiūrai. Mes daug žinome apie žvaigždes, ūkus, spiečius ir planetas. Tačiau Visatos platybėse yra tokių objektų, apie kurių egzistavimą galime tik spėlioti. Pavyzdžiui, apie juodąsias skyles žinome labai mažai. Pagrindinė informacija ir žinios apie juodųjų skylių prigimtį yra pagrįstos prielaidomis ir spėjimais. Astrofizikai ir atomų mokslininkai su šia problema kovoja daugiau nei tuziną metų. Kas yra juodoji skylė erdvėje? Kokia tokių objektų prigimtis?
Kalbant apie juodąsias skyles paprastai
Norint įsivaizduoti, kaip atrodo juodoji skylė, pakanka pamatyti iš tunelio išvažiuojančio traukinio uodegą. Signalinės lemputės paskutiniame vagone, traukiniui gilinantis į tunelį, mažės, kol visiškai išnyks iš regėjimo lauko. Kitaip tariant, tai objektai, kuriuose dėl monstriškos traukos dingsta net šviesa. Elementariosios dalelės, elektronai, protonai ir fotonai nepajėgia įveikti nematomo barjero, patenka į juodąją nebūties bedugnę, todėl tokia erdvė erdvėje vadinama juodąja. Jos viduje nėra nė menkiausios šviesios dėmės, vien juodumo ir begalybės. Kas yra kitoje juodosios skylės pusėje, nežinoma.
Šis kosminis dulkių siurblys turi didžiulę gravitaciją ir gali praryti visą galaktiką su visomis žvaigždžių spiečiais ir superspiečiais, ūkais ir tamsiąja medžiaga. Kaip tai įmanoma? Galima tik spėlioti. Mums žinomi fizikos dėsniai šiuo atveju trūkinėja ir nepaaiškina vykstančių procesų. Paradokso esmė slypi tame, kad tam tikroje Visatos srityje gravitacinę kūnų sąveiką lemia jų masė. Vieno kito objekto įsisavinimo procesui neturi įtakos jų kokybinė ir kiekybinė sudėtis. Dalelės, pasiekusios kritinį kiekį tam tikroje srityje, patenka į kitą sąveikos lygį, kur gravitacinės jėgos tampa traukos jėgomis. Kūnas, objektas, medžiaga ar materija, veikiami gravitacijos, pradeda trauktis ir pasiekia milžinišką tankį.
Maždaug tokie procesai vyksta formuojantis neutroninei žvaigždei, kai vidinės gravitacijos įtakoje žvaigždžių medžiaga suspaudžiama pagal tūrį. Laisvieji elektronai jungiasi su protonais ir sudaro elektriškai neutralias daleles – neutronus. Šios medžiagos tankis yra didžiulis. Rafinuoto cukraus gabalėlio dydžio medžiagos dalelė sveria milijardus tonų. Čia bus tikslinga prisiminti bendrąją reliatyvumo teoriją, kur erdvė ir laikas yra nuolatiniai dydžiai. Vadinasi, suspaudimo procesas negali būti sustabdytas pusiaukelėje, todėl jam nėra jokių apribojimų.
Potencialiai juodoji skylė atrodo kaip skylė, kurioje gali būti perėjimas iš vienos erdvės į kitą. Tuo pačiu metu kinta erdvės ir paties laiko savybės, sukasi į erdvės ir laiko sūkurį. Pasiekusi šio piltuvo dugną, bet kokia medžiaga suyra į kvantus. Kas yra kitoje juodosios skylės pusėje, ši milžiniška skylė? Galbūt yra kita erdvė, kurioje veikia kiti dėsniai ir laikas teka priešinga kryptimi.
Reliatyvumo teorijos kontekste juodosios skylės teorija atrodo taip. Erdvės taškas, kuriame gravitacinės jėgos suspaudė bet kokią medžiagą iki mikroskopinių dydžių, turi milžinišką traukos jėgą, kurios dydis didėja iki begalybės. Atsiranda laiko raukšlė, o erdvė yra išlenkta, užsidaro viename taške. Juodosios skylės apimti objektai patys negali atlaikyti šio siaubingo dulkių siurblio traukimo jėgos. Netgi kvantų turimas šviesos greitis neleidžia elementarioms dalelėms įveikti gravitacijos jėgos. Bet koks kūnas, atsitrenkęs į tokį tašką, nustoja būti materialiu objektu, susiliejančiu su erdvės ir laiko burbulu.
Juodosios skylės mokslo požiūriu
Paklausus, kaip susidaro juodosios skylės? Tikslaus atsakymo nebus. Visatoje yra daug paradoksų ir prieštaravimų, kurių neįmanoma paaiškinti mokslo požiūriu. Einšteino reliatyvumo teorija leidžia tik teoriškai paaiškinti tokių objektų prigimtį, tačiau kvantinė mechanika ir fizika šiuo atveju tyli.
Bandant paaiškinti vykstančius procesus fizikos dėsniais, vaizdas atrodys taip. Objektas, susidaręs dėl milžiniško gravitacinio masyvaus arba supermasyvaus kosminio kūno suspaudimo. Šis procesas moksliškai vadinamas gravitaciniu kolapsu. Terminas „juodoji skylė“ pirmą kartą mokslo bendruomenėje nuskambėjo 1968 m., kai amerikiečių astronomas ir fizikas Johnas Wheeleris bandė paaiškinti žvaigždžių griūties būklę. Pagal jo teoriją, vietoje masyvios žvaigždės, patyrusios gravitacinį kolapsą, atsiranda erdvės ir laiko tarpas, kuriame veikia nuolat augantis suspaudimas. Viskas, iš ko susideda žvaigždė, patenka į save.
Šis paaiškinimas leidžia daryti išvadą, kad juodųjų skylių prigimtis niekaip nesusijusi su Visatoje vykstančiais procesais. Viskas, kas vyksta šio objekto viduje, jokiu būdu neatsispindi supančioje erdvėje vienu „BET“. Juodosios skylės gravitacija tokia stipri, kad išlenkia erdvę, priversdama galaktikas suktis aplink juodąsias skyles. Atitinkamai paaiškėja priežastis, kodėl galaktikos įgauna spiralių pavidalą. Kiek užtruks, kol didžiulė Paukščių Tako galaktika išnyks į supermasyvios juodosios skylės bedugnę, nežinoma. Įdomus faktas yra tai, kad juodosios skylės gali atsirasti bet kurioje kosmoso vietoje, kur tam sukuriamos idealios sąlygos. Toks laiko ir erdvės klostymas neutralizuoja milžiniškus greičius, kuriais žvaigždės sukasi ir juda galaktikos erdvėje. Laikas juodojoje skylėje teka kitoje dimensijoje. Šioje srityje jokie gravitacijos dėsniai nėra interpretuojami fizikos požiūriu. Ši būsena vadinama juodosios skylės singuliarumu.
Juodosios skylės nerodo jokių išorinių identifikavimo ženklų, jų egzistavimą galima spręsti pagal kitų kosminių objektų, kuriuos veikia gravitaciniai laukai, elgesį. Visas gyvybės ir mirties kovos vaizdas vyksta ant juodosios skylės ribos, kurią dengia membrana. Šis įsivaizduojamas piltuvo paviršius vadinamas „įvykių horizontu“. Viskas, ką matome iki šios ribos, yra apčiuopiama ir materialu.
Juodųjų skylių susidarymo scenarijai
Plėtodami Johno Wheelerio teoriją, galime daryti išvadą, kad juodųjų skylių paslaptis tikriausiai nesiformuoja. Juodoji skylė susidaro dėl neutroninės žvaigždės žlugimo. Be to, tokio objekto masė turėtų viršyti Saulės masę tris ar daugiau kartų. Neutroninė žvaigždė susitraukia tol, kol jos pačios šviesa nebepajėgia ištrūkti iš glaudaus gravitacijos jėgos glėbio. Yra ribotas dydis, iki kurio žvaigždė gali susitraukti ir pagimdyti juodąją skylę. Šis spindulys vadinamas gravitaciniu spinduliu. Paskutiniame jų vystymosi etape masyvių žvaigždžių gravitacinis spindulys turėtų būti keli kilometrai.
Šiandien mokslininkai gavo netiesioginių juodųjų skylių buvimo keliolikoje rentgeno dvejetainių duomenų įrodymų. Rentgeno žvaigždės, pulsaras ar sprogdiklis neturi kieto paviršiaus. Be to, jų masė didesnė už trijų Saulių masę. Dabartinė kosminės erdvės būklė Cygnus žvaigždyne, rentgeno žvaigždė Cygnus X-1, leidžia atsekti šių smalsių objektų formavimąsi.
Remiantis tyrimais ir teorinėmis prielaidomis, šiandien moksle yra keturi juodųjų žvaigždžių formavimosi scenarijai:
- masyvios žvaigždės gravitacinis griūtis paskutiniame jos evoliucijos etape;
- centrinio galaktikos regiono žlugimas;
- juodųjų skylių susidarymas Didžiojo sprogimo metu;
- kvantinių juodųjų skylių susidarymas.
Pirmasis scenarijus yra realiausias, tačiau šiandien mums pažįstamų juodųjų žvaigždžių skaičius viršija žinomų neutroninių žvaigždžių skaičių. Ir Visatos amžius nėra toks didelis, kad toks masyvių žvaigždžių skaičius galėtų pereiti visą evoliucijos procesą.
Antrasis scenarijus turi teisę į gyvybę, ir yra ryškus to pavyzdys – supermasyvi juodoji skylė Šaulys A *, esanti mūsų galaktikos centre. Šio objekto masė yra 3,7 saulės masės. Šio scenarijaus mechanizmas panašus į gravitacinio kolapso scenarijų, tik tas skirtumas, kad griūtis yra ne žvaigždė, o tarpžvaigždinės dujos. Gravitacinių jėgų įtakoje dujos suspaudžiamos iki kritinės masės ir tankio. Kritiniu momentu medžiaga suyra į kvantus, sudarydama juodąją skylę. Tačiau ši teorija kelia abejonių, nes neseniai Kolumbijos universiteto astronomai nustatė Šaulio A * juodosios skylės palydovus. Paaiškėjo, kad tai daug mažų juodųjų skylių, kurios greičiausiai susiformavo kitaip.
Trečiasis scenarijus yra labiau teorinis ir siejamas su Didžiojo sprogimo teorijos egzistavimu. Visatos formavimosi momentu dalis materijos ir gravitacinių laukų patyrė svyravimus. Kitaip tariant, procesai pasuko kitu keliu, nesusijusiu su gerai žinomais kvantinės mechanikos ir branduolinės fizikos procesais.
Paskutinis scenarijus yra sutelktas į branduolinio sprogimo fiziką. Medžiagos krešuliuose branduolinių reakcijų procese, veikiant gravitacinėms jėgoms, įvyksta sprogimas, kurio vietoje susidaro juodoji skylė. Medžiaga sprogsta į vidų, sugerdama visas daleles.
Juodųjų skylių egzistavimas ir evoliucija
Turint apytikslę tokių keistų kosminių objektų prigimties idėją, įdomu dar kai kas. Kokie yra tikrieji juodųjų skylių dydžiai, kaip greitai jos auga? Juodųjų skylių dydį lemia jų gravitacinis spindulys. Juodųjų skylių atveju juodosios skylės spindulys nustatomas pagal jos masę ir vadinamas Schwarzschildo spinduliu. Pavyzdžiui, jei objekto masė lygi mūsų planetos masei, tai Schwarzschildo spindulys šiuo atveju yra 9 mm. Mūsų pagrindinis šviestuvas yra 3 km spindulio. Vidutinis juodosios skylės, susidariusios vietoje 10⁸ Saulės masės žvaigždės, tankis bus artimas vandens tankiui. Tokio darinio spindulys sieks 300 milijonų kilometrų.
Tikėtina, kad tokios milžiniškos juodosios skylės yra galaktikų centre. Iki šiol žinoma 50 galaktikų, kurių centre yra didžiuliai laiko ir erdvės šuliniai. Tokių milžinų masė yra milijardai Saulės masės. Galima tik įsivaizduoti, kokią kolosalią ir siaubingą traukos jėgą turi tokia skylė.
Kalbant apie mažas skylutes, tai yra mini objektai, kurių spindulys siekia nereikšmingas reikšmes, tik 10¯¹² cm. Tokio trupinio masė yra 10¹⁴gr. Tokie dariniai atsirado Didžiojo sprogimo metu, tačiau laikui bėgant jų dydis didėjo ir šiandien kosmose puikuojasi kaip monstrai. Sąlygas, kuriomis susidarė mažos juodosios skylės, mokslininkai šiandien bando atkurti antžeminėmis sąlygomis. Šiuo tikslu atliekami eksperimentai elektronų greitintuvuose, kurių pagalba elementarios dalelės pagreitinamos iki šviesos greičio. Pirmieji eksperimentai leido laboratorinėmis sąlygomis gauti kvarko-gliuono plazmą – materiją, kuri egzistavo Visatos formavimosi aušroje. Tokie eksperimentai leidžia tikėtis, kad juodoji skylė Žemėje yra laiko klausimas. Kitas dalykas, ar toks žmonijos mokslo pasiekimas taps katastrofa mums ir mūsų planetai. Sukūrę dirbtinę juodąją skylę, galime atidaryti Pandoros skrynią.
Naujausi kitų galaktikų stebėjimai leido mokslininkams atrasti juodąsias skyles, kurių dydžiai viršija visus įsivaizduojamus lūkesčius ir prielaidas. Su tokiais objektais vykstanti evoliucija leidžia geriau suprasti, kodėl juodųjų skylių masė auga, kokia jos tikroji riba. Mokslininkai padarė išvadą, kad visos žinomos juodosios skylės išaugo iki tikrojo dydžio per 13–14 milijardų metų. Dydžių skirtumas atsiranda dėl supančios erdvės tankio. Jei juodoji skylė turi pakankamai maisto gravitacijos jėgų pasiekiamoje vietoje, ji auga dideliais šuoliais ir pasiekia šimtų ir tūkstančių saulės masių masę. Iš čia tokių objektų, esančių galaktikų centre, gigantiškas dydis. Didžiulės žvaigždžių spiečius, didžiulės tarpžvaigždinių dujų masės yra gausus maistas augimui. Kai galaktikos susilieja, juodosios skylės gali susijungti ir sudaryti naują supermasyvų objektą.
Sprendžiant iš evoliucinių procesų analizės, įprasta išskirti dvi juodųjų skylių klases:
- objektai, kurių masė 10 kartų didesnė už Saulės masę;
- masyvių objektų, kurių masė yra šimtai tūkstančių, milijardai saulės masių.
Yra juodųjų skylių, kurių vidutinė tarpinė masė lygi 100-10 tūkstančių Saulės masių, tačiau jų prigimtis vis dar nežinoma. Kiekvienoje galaktikoje yra maždaug vienas toks objektas. Rentgeno žvaigždžių tyrimas leido 12 milijonų šviesmečių atstumu M82 galaktikoje vienu metu rasti dvi vidutinės masės juodąsias skyles. Vieno objekto masė svyruoja nuo 200 iki 800 saulės masių. Kitas objektas yra daug didesnis ir jo masė siekia 10-40 tūkstančių saulės masių. Įdomus tokių objektų likimas. Jie yra šalia žvaigždžių spiečių, palaipsniui juos traukia supermasyvi juodoji skylė, esanti centrinėje galaktikos dalyje.
Mūsų planeta ir juodosios skylės
Nepaisant įkalčių apie juodųjų skylių prigimtį paieškų, mokslo pasaulis yra susirūpinęs dėl juodosios skylės vietos ir vaidmens Paukščių Tako galaktikos ir ypač Žemės planetos likime. Laiko ir erdvės raukšlė, esanti Paukščių Tako centre, palaipsniui sugeria visus aplinkinius objektus. Juodojoje skylėje jau prarijo milijonai žvaigždžių ir trilijonai tonų tarpžvaigždinių dujų. Laikui bėgant, eilė ateis į Cygnus ir Sagittarius ginklus, kuriuose yra saulės sistema, nukeliavusi 27 tūkstančių šviesmečių atstumą.
Kita netoliese esanti supermasyvi juodoji skylė yra centrinėje Andromedos galaktikos dalyje. Jis yra nutolęs apie 2,5 milijono šviesmečių. Tikriausiai iki to laiko, kai mūsų objektas Šaulys A * apims savo galaktiką, turėtume tikėtis dviejų gretimų galaktikų susijungimo. Atitinkamai, dvi supermasyvios juodosios skylės susijungs į vieną, baisaus ir siaubingo dydžio.
Mažos juodosios skylės yra visiškai kitas dalykas. Žemės planetai praryti pakanka poros centimetrų spindulio juodosios skylės. Problema ta, kad pagal savo prigimtį juodoji skylė yra visiškai beveidis objektas. Iš jo įsčių nesklinda jokia radiacija ar spinduliuotė, todėl pastebėti tokį paslaptingą objektą gana sunku. Tik iš arti galime aptikti fono šviesos kreivumą, kuris rodo, kad šioje Visatos srityje erdvėje yra skylė.
Iki šiol mokslininkai nustatė, kad arčiausiai Žemės esanti juodoji skylė yra V616 Monocerotis objektas. Monstras yra 3000 šviesmečių nuo mūsų sistemos. Pagal savo dydį tai yra didelis darinys, jo masė yra 9-13 saulės masių. Kitas artimas objektas, keliantis grėsmę mūsų pasauliui, yra juodoji skylė Gygnus X-1. Su šiuo monstru mus skiria 6000 šviesmečių atstumas. Mūsų kaimynystėje aptiktos juodosios skylės yra dvinarės sistemos dalis, t.y. egzistuoja arti žvaigždės, maitinančios nepasotinamą objektą.
Išvada
Tokių paslaptingų ir paslaptingų objektų kaip juodosios skylės egzistavimas erdvėje, žinoma, verčia mus stebėti. Tačiau viskas, kas nutinka juodosioms skylėms, nutinka gana retai, atsižvelgiant į Visatos amžių ir didžiulius atstumus. 4,5 milijardo metų Saulės sistema buvo ramybės būsenoje ir egzistuoja pagal mums žinomus dėsnius. Per tą laiką neatsirado nieko panašaus, jokio erdvės iškraipymo, jokių laiko raukšlių šalia Saulės sistemos. Tam tikriausiai nėra tinkamų sąlygų. Ta Paukščių Tako dalis, kurioje yra Saulės žvaigždžių sistema, yra rami ir stabili erdvės sritis.
Mokslininkai pripažįsta, kad juodosios skylės atsiranda neatsitiktinai. Tokie objektai atlieka tvarkdarių vaidmenį Visatoje, naikindami kosminių kūnų perteklių. Kalbant apie pačių monstrų likimą, jų raida dar nėra iki galo suprasta. Yra versija, kad juodosios skylės nėra amžinos ir tam tikru etapu gali nustoti egzistuoti. Jau niekam ne paslaptis, kad tokie objektai yra galingiausi energijos šaltiniai. Kokia tai energija ir kaip ji matuojama – kitas reikalas.
Stepheno Hawkingo pastangomis mokslui buvo pristatyta teorija, kad juodoji skylė vis tiek skleidžia energiją, prarasdama savo masę. Savo prielaidose mokslininkas vadovavosi reliatyvumo teorija, kur visi procesai yra tarpusavyje susiję. Niekas tiesiog nedingsta nepasirodęs kitur. Bet kuri medžiaga gali virsti kita medžiaga, o vienos rūšies energija pereina į kitą energijos lygį. Taip gali būti su juodosiomis skylėmis, kurios yra pereinamasis portalas iš vienos būsenos į kitą.
Jei turite klausimų - palikite juos komentaruose po straipsniu. Mes arba mūsų lankytojai mielai į juos atsakys.
