Čierna diera vo vesmíre: odkiaľ pochádza. Čo sú čierne diery a ako vznikajú?

Tento názov dostal vďaka tomu, že pohlcuje svetlo, ale neodráža ho ako iné predmety. V skutočnosti existuje veľa faktov o čiernych dierach a dnes si povieme o niektorých z najzaujímavejších. Donedávna sa tomu verilo čierna diera vo vesmíre nasáva všetko, čo je v jej blízkosti alebo letí okolo: planéta je odpad, ale nedávno vedci začali tvrdiť, že po chvíli obsah „vypľul“ späť, len v úplne inej podobe. Ak máš záujem čierne diery vo vesmíre Zaujímavosti dnes si o nich povieme podrobnejšie.

Existuje hrozba pre Zem?

Existujú dve čierne diery, ktoré môžu predstavovať skutočnú hrozbu pre našu planétu, no sú, našťastie pre nás, ďaleko vo vzdialenosti asi 1600 svetelných rokov. Vedcom sa podarilo odhaliť tieto objekty len preto, že boli blízko slnečnej sústavy a mohli ich vidieť špeciálne zariadenia, ktoré zachytávajú röntgenové lúče. Existuje predpoklad, že obrovská gravitačná sila môže pôsobiť na čierne diery tak, že sa spoja do jednej.

Je nepravdepodobné, že by niekto z jeho súčasníkov dokázal zachytiť moment, keď tieto záhadné predmety zmiznú. Tak pomaly je proces smrti dier.

Čierna diera je hviezda v minulosti

Ako vznikajú čierne diery vo vesmíre?? Hviezdy majú pôsobivú zásobu fúzneho paliva, a preto tak jasne žiaria. Ale všetky zdroje sa minú a hviezda sa ochladí, postupne stráca svoju žiaru a mení sa na čierneho trpaslíka. Je známe, že v chladenej hviezde dochádza k procesu stláčania, v dôsledku čoho exploduje a jej častice sa rozptyľujú na veľké vzdialenosti vo vesmíre, priťahujúc susedné objekty, čím sa zväčšuje veľkosť čiernej diery.

Najzaujímavejší o čiernych dierach vo vesmíre musíme ešte študovať, ale prekvapivo sa jeho hustota, napriek svojej pôsobivej veľkosti, môže rovnať hustote vzduchu. To naznačuje, že aj tie najväčšie objekty vo vesmíre môžu mať rovnakú hmotnosť ako vzduch, čiže byť neuveriteľne ľahké. Tu Ako sa vo vesmíre objavujú čierne diery?.

Čas v samotnej čiernej diere a v jej blízkosti plynie veľmi pomaly, takže objekty letiace v blízkosti spomaľujú svoj pohyb. Dôvodom všetkého je obrovská gravitačná sila, ba čo viac úžasný fakt Všetky procesy prebiehajúce v samotnej diere majú neuveriteľnú rýchlosť. Predpokladajme, že pozorujeme ako vyzerá čierna diera vo vesmíre, keďže sme mimo hraníc všepožierajúcej masy, zdá sa, že všetko stojí na mieste. Akonáhle by sa však predmet dostal dovnútra, v okamihu by sa roztrhol. Dnes sa nám ukazuje Ako vyzerá čierna diera vo vesmíre? modelované špeciálnymi programami.

Definícia čiernej diery?

Teraz už vieme Odkiaľ pochádzajú čierne diery vo vesmíre?. Čo je však na nich ešte zvláštne? Povedať, že čierna diera je planéta alebo hviezda, je a priori nemožné, pretože toto teleso nie je ani plynné, ani pevné. Ide o objekt, ktorý dokáže skresliť nielen šírku, dĺžku a výšku, ale aj časovú os. Čo úplne popiera fyzikálne zákony. Vedci tvrdia, že čas v oblasti horizontu priestorovej jednotky sa môže pohybovať dopredu a dozadu. Čo je v čiernej diere vo vesmíre nie je možné si to predstaviť, svetelné kvantá tam dopadajúce sú niekoľkonásobne vynásobené hmotnosťou singularity, tento proces zvyšuje silu gravitačnej sily. Preto, ak si so sebou vezmete baterku a pôjdete do čiernej diery, nebude svietiť. Singularita je bod, v ktorom všetko smeruje k nekonečnu.

Štruktúra čiernej diery je singularita a horizont udalostí. Vo vnútri singularity fyzikálne teórie úplne strácajú svoj význam, takže pre vedcov stále zostáva záhadou. Prekročením hranice (horizontu udalostí) fyzický objekt stráca schopnosť návratu. Vieme ďaleko všetko o čiernych dierach vo vesmíre, ale záujem o ne neutícha.

Vzhľadom na relatívne nedávny nárast záujmu o natáčanie populárno-vedeckých filmov o vesmírnom výskume, moderný divák už veľa počul o fenoménoch ako singularita alebo čierna diera. Filmy však očividne neodhaľujú celú podstatu týchto javov a niekedy dokonca skresľujú vykonštruované vedecké teórie pre väčší efekt. Z tohto dôvodu je predstava mnohých moderných ľudí o týchto javoch buď úplne povrchná, alebo úplne mylná. Jedným z riešení vzniknutého problému je tento článok, v ktorom sa pokúsime pochopiť doterajšie výsledky výskumu a odpovedať na otázku – čo je čierna diera?

V roku 1784 sa anglický kňaz a prírodovedec John Michell prvýkrát zmienil v liste Kráľovskej spoločnosti o hypotetickom masívnom telese, ktoré má takú silnú gravitačnú príťažlivosť, že jeho druhá kozmická rýchlosť by prekročila rýchlosť svetla. Druhá kozmická rýchlosť je rýchlosť, ktorú bude potrebovať relatívne malý objekt, aby prekonal gravitačnú príťažlivosť nebeského telesa a opustil uzavretú obežnú dráhu okolo tohto telesa. Podľa jeho výpočtov bude mať teleso s hustotou Slnka a s polomerom 500 slnečných polomerov na svojom povrchu druhú kozmickú rýchlosť rovnajúcu sa rýchlosti svetla. V tomto prípade ani svetlo neopustí povrch takéhoto telesa, a preto toto teleso iba pohltí prichádzajúce svetlo a zostane pre pozorovateľa neviditeľné – akási čierna škvrna na pozadí tmavého priestoru.

Koncept supermasívneho tela, ktorý navrhol Michell, však až do práce Einsteina nevzbudil veľký záujem. Pripomeňme, že ten druhý definoval rýchlosť svetla ako obmedzujúcu rýchlosť prenosu informácií. Okrem toho Einstein rozšíril teóriu gravitácie o rýchlosti blízke rýchlosti svetla (). V dôsledku toho už nebolo relevantné aplikovať Newtonovu teóriu na čierne diery.

Einsteinova rovnica

V dôsledku aplikácie všeobecnej teórie relativity na čierne diery a riešenia Einsteinových rovníc boli odhalené hlavné parametre čiernej diery, z ktorých sú len tri: hmotnosť, elektrický náboj a moment hybnosti. Treba poznamenať významný prínos indického astrofyzika Subramanyan Chandrasekhar, ktorý vytvoril zásadnú monografiu: „ matematická teóriačierne diery."

Riešenie Einsteinových rovníc je teda reprezentované štyrmi možnosťami pre štyri možné typyčierne diery:

• Čierna diera bez rotácie a bez náboja je Schwarzschildovým riešením. Jeden z prvých popisov čiernej diery (1916) pomocou Einsteinových rovníc, ale bez zohľadnenia dvoch z troch parametrov telesa. Riešenie nemeckého fyzika Karla Schwarzschilda umožňuje vypočítať vonkajšie gravitačné pole sférického masívneho telesa. Charakteristickým znakom konceptu čiernych dier nemeckého vedca je prítomnosť horizontu udalostí a horizontu udalostí za ním. Schwarzschild tiež najprv vypočítal gravitačný polomer, ktorý dostal svoje meno, ktorý určuje polomer gule, na ktorej by sa nachádzal horizont udalostí pre teleso s danou hmotnosťou.
• Čierna diera bez rotácie s nábojom je Reisner-Nordströmovo riešenie. Riešenie navrhnuté v rokoch 1916-1918 zohľadňujúce možný elektrický náboj čiernej diery. Tento náboj nemôže byť ľubovoľne veľký a je obmedzený v dôsledku výsledného elektrického odpudzovania. Ten musí byť kompenzovaný gravitačnou príťažlivosťou.
• Čierna diera s rotáciou a bez náboja - Kerrovo riešenie (1963). Rotujúca Kerrova čierna diera sa od statickej líši prítomnosťou takzvanej ergosféry (prečítajte si viac o tejto a ďalších zložkách čiernej diery).
• BH s rotáciou a nábojom - riešenie Kerr-Newman. Toto riešenie bolo vypočítané v roku 1965 av súčasnosti je najkompletnejšie, pretože zohľadňuje všetky tri parametre BH. Stále sa však predpokladá, že čierne diery v prírode majú nepatrný náboj.

Vznik čiernej diery

Existuje niekoľko teórií o tom, ako vzniká a objavuje sa čierna diera, z ktorých najznámejšia je vznik hviezdy s dostatočnou hmotnosťou v dôsledku gravitačného kolapsu. Takáto kompresia môže ukončiť vývoj hviezd s hmotnosťou väčšou ako tri hmotnosti Slnka. Po dokončení termonukleárnych reakcií vo vnútri takýchto hviezd sa začnú rýchlo zmenšovať na superhustú. Ak tlak plynu neutrónovej hviezdy nedokáže kompenzovať gravitačné sily, to znamená, že hmotnosť hviezdy prekonáva tzv. Oppenheimer-Volkov limit, potom kolaps pokračuje, čo spôsobí, že sa hmota stiahne do čiernej diery.

Druhým scenárom popisujúcim zrod čiernej diery je stlačenie protogalaktického plynu, teda medzihviezdneho plynu, ktorý je v štádiu premeny na galaxiu alebo nejaký druh zhluku. V prípade nedostatočného vnútorný tlak na kompenzáciu rovnakých gravitačných síl môže vzniknúť čierna diera.

Ďalšie dva scenáre zostávajú hypotetické:

• Výskyt čiernej diery v dôsledku toho – tzv. prvotné čierne diery.
• Výskyt v dôsledku jadrových reakcií pri vysokých energiách. Príkladom takýchto reakcií sú experimenty na urýchľovačoch.

Štruktúra a fyzika čiernych dier

Štruktúra čiernej diery podľa Schwarzschilda zahŕňa iba dva prvky, ktoré boli spomenuté skôr: singularitu a horizont udalostí čiernej diery. Stručne povedané o singularite, možno poznamenať, že nie je možné cez ňu nakresliť priamku a tiež, že väčšina existujúcich fyzikálnych teórií v nej nefunguje. Fyzika singularity teda zostáva pre dnešných vedcov záhadou. čiernej diery je určitá hranica, prekročením ktorej fyzický objekt stráca schopnosť vrátiť sa späť za svoje hranice a jednoznačne „spadne“ do singularity čiernej diery.

Štruktúra čiernej diery sa stáva o niečo komplikovanejšou v prípade Kerrovho riešenia, konkrétne v prítomnosti rotácie BH. Kerrovo riešenie znamená, že diera má ergosféru. Ergosféra – určitá oblasť nachádzajúca sa mimo horizontu udalostí, vo vnútri ktorej sa všetky telesá pohybujú v smere rotácie čiernej diery. Táto oblasť ešte nie je vzrušujúca a je možné ju opustiť, na rozdiel od horizontu udalostí. Ergosféra je pravdepodobne akási obdoba akrečného disku, ktorý predstavuje rotujúcu látku okolo masívnych telies. Ak je statická Schwarzschildova čierna diera znázornená ako čierna guľa, potom Kerryho čierna diera má v dôsledku prítomnosti ergosféry tvar splošteného elipsoidu, v podobe ktorého sme na starých kresbách často videli čierne diery. filmy alebo videohry.

• Koľko váži čierna diera? – Najväčší teoretický materiál o vzhľade čiernej diery je k dispozícii pre scenár jej vzhľadu v dôsledku kolapsu hviezdy. V tomto prípade je maximálna hmotnosť neutrónovej hviezdy a minimálna hmotnosť čiernej diery určená Oppenheimerovou - Volkovovou hranicou, podľa ktorej je spodná hranica hmotnosti BH 2,5 - 3 hmotnosti Slnka. Najťažšia čierna diera, aká bola kedy objavená (v galaxii NGC 4889), má hmotnosť 21 miliárd hmotností Slnka. Netreba však zabúdať na čierne diery, ktoré hypoteticky vznikajú v dôsledku jadrových reakcií pri vysokých energiách, ako sú tie v zrážačoch. Hmotnosť takýchto kvantových čiernych dier, inými slovami „Planckových čiernych dier“ je rádovo 2 10 −5 g.
• Veľkosť čiernej diery. Minimálny polomer BH možno vypočítať z minimálnej hmotnosti (2,5 – 3 hmotnosti Slnka). Ak je gravitačný polomer Slnka, teda oblasť, kde by bol horizont udalostí, asi 2,95 km, potom minimálny polomer BH je 3 slnečné hmoty bude mať asi deväť kilometrov. Takéto relatívne malé veľkosti sa nezmestia do hlavy, keď ide o masívne predmety, ktoré priťahujú všetko naokolo. Pre kvantové čierne diery je však polomer -10 −35 m.
• Priemerná hustota čiernej diery závisí od dvoch parametrov: hmotnosti a polomeru. Hustota čiernej diery s hmotnosťou približne troch hmotností Slnka je približne 6 10 26 kg/m³, zatiaľ čo hustota vody je 1000 kg/m³. Takéto malé čierne diery však vedci nenašli. Väčšina zistených BH má hmotnosti väčšie ako 105 hmotností Slnka. Existuje zaujímavý vzorec, podľa ktorého čím je čierna diera masívnejšia, tým je jej hustota nižšia. V tomto prípade zmena hmotnosti o 11 rádov znamená zmenu hustoty o 22 rádov. Čierna diera s hmotnosťou 1 ·10 9 hmotnosti Slnka má teda hustotu 18,5 kg/m³, čo je o jednu menej ako hustota zlata. A čierne diery s hmotnosťou viac ako 10 10 hmotností Slnka môžu mať priemernú hustotu menšiu ako hustotu vzduchu. Na základe týchto výpočtov je logické predpokladať, že k vzniku čiernej diery nedochádza v dôsledku stláčania hmoty, ale v dôsledku nahromadenia veľkého množstva hmoty v určitom objeme. V prípade kvantových čiernych dier môže byť ich hustota približne 10 94 kg/m³.
• Teplota čiernej diery je tiež nepriamo úmerná jej hmotnosti. Táto teplota priamo súvisí s . Spektrum tohto žiarenia sa zhoduje so spektrom úplne čierneho telesa, teda telesa, ktoré pohltí všetko dopadajúce žiarenie. Spektrum žiarenia čierneho telesa závisí len od jeho teploty, potom sa dá teplota čiernej diery určiť z Hawkingovho spektra žiarenia. Ako už bolo spomenuté vyššie, toto žiarenie je tým silnejšie, čím je čierna diera menšia. Hawkingovo žiarenie zároveň zostáva hypotetické, keďže ho astronómovia ešte nepozorovali. Z toho vyplýva, že ak existuje Hawkingovo žiarenie, potom je teplota pozorovaných BH taká nízka, že neumožňuje detekovať indikované žiarenie. Podľa výpočtov je dokonca teplota otvoru s hmotnosťou rádovo hmotnosti Slnka zanedbateľne malá (1 10 -7 K alebo -272°C). Teplota kvantových čiernych dier môže dosiahnuť asi 10 12 K a pri ich rýchlom vyparovaní (asi 1,5 min.) môžu takéto čierne diery vyžarovať energiu rádovo desať miliónov atómových bômb. Ale, našťastie, vytvorenie takýchto hypotetických objektov si bude vyžadovať energiu 10 14-krát väčšiu, ako je dnes dosiahnutá na Veľkom hadrónovom urýchľovači. Takéto javy navyše astronómovia nikdy nepozorovali.

Z čoho sa skladá CHD?

Ďalšia otázka znepokojuje vedcov aj tých, ktorí majú jednoducho radi astrofyziku - z čoho pozostáva čierna diera? Na túto otázku neexistuje jednoznačná odpoveď, pretože nie je možné pozerať sa za horizont udalostí obklopujúci akúkoľvek čiernu dieru. Navyše, ako už bolo spomenuté, teoretické modely čiernej diery poskytujú iba 3 jej zložky: ergosféru, horizont udalostí a singularitu. Je logické predpokladať, že v ergosfére sú len tie objekty, ktoré čierna diera priťahovala a ktoré sa okolo nej teraz točia – rôzne druhy kozmických telies a kozmického plynu. Horizont udalostí je len tenká implicitná hranica, za ktorou sú tie isté kozmické telesá neodvolateľne priťahované k poslednej hlavnej zložke čiernej diery – singularite. Povaha singularity dnes nebola študovaná a je príliš skoro hovoriť o jej zložení.

Podľa niektorých predpokladov môže čierna diera pozostávať z neutrónov. Ak sa budeme riadiť scenárom výskytu čiernej diery v dôsledku stlačenia hviezdy na neutrónovú hviezdu s jej následnou kompresiou, potom pravdepodobne hlavnú časť čiernej diery tvoria neutróny, z ktorých neutrónová hviezda sám pozostáva. Jednoducho povedané: Keď sa hviezda zrúti, jej atómy sa stlačia takým spôsobom, že sa elektróny spoja s protónmi, čím sa vytvoria neutróny. Takáto reakcia v prírode skutočne prebieha, za vzniku neutrónu dochádza k emisii neutrín. To sú však len dohady.

Čo sa stane, ak spadnete do čiernej diery?

Pád do astrofyzikálnej čiernej diery vedie k natiahnutiu tela. Predstavte si hypotetického samovražedného astronauta, ktorý mieri do čiernej diery a nemá na sebe nič iné ako skafander, nohy napred. Pri prekročení horizontu udalostí astronaut nezaznamená žiadne zmeny, napriek tomu, že už nemá možnosť dostať sa späť. V určitom bode sa astronaut dostane do bodu (mierne za horizontom udalostí), kde začne dochádzať k deformácii jeho tela. Keďže gravitačné pole čiernej diery je nerovnomerné a je reprezentované silovým gradientom, ktorý sa smerom k stredu zväčšuje, na nohy astronauta bude pôsobiť výrazne väčšia gravitácia ako napríklad na hlavu. Potom v dôsledku gravitácie, alebo skôr prílivových síl, nohy „padnú“ rýchlejšie. Telo sa teda začne postupne naťahovať do dĺžky. Pre popis podobný jav astrofyzici vymysleli dosť kreatívny termín – špagetovanie. Ďalšie naťahovanie tela ho pravdepodobne rozloží na atómy, ktoré skôr či neskôr dosiahnu singularitu. Dá sa len hádať, ako sa bude človek v tejto situácii cítiť. Stojí za zmienku, že účinok napínania tela je nepriamo úmerný hmotnosti čiernej diery. To znamená, že ak BH s hmotnosťou troch Sĺnk okamžite natiahne / roztrhne telo, potom bude mať supermasívna čierna diera nižšie slapové sily a existujú návrhy, že niektoré fyzické materiály mohli „tolerovať“ takúto deformáciu bez straty svojej štruktúry.

Ako viete, v blízkosti masívnych objektov plynie čas pomalšie, čo znamená, že čas pre samovražedného astronauta bude plynúť oveľa pomalšie ako pre pozemšťanov. V takom prípade možno prežije nielen svojich priateľov, ale aj samotnú Zem. Na určenie toho, o koľko času sa astronaut spomalí, budú potrebné výpočty, avšak z vyššie uvedeného možno predpokladať, že astronaut bude padať do čiernej diery veľmi pomaly a možno sa jednoducho nedožije okamihu, keď jeho telo začne deformovať sa.

Pozoruhodné je, že pre vonkajšieho pozorovateľa všetky telesá, ktoré prileteli k horizontu udalostí, zostanú na okraji tohto horizontu, kým ich obraz nezmizne. Dôvodom tohto javu je gravitačný červený posun. Trochu zjednodušene môžeme povedať, že svetlo dopadajúce na telo samovražedného astronauta „zamrznutého“ v horizonte udalostí zmení svoju frekvenciu v dôsledku spomaleného času. Ako čas plynie pomalšie, frekvencia svetla klesá a vlnová dĺžka sa zvyšuje. V dôsledku tohto javu sa na výstupe, teda pre vonkajšieho pozorovateľa, bude svetlo postupne posúvať smerom k nízkofrekvenčnej - červenej. Prebehne posun svetla pozdĺž spektra, keď sa samovražedný astronaut stále viac a viac vzďaľuje od pozorovateľa, aj keď takmer nebadateľne, a jeho čas plynie stále pomalšie. Svetlo odrazené jeho telom teda čoskoro presiahne viditeľné spektrum (obraz zmizne) a telo astronauta bude možné v budúcnosti zachytiť len v infračervenej oblasti, neskôr na rádiovej frekvencii a v dôsledku toho žiarenie bude úplne nepolapiteľné.

Napriek tomu, čo bolo napísané vyššie, sa predpokladá, že vo veľmi veľkých supermasívnych čiernych dierach sa slapové sily so vzdialenosťou až tak nemenia a pôsobia na padajúce teleso takmer rovnomerne. V tomto prípade pád vesmírna loď by si zachovala svoju štruktúru. Vzniká rozumná otázka – kam vedie čierna diera? Na túto otázku môže odpovedať práca niektorých vedcov, ktorá spája dva také javy, ako sú červie diery a čierne diery.

V roku 1935 Albert Einstein a Nathan Rosen, berúc do úvahy, predložili hypotézu o existencii takzvaných červích dier, ktoré spájajú dva body časopriestoru v miestach ich výrazného zakrivenia - most Einstein-Rosen. alebo červiu dieru. Na také mohutné zakrivenie priestoru budú potrebné telesá s gigantickou hmotnosťou, s úlohou ktorých by sa čierne diery dokonale vyrovnali.

Most Einstein-Rosen – je považovaný za nepreniknuteľnú červiu dieru, tak ako aj doteraz malá veľkosť a je nestabilný.

V rámci teórie čiernych a bielych dier je možná priechodná červia diera. Kde biela diera je výstupom informácií, ktoré spadli do čiernej diery. Biela diera je opísaná v rámci všeobecnej teórie relativity, ale dnes zostáva hypotetická a nebola objavená. Ďalší model červiu dieru navrhli americkí vedci Kip Thorne a jeho postgraduálny študent Mike Morris, ktorý môže byť priechodný. Rovnako ako v prípade červej diery Morris-Thorn, aj v prípade čiernych a bielych dier však možnosť cestovania vyžaduje existenciu takzvanej exotickej hmoty, ktorá má negatívnu energiu a navyše zostáva hypotetická.

Čierne diery vo vesmíre

Existencia čiernych dier bola potvrdená relatívne nedávno (september 2015), ale už predtým bolo k dispozícii množstvo teoretického materiálu o povahe čiernych dier, ako aj veľa kandidátskych objektov na úlohu čiernej diery. V prvom rade je potrebné vziať do úvahy rozmery čiernej diery, pretože od nich závisí samotná povaha javu:

• hviezdna hmotnosť čierna diera. Takéto objekty vznikajú v dôsledku kolapsu hviezdy. Ako už bolo spomenuté, minimálna hmotnosť telesa schopného sformovať takúto čiernu dieru je 2,5 – 3 hmotnosti Slnka.
• Stredne hmotné čierne diery. Podmienený prechodný typ čiernych dier, ktoré sa zväčšili v dôsledku absorpcie blízkych objektov, ako sú akumulácie plynu, susedná hviezda (v systémoch dvoch hviezd) a iné kozmické telesá.
• Supermasívna čierna diera. Kompaktné objekty s hmotnosťou 10 5 - 10 10 Slnka. Výrazné vlastnosti Takéto BH majú paradoxne nízku hustotu, ako aj slabé slapové sily, o ktorých sa hovorilo skôr. Je to supermasívna čierna diera v strede našej galaxie Mliečna dráha (Sagittarius A*, Sgr A*), ako aj väčšiny ostatných galaxií.

Kandidáti na CHD

Najbližšia čierna diera, či skôr kandidát na úlohu čiernej diery, je objekt (V616 Unicorn), ktorý sa nachádza vo vzdialenosti 3000 svetelných rokov od Slnka (v našej galaxii). Skladá sa z dvoch zložiek: hviezda s hmotnosťou polovice hmotnosti Slnka, ako aj neviditeľné malé teleso, ktorého hmotnosť je 3-5 hmotností Slnka. Ak sa ukáže, že tento objekt je malá čierna diera s hviezdnou hmotnosťou, potom to bude právom najbližšia čierna diera.

Po tomto objekte je druhou najbližšou čiernou dierou Cyg X-1 (Cyg X-1), ktorá bola prvým kandidátom na úlohu čiernej diery. Vzdialenosť k nej je približne 6070 svetelných rokov. Celkom dobre preštudovaný: má hmotnosť 14,8 hmotnosti Slnka a polomer horizontu udalostí asi 26 km.

Podľa niektorých zdrojov môže byť ďalším najbližším kandidátom na úlohu čiernej diery teleso v hviezdnom systéme V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), ktoré sa podľa odhadov v roku 1999 nachádzalo vo vzdialenosti 1600 svetelných rokov. Nasledujúce štúdie však túto vzdialenosť predĺžili najmenej 15-krát.

Koľko čiernych dier je v našej galaxii?

Na túto otázku neexistuje presná odpoveď, pretože je dosť ťažké ich pozorovať a počas celého štúdia oblohy sa vedcom podarilo odhaliť asi tucet čiernych dier. mliečna dráha. Bez toho, aby sme sa púšťali do výpočtov, poznamenávame, že v našej galaxii je asi 100 - 400 miliárd hviezd a približne každá tisíca hviezda má dostatočnú hmotnosť na vytvorenie čiernej diery. Je pravdepodobné, že počas existencie Mliečnej dráhy mohli vzniknúť milióny čiernych dier. Keďže je jednoduchšie zaregistrovať obrovské čierne diery, je logické predpokladať, že väčšina BH v našej galaxii nie je supermasívna. Je pozoruhodné, že výskum NASA v roku 2005 naznačuje prítomnosť celého roja čiernych dier (10-20 tisíc) obiehajúcich okolo stredu galaxie. Okrem toho v roku 2016 japonskí astrofyzici objavili v blízkosti objektu * masívny satelit - čiernu dieru, jadro Mliečnej dráhy. Vzhľadom na malý polomer (0,15 svetelných rokov) tohto telesa, ako aj jeho obrovskú hmotnosť (100 000 hmotností Slnka), vedci naznačujú, že tento objekt je tiež supermasívnou čiernou dierou.

Jadro našej galaxie, čierna diera Mliečnej dráhy (Sagittarius A *, Sgr A * alebo Sagittarius A *) je supermasívne a má hmotnosť 4,31 10 6 hmotností Slnka a polomer 0,00071 svetelných rokov (6,25 svetelných hodín alebo 6,75 miliardy km). Teplota Sagittarius A* spolu so zhlukom okolo neho je asi 1 10 7 K.

Najväčšia čierna diera

Najväčšia čierna diera vo vesmíre, ktorú vedci dokázali odhaliť, je supermasívna čierna diera, blazar FSRQ, v strede galaxie S5 0014+81, vo vzdialenosti 1,2·10 10 svetelných rokov od Zeme. Podľa predbežných výsledkov pozorovania s použitím vesmírneho observatória Swift bola hmotnosť čiernej diery 40 miliárd (40 10 9) hmotností Slnka a Schwarzschildov polomer takejto diery bol 118,35 miliardy kilometrov (0,013 svetelných rokov). Navyše podľa výpočtov vznikol pred 12,1 miliardami rokov (1,6 miliardy rokov po Veľkom tresku). Ak táto obrovská čierna diera neabsorbuje hmotu, ktorá ju obklopuje, dožije sa éry čiernych dier - jednej z epoch vo vývoji vesmíru, počas ktorej v ňom budú dominovať čierne diery. Ak bude jadro galaxie S5 0014+81 naďalej rásť, stane sa jednou z posledných čiernych dier, ktoré budú existovať vo vesmíre.

Ďalšie dve známe čierne diery, aj keď nie sú pomenované, áno najvyššia hodnota pre štúdium čiernych dier, pretože experimentálne potvrdili svoju existenciu a tiež poskytli dôležité výsledky pre štúdium gravitácie. Hovoríme o udalosti GW150914, ktorá sa nazýva zrážka dvoch čiernych dier do jednej. Táto udalosť umožnila registráciu.

Detekcia čiernych dier

Pred zvažovaním metód detekcie čiernych dier by sme si mali odpovedať na otázku - prečo je čierna diera čierna? - odpoveď na ňu nevyžaduje hlboké znalosti z astrofyziky a kozmológie. Faktom je, že čierna diera absorbuje všetko žiarenie, ktoré na ňu dopadá, a nevyžaruje vôbec, ak neberiete do úvahy hypotetické. Ak tento jav zvážime podrobnejšie, môžeme predpokladať, že vo vnútri čiernych dier neprebiehajú procesy, ktoré vedú k uvoľňovaniu energie vo forme elektromagnetického žiarenia. Ak potom čierna diera vyžaruje, potom je v Hawkingovom spektre (ktoré sa zhoduje so spektrom zahriateho, absolútne čierneho telesa). Ako však už bolo spomenuté, toto žiarenie nebolo detekované, čo naznačuje úplne nízku teplotu čiernych dier.

Iná všeobecne uznávaná teória hovorí, že elektromagnetické žiarenie nie je vôbec schopné opustiť horizont udalostí. Je najpravdepodobnejšie, že fotóny (častice svetla) nie sú priťahované masívnymi objektmi, pretože podľa teórie samotné nemajú žiadnu hmotnosť. Čierna diera však stále „priťahuje“ fotóny svetla prostredníctvom skreslenia časopriestoru. Ak si čiernu dieru vo vesmíre predstavíme ako akúsi priehlbinu na hladkom povrchu časopriestoru, potom od stredu čiernej diery existuje určitá vzdialenosť, pri ktorej priblížení sa svetlo už nebude môcť od nej vzdialiť. To znamená, že zhruba povedané, svetlo začne „padať“ do „jamy“, ktorá ani nemá „spodok“.

Navyše, vzhľadom na efekt gravitačného červeného posunu, je možné, že svetlo v čiernej diere stráca svoju frekvenciu, posúva sa pozdĺž spektra do oblasti nízkofrekvenčného dlhovlnného žiarenia, až úplne stratí energiu.

Čierna diera je teda čierna, a preto je ťažké ju vo vesmíre odhaliť.

Detekčné metódy

Zvážte metódy, ktoré astronómovia používajú na detekciu čiernej diery:

Okrem vyššie uvedených metód vedci často spájajú objekty ako čierne diery a. Kvazary sú niektoré zhluky kozmických telies a plynu, ktoré patria medzi najjasnejšie astronomické objekty vo vesmíre. Keďže majú vysokú intenzitu luminiscencie pri relatívne malých rozmeroch, existuje dôvod domnievať sa, že stredom týchto objektov je supermasívna čierna diera, ktorá k sebe priťahuje okolitú hmotu. V dôsledku takej silnej gravitačnej príťažlivosti sa priťahovaná hmota tak zahrieva, že intenzívne vyžaruje. Detekcia takýchto objektov sa zvyčajne porovnáva s detekciou čiernej diery. Niekedy môžu kvazary vyžarovať prúdy ohriatej plazmy v dvoch smeroch - relativistické prúdy. Dôvody vzniku takýchto výtryskov (jetov) nie sú úplne jasné, ale pravdepodobne sú spôsobené interakciou magnetických polí čiernej diery a akrečného disku a nie sú emitované priamou čiernou dierou.

Prúd v galaxii M87 dopadajúci zo stredu čiernej diery

Ak zhrnieme vyššie uvedené, možno si to predstaviť zblízka: ide o guľový čierny objekt, okolo ktorého rotuje silne zahriata hmota a vytvára svietiaci akrečný disk.

Zlúčenie a zrážka čiernych dier

Jedným z najzaujímavejších javov v astrofyzike je zrážka čiernych dier, vďaka ktorej je možné odhaliť aj také masívne astronomické telesá. Takéto procesy sú zaujímavé nielen pre astrofyzikov, pretože ich výsledkom sú javy, ktoré fyzici neštudujú. Najjasnejším príkladom je už spomínaná udalosť s názvom GW150914, kedy sa dve čierne diery priblížili natoľko, že v dôsledku vzájomnej gravitačnej príťažlivosti splynuli do jednej. Dôležitým dôsledkom tejto kolízie bol vznik gravitačných vĺn.

Podľa definície gravitačných vĺn ide o zmeny v gravitačnom poli, ktoré sa vlnovito šíria z masívnych pohybujúcich sa objektov. Keď sa dva takéto objekty priblížia k sebe, začnú sa otáčať okolo spoločného ťažiska. Keď sa k sebe približujú, ich rotácia okolo vlastnej osi sa zvyšuje. Takéto premenlivé oscilácie gravitačného poľa v určitom bode môžu vytvoriť jednu silnú gravitačnú vlnu, ktorá sa môže šíriť vesmírom milióny svetelných rokov. Takže vo vzdialenosti 1,3 miliardy svetelných rokov došlo ku kolízii dvoch čiernych dier, ktoré vytvorili silnú gravitačnú vlnu, ktorá dosiahla Zem 14. septembra 2015 a bola zaznamenaná detektormi LIGO a VIRGO.

Ako umierajú čierne diery?

Je zrejmé, že aby čierna diera prestala existovať, musela by stratiť všetku svoju hmotu. Podľa jej definície však nemôže nič opustiť čiernu dieru, ak prekročila svoj horizont udalostí. Je známe, že sovietsky teoretický fyzik Vladimir Gribov prvýkrát spomenul možnosť emisie častíc čiernou dierou v diskusii s ďalším sovietskym vedcom Jakovom Zel'dovičom. Tvrdil, že z hľadiska kvantovej mechaniky je čierna diera schopná vyžarovať častice tunelovým efektom. Neskôr s pomocou kvantovej mechaniky vybudoval vlastnú, trochu odlišnú teóriu, anglický teoretický fyzik Stephen Hawking. O tomto fenoméne si môžete prečítať viac. Skrátka, vo vzduchoprázdne sa nachádzajú tzv virtuálne častice, ktoré sa neustále rodia v pároch a navzájom sa anihilujú, pričom neinteragujú s vonkajším svetom. Ale ak takéto páry vzniknú v horizonte udalostí čiernej diery, potom je silná gravitácia hypoteticky schopná ich oddeliť, pričom jedna častica spadne do čiernej diery a druhá odíde z čiernej diery. A keďže časticu, ktorá odletela z diery, možno pozorovať, a teda má pozitívnu energiu, častica, ktorá spadla do diery, musí mať negatívnu energiu. Čierna diera teda stratí svoju energiu a dôjde k javu nazývanému vyparovanie čiernej diery.

Podľa dostupných modelov čiernej diery, ako už bolo spomenuté, so znižovaním jej hmotnosti sa jej žiarenie stáva intenzívnejším. Potom, v konečnom štádiu existencie čiernej diery, keď sa môže zmenšiť na veľkosť kvantovej čiernej diery, uvoľní obrovské množstvo energie vo forme žiarenia, ktoré môže byť ekvivalentné tisícom alebo dokonca miliónov atómových bômb. Táto udalosť trochu pripomína výbuch čiernej diery, podobnej bombe. Podľa výpočtov sa prvotné čierne diery mohli zrodiť v dôsledku Veľkého tresku a tie z nich, ktorých hmotnosť je rádovo 10 12 kg, sa mali vypariť a explodovať približne v našom čase. Nech je to akokoľvek, takéto výbuchy astronómovia ešte nikdy nevideli.

Napriek Hawkingom navrhovanému mechanizmu na ničenie čiernych dier spôsobujú vlastnosti Hawkingovho žiarenia v rámci kvantovej mechaniky paradox. Ak čierna diera pohltí nejaké teleso a potom stratí hmotu vyplývajúcu z absorpcie tohto telesa, potom bez ohľadu na povahu telesa sa čierna diera nebude líšiť od toho, čo bolo pred absorpciou telesa. V tomto prípade sú informácie o tele navždy stratené. Transformácia počiatočného čistého stavu na výsledný zmiešaný („tepelný“) stav z hľadiska teoretických výpočtov nezodpovedá súčasnej teórii kvantovej mechaniky. Tento paradox sa niekedy nazýva zmiznutie informácií v čiernej diere. Skutočné riešenie tohto paradoxu sa nikdy nenašlo. Známe varianty riešenia paradoxu:

• Nekonzistentnosť Hawkingovej teórie. To znamená nemožnosť zničenia čiernej diery a jej neustály rast.
• Prítomnosť bielych dier. V tomto prípade absorbovaná informácia nezmizne, ale je jednoducho vyhodená do iného Vesmíru.
• Nekonzistentnosť všeobecne uznávanej teórie kvantovej mechaniky.

Nevyriešený problém fyziky čiernych dier

Súdiac podľa všetkého, čo bolo opísané skôr, čierne diery, aj keď boli skúmané pomerne dlho, stále majú veľa funkcií, ktorých mechanizmy vedci stále nepoznajú.

• V roku 1970 anglický vedec sformuloval tzv. "princíp kozmickej cenzúry" - "Príroda nenávidí holú singularitu." To znamená, že singularita sa vytvára iba na miestach skrytých pred zrakom, ako je stred čiernej diery. Tento princíp však zatiaľ nebol dokázaný. Existujú aj teoretické výpočty, podľa ktorých môže nastať „nahá“ singularita.
• Nepotvrdila sa ani „teoréma bez vlasov“, podľa ktorej majú čierne diery iba tri parametre.
• Úplná teória magnetosféry čiernej diery nebola vyvinutá.
• Povaha a fyzika gravitačnej singularity nebola študovaná.
• Nie je s určitosťou známe, čo sa stane v záverečnej fáze existencie čiernej diery a čo zostane po jej kvantovom rozpade.

Zaujímavé fakty o čiernych dierach

Ak zhrnieme vyššie uvedené, môžeme vyzdvihnúť niekoľko zaujímavých a nezvyčajné vlastnosti povaha čiernych dier:

• Čierne diery majú iba tri parametre: hmotnosť, elektrický náboj a moment hybnosti. V dôsledku takého malého počtu charakteristík tohto telesa sa veta, ktorá to uvádza, nazýva „teorém bez vlasov“. Odtiaľ pochádza aj fráza „čierna diera nemá vlasy“, čo znamená, že dve čierne diery sú absolútne identické, ich tri spomínané parametre sú rovnaké.
• Hustota čiernych dier môže byť menšia ako hustota vzduchu a teplota je blízka absolútnej nule. Z toho môžeme predpokladať, že k vzniku čiernej diery nedochádza v dôsledku stláčania hmoty, ale v dôsledku nahromadenia veľkého množstva hmoty v určitom objeme.
• Čas pre telá pohltené čiernymi dierami plynie oveľa pomalšie ako pre vonkajšieho pozorovateľa. Okrem toho sú absorbované telesá výrazne natiahnuté vo vnútri čiernej diery, čo vedci nazvali špagetifikácia.
• V našej galaxii môže byť asi milión čiernych dier.
• V strede každej galaxie je pravdepodobne supermasívna čierna diera.
• V budúcnosti sa vesmír podľa teoretického modelu dostane do takzvanej éry čiernych dier, kedy sa čierne diery stanú dominantnými telesami vo vesmíre.

"Technika-mládež" 1976 č. 4, s. 44-48

Jeden z dní konferencie „Človek a vesmír“ bol venovaný kozmickým telesám, ktoré vypĺňajú náš vesmír: časticiam, poliam, hviezdam, galaxiám, zhlukom galaxií...

Uverejňujeme prehľad správ na túto tému, ktoré vznikli na konferencii – správu akademika Y. ZELDOVICHA „Polia a častice vo vesmíre“, ako aj tri správy venované štúdiu pozorovaných prejavov najunikátnejších objektov v našom vesmír – „čierne diery“. Tieto správy predkladajú vedúci sektorov inštitútu vesmírny výskum Akadémie vied ZSSR, doktori fyzikálnych a matematických vied I. NOVIKOV a R. SYUNYAEV a vedecký pracovník Štátneho astronomického ústavu P.K. Sternberg, kandidát fyzikálnych a matematických vied N. SHAKUROY.

Už niekoľko desaťročí sa astronomický svet zaoberá problémom existencie „čiernych dier“ vo vesmíre – najúžasnejších objektov, ktoré predpovedali fyzici na základe všeobecnej teórie relativity A. Einsteina. „Čierne diery“ sú hmotné telesá stlačené vlastnou gravitáciou do takej veľkosti, že ani svetlo, ani žiadne iné častice nemôžu opustiť povrch a ísť do nekonečna.

Každý dobre pozná pojem druhej kozmickej rýchlosti. Toto je počiatočná rýchlosť, ktorú je potrebné poskytnúť kozmickej lodi (alebo akémukoľvek inému objektu) na povrchu Zeme, aby prekonala príťažlivé gravitačné sily a unikla do vesmíru. Číselne sa rovná 11,2 km/s.

Predstavte si teraz hypotetickú kozmickú loď štartujúcu z povrchu nejakej hviezdy, ako je naše Slnko. Na to, aby sa dokázala vyslobodiť z „gravitačného objatia“ hviezdy, bude potrebovať rýchlosť stoviek kilometrov za sekundu. Vo všeobecnom prípade závisí druhá priestorová rýchlosť od hmotnosti M a polomeru R telesa a je určená známym vzorcom: (G - konštanta gravitačnej interakcie). Je zrejmé, že čím menší polomer R má teleso danej hmotnosti M, tým silnejšie je jeho gravitačné pole, väčšiu hodnotu druhá kozmická rýchlosť.

Už koncom 17. storočia slávny francúzsky vedec Pierre Simon Laplace v istom zmysle predpovedal „čierne diery“, pričom si položil otázku: na akú veľkosť treba teleso stlačiť, aby sa rýchlosť úniku z jeho povrchu rovnala rýchlosť svetla c = 300 000 km/s? Dosadením hodnoty rýchlosti svetla c = 300 000 km/s do výrazu pre druhú kozmickú rýchlosť zistíme hodnotu polomeru

Pre Zem je to len 3 cm, pre Slnko - 3 km. Ak by sa teda pomocou nejakého vonkajšieho vplyvu podarilo tieto telesá stlačiť na polomer R g, potom by von nevyžarovali nič, pretože by bolo potrebné dať časticiam počiatočnú rýchlosť väčšiu ako je rýchlosť svetla, ale tá druhá, ako dnes vieme, je maximálna možná rýchlosť pre materiálne častice.

Skutočné rozmery Zeme a iných planét. Slnko a ostatné hviezdy sú tisíckrát väčšie ako polomer Rg a vedci dlho predpokladali, že vnútorné tlakové sily hmoty neumožnia jej zmenšenie na kritický polomer. No v 30. rokoch nášho storočia viacerí fyzici (jeden z nich bol akademik L. Landau) ukázali, že dostatočne hmotné hviezdy by sa na konci svojho vývoja mali zmeniť na „čierne diery“, teda zmenšiť sa na takú veľkosť, že gravitácia pole blokuje žiarenie prichádzajúce z ich povrchu. Proces stláčania hmotných hviezd je nezvratný: žiadne supermocné odpudivé sily medzi časticami nedokážu zabrániť stlačeniu hviezdy takmer na R g . Tento proces nezvratnej katastrofickej kontrakcie sa nazýva gravitačný kolaps a kritický polomer R g sa nazýva gravitačný polomer telo.

Vieme, že newtonovská mechanika nie je použiteľná, keď je rýchlosť častíc porovnateľná s rýchlosťou svetla. V tomto prípade použite špeciálna teória relativity. A na opis silných gravitačných polí a pohybu hmoty v nich namiesto Newtonovej teórie gravitácie používajú aj všeobecná teória relativity, alebo, ako sa to tiež nazýva, Einsteinova relativistická teória gravitácie. Zarážajúce sa ukázalo, že výpočet gravitačného polomeru v presnej relativistickej teórii gravitácie viedol k rovnakej hodnote: ktorú Laplace vypočítal pred viac ako storočím a pol. Ale podľa Newtonovej teórie, bez ohľadu na to, aké obrovské množstvo hmoty vezmeme, vždy môže byť v rovnovážnom stave. Hoci pre ňu existuje pojem gravitačného polomeru, rozmery telesa sú podľa Newtonovej teórie vždy väčšie.

Inak tomu nie je ani v presnej relativistickej teórii. Ukazuje sa, že ak hmotnosť látky prekročí určitú kritickú hodnotu, potom sa musí po strate tepelnej energie zrútiť pôsobením gravitačných síl. Táto hodnota kritickej hmotnosti je približne 2-3-násobok hmotnosti nášho Slnka (2-3 Ms).

Vo vesmíre pozorujeme miliardy hviezd, obe s hmotnosťou desaťkrát menšou ako Slnko, a niekoľko desiatokkrát vyššou. Hviezdy strácajú svoju tepelnú energiu vo forme elektromagnetického žiarenia z povrchu. Čím väčšia je hmotnosť hviezdy, tým väčšia je jej svietivosť. Hviezda s hmotnosťou desaťkrát väčšou ako Slnko má teda desaťtisíckrát väčšiu svietivosť.

Dlhodobé straty energie sú kompenzované termonukleárnymi fúznymi reakciami vyskytujúcimi sa v hlbokom vnútri hviezd. Ale po vyčerpaní jadrových zdrojov hviezda začne chladnúť. Výpočty ukazujú, že hviezdy ako naše Slnko spália svoje zásoby po približne 10 miliardách rokov 1 as hmotnosťou desaťkrát väčšou - po 10 miliónoch rokov. Veď ich svietivosť je 10 000-krát väčšia. S nástupom ochladzovania sa hviezda začne vplyvom gravitačných síl sťahovať. V závislosti od hmotnosti vedie kompresia k trom odlišné typy predmetov (pozri obr. 1). Hviezdy s hmotnosťou rádu slnka sa menia na bielych trpaslíkov - pomerne husté telesá (hustota 10 5 - 10 9 g / cm 3), ktoré majú rozmery porovnateľné s polomerom Zeme. Gravitačná sila u bielych trpaslíkov je vyvážená tlakom degenerovaných elektrónov, čo je spôsobené kvantovými vlastnosťami hustého elektrónového plynu. Pre hviezdy s hmotnosťou väčšou ako 1,2 ms. tlak degenerovaných elektrónov už nie je schopný pôsobiť proti rastúcej sile gravitácie a takéto hviezdy sa naďalej ďalej zmenšujú. Ak hodnota hmotnosti nepresiahne 2-3 Ms, potom sa jej stlačenie zastaví pri hustote atómového jadra 10 14 -10 15 g/cm 3 . Pri takejto hustote sa hmota takmer úplne premení na neutróny a gravitačná sila je vyvážená tlakom degenerovaného neutrónového plynu. Takéto objekty sa prirodzene nazývali neutrónové hviezdy. Polomer neutrónovej hviezdy je len niekoľko kilometrov. Stlačenie pôvodnej hviezdy, ktorá má polomer miliónov kilometrov na veľkosť desať kilometrov, nastane okamžite (v rámci koncepcií astrofyziky, to znamená rýchlosťou voľného pádu asi hodinu) a v krátkom čase sa uvoľní obrovské množstvo energie. Vonkajšie časti hviezdy doslova explodujú a rozletia sa rýchlosťou desiatok tisíc kilometrov za sekundu. Väčšina energie je vyžiarená vo forme elektromagnetické vlny, takže svietivosť hviezdy počas niekoľkých dní sa stane porovnateľnou s celkovou svietivosťou všetkých hviezd v Galaxii. Takýto výbuch sa nazýva výbuch supernovy.

1 Vek Slnka je dnes 5 miliárd rokov.

Napokon, ak hmotnosť hviezdy presahuje trojnásobok hmotnosti Slnka, potom proces stláčania nedokážu zastaviť žiadne odpudivé sily a končí to relativistickým kolapsom s vytvorením „čiernej diery“.

To však neznamená, že výsledné vesmírne objekty budú mať proporcionálne hmotnosti. Akademik Ya.Zel'dovich sa podrobne zaoberal dôvodmi týchto nezrovnalostí vo svojej správe. Gravitačné sily sa vyznačujú hromadným defektom. Stavy môžu nastať, keď gravitačný hmotnostný defekt dosiahne 30, 50 a dokonca 99 %.

Teoretické výpočty poskytujú niekoľko metód pre zrod „čiernej diery“ (obr. 2). Po prvé, je možný priamy kolaps obrovskej hviezdy, pri ktorom sa jas pôvodnej hviezdy, vnímaný vzdialeným pozorovateľom, rapídne zníži. Z fialovej sa hviezda rýchlo zmení na červenú, potom infračervenú a potom úplne zhasne. Hoci bude stále vyžarovať energiu, gravitačné pole bude také silné, že dráhy fotónov sa budú vinúť späť ku kolabujúcej hviezde. Je možná aj nasledujúca cesta: centrálne časti hviezdy sú stlačené do hustého horúceho neutrónového jadra s hmotnosťou väčšou ako je kritická a následne po prudkom ochladení (v priebehu rádovo desiatok sekúnd) masívna neutrónová hviezda sa ďalej zrúti do „čiernej diery“. Takýto dvojstupňový proces vedie k výbuchu vonkajších častí hviezdy, podobne ako pri výbuchu supernovy, s vytvorením normálnej neutrónovej hviezdy. Napokon, „čierna diera“ sa môže vytvoriť z neutrónovej hviezdy desiatky miliónov rokov po výbuchu supernovy, keď hmotnosť neutrónovej hviezdy v dôsledku dopadu okolitej medzihviezdnej hmoty na jej povrch prekročí kritickú hodnotu.

Je možné pozorovať tieto tri typy koncových objektov hviezdneho vývoja: bielych trpaslíkov, neutrónové hviezdy a „čierne diery“?

Historicky sa ukázalo, že bieli trpaslíci boli objavení dávno predtým, ako bola pochopená teória hviezdneho vývoja. Boli pozorované ako kompaktné biele hviezdy s vysokými povrchovými teplotami. Odkiaľ však čerpajú energiu, pretože podľa teórie v nich nie sú žiadne zdroje jadrovej energie? Ukazuje sa, že svietia vďaka zásobám tepelnej energie, ktoré im zostali z predchádzajúcich, horúcich štádií vývoja. S ich malým povrchom tieto hviezdy strácajú svoju energiu veľmi striedmo. Pomaly sa ochladzujú a v rádoch stoviek miliónov rokov sa menia na čiernych trpaslíkov, teda stávajú sa chladnými a neviditeľnými.

Neutrónové hviezdy majú viac šťastia. Ako prví ich objavili teoretici „na hrote pera“ a takmer 30 rokov po predpovedi ich objavili ako zdroje kozmického prísne periodického žiarenia – pulzary. (Za tento objav bol A. Hewish, vedúci skupiny britských astronómov, ktorí objavili prvý pulzar, ocenený Nobelovou cenou.) Pulzary sa pozorujú s periódami opakovania pulzu od stotín sekundy pre najmladšie pulzary až po niekoľko sekúnd. pulzary, ktorých vek je desiatky miliónov rokov. Periodicita pulzarov je spojená s ich rýchlou rotáciou okolo vlastnej osi.

Predstavte si reflektor na povrchu nejakého rotujúceho objektu. Ak sa nachádzate v dráhe lúča svetla z takéhoto objektu, uvidíte, že žiarenie z neho bude prichádzať vo forme samostatných impulzov s periódou rovnajúcou sa perióde rotácie objektu - bude to hrubé , približný, ale v zásade správny model pulzaru. Prečo žiarenie z povrchu neutrónovej hviezdy uniká v úzkom kuželi uhlov, ako lúč svetla z reflektora? Ukazuje sa, že v dôsledku silného magnetického poľa 10 11 -10 12 gaussov neutrónová hviezda vyžaruje energiu iba pozdĺž siločiar magnetických pólov, čo v dôsledku rotácie vedie k javu pulzaru ako kozmický maják. Je zvláštne, že energia vyžarovaná do vesmíru je čerpaná z jeho rotačnej energie a perióda rotácie pulzaru sa postupne zvyšuje. Z času na čas je tento plynulý rast periódy prekrytý výpadkami frekvencie, keď pulzar takmer okamžite zníži hodnotu periódy. Tieto poruchy sú spôsobené „hviezdnym zemetrasením“ neutrónovej hviezdy. Pri spomaľovaní rotácie v pevnej kôre neutrónovej hviezdy (pozri obr. 3) sa postupne hromadia mechanické napätia a keď tieto napätia prekročia konečnú pevnosť, dochádza k náhlemu uvoľneniu energie a reštrukturalizácii pevnej kôry - pulzaru. okamžite skracuje dobu rotácie počas takejto reštrukturalizácie.

Ako vyžarujú čierne diery?

Vonkajšie gravitačné pole je všetko, čo zostane z hviezdy po jej kolapse a premene na „čiernu dieru“. Celé bohatstvo vonkajších charakteristík hviezdy je magnetické pole, chemické zloženie, spektrum žiarenia - zaniká v procese gravitačného kolapsu. Predstavte si na chvíľu fantastickú situáciu, keď by naša Zem bola vedľa „čiernej diery“ (obr. 4). Zem by nezačala len tak padať do „čiernej diery“, slapové sily by začali deformovať Zem a stiahli by ju do kvapôčky predtým, než by ju úplne pohltila „čierna diera“.

„Čiernu dieru“ bez rotácie charakterizuje iba hodnota gravitačného polomeru R g , ktorá obmedzuje guľu v okolí „čiernej diery“, spod ktorej nemôžu vychádzať žiadne signály. Ak má „čierna diera“ aj uhlovú hybnosť, potom sa nad gravitačným polomerom objaví oblasť nazývaná ergosféra. Keďže sa častica nachádza v ergosfére, nemôže zostať v pokoji. Keď sa častica rozpadne z ergosféry, môže sa extrahovať energia – jeden úlomok spadne do „čiernej diery“ a druhý odletí do nekonečna a vezme si so sebou prebytočnú energiu (pozri obrázok na strane 44).

Hľadanie „čiernych dier“ v našej galaxii je najsľubnejšie v binárnych hviezdnych systémoch. Viac ako 50% hviezd je súčasťou binárnych systémov. Nech sa jeden z nich zmení na „čiernu dieru“. Ak je druhá v dostatočne bezpečnej vzdialenosti, čiže slapové sily ju nezničia, ale len mierne zdeformujú, tak sa takéto dve hviezdy budú stále otáčať okolo spoločného ťažiska, no jedna z nich bude neviditeľná. Sovietski vedci, akademik Ya. Zel'dovich a O. Guseinov, v roku 1965 navrhli hľadať "čierne diery" medzi tými binárnymi systémami, kde je masívnejšia zložka neviditeľná. Neskoršie štúdie ukázali, že ak optická hviezda stratí hmotu zo svojho povrchu, potom sa okolo „čiernej diery“ môže objaviť svetelné halo. A teraz sú všetky nádeje astronómov spojené so štúdiom interakcie „čiernych dier“ s hmotou, ktorá ich obklopuje.

Guľovitý pád studenej hmoty na „čiernu dieru“ nevedie k citeľnému uvoľneniu energie: „čierna diera“ nemá povrch, proti ktorému by sa látka pri náraze zastavila a zvýraznila svoju energiu. Ale, ako nezávisle na sebe v roku 1964 ukázali akademik Ya.Zeldovich a americký astrofyzik E. Salpeter, ak „čiernu dieru“ „vyfúkne“ usmernený prúd plynu, potom za ňou vznikne silná rázová vlna, pri ktorej sa plyn zohreje na desiatky miliónov stupňov a začne vyžarovať v röntgenovej oblasti spektra. K tomu dochádza, keď optická hviezda prúdi s hviezdnym vetrom a jej veľkosť je malá v porovnaní s nejakou kritickou dutinou nazývanou Rocheov lalok (obr. 5a). Ak hviezda vyplní celý lalok Roche, potom k odtoku dôjde cez „úzky krk“ (obr. 56) a okolo „čiernej diery“ sa vytvorí disk. Hmota v disku, keď stráca rýchlosť, padá v pomaly sa točiacej špirále smerom k "čiernej diere". V procese pádu sa časť gravitačnej energie premení na teplo a ohrieva disk. Najviac sa zahrievajú oblasti disku v blízkosti „čiernej diery“. Teplota v nich stúpa na desiatky miliónov stupňov a v dôsledku toho disk, ako v prípade rázovej vlny, Hlavná časť vyžaruje energiu v rozsahu röntgenového žiarenia.

Podobný obraz bude možné pozorovať, ak namiesto „čiernej diery“ v binárnom systéme bude neutrónová hviezda (obr. 5c). Neutrónová hviezda má však silnú magnetické pole. Toto pole smeruje dopadajúcu hmotu do oblasti magnetických pólov, kde sa hlavná časť energie uvoľňuje v oblasti röntgenového žiarenia. Keď takáto neutrónová hviezda rotuje, budeme pozorovať jav röntgenového pulzaru.

V súčasnosti bolo v binárnych systémoch objavených veľké množstvo kompaktných zdrojov röntgenového žiarenia. Boli objavené pravidelným vypínaním žiarenia počas zatmenia zdroja blízkou optickou hviezdou. Ak je samotné žiarenie dodatočne modulované, tak ide s najväčšou pravdepodobnosťou o neutrónovú hviezdu, ak nie, je dôvod považovať takýto zdroj za „čiernu dieru“. Odhady ich hmotností, ktoré možno urobiť na základe Keplerovych zákonov, ukázali, že sú väčšie ako kritický limit pre neutrónovú hviezdu. Najpodrobnejšie bol študovaný zdroj Cygnus X-1 s hmotnosťou väčšou ako 10 Ms. Vo všetkých svojich charakteristikách je to „čierna diera“.

Väčšina astrofyzikov sa dlho domnievala, že izolovaná „čierna diera“ bez akýchkoľvek častíc okolo nej nevyžaruje. Pred niekoľkými rokmi však známy anglický astrofyzik S. Hawking ukázal, že aj úplne izolovaná „čierna diera“ by mala do vesmíru vyžarovať fotóny, neutrína a iné častice. Tento energetický tok je spôsobený kvantovými javmi produkcie častíc v silnom striedavom gravitačnom poli. Pri kolapse sa hviezda asymptoticky blíži k hodnote gravitačného polomeru a dosiahne ju až za nekonečne dlhý čas. V prázdnote okolo "čiernej diery" je vždy malé nestatické pole. A v nestatických poliach by sa mali zrodiť nové častice. Hawking podrobne vypočítal proces vyžarovania „čiernych dier“ a ukázal, že v priebehu času sa „čierne diery“ zmenšujú, zdá sa, že sa vťahujú a zmenšujú na ľubovoľne malé veľkosti. V súlade so získanými vzorcami je kvantové žiarenie „čiernej diery“ charakterizované teplotou T ~ 10-6 Ms/M°K. Ak je teda hmotnosť "čiernej diery" rádovo Slnka, potom je efektívna teplota žiarenia zanedbateľná - 10 -6 °K. Môžete tiež vypočítať životnosť „čiernej diery“: rokov. Tento čas pre „čierne diery“ hviezdnej hmoty je kolosálne dlhý a Hawkingove procesy neovplyvňujú pozorované prejavy „čiernych dier“ v binárnych systémoch.

Asi pred desiatimi rokmi boli vo vesmíre objavené najúžasnejšie a dodnes nevyriešené objekty – kvazary. Svietivosť kvazarov je stokrát vyššia ako svietivosť aj veľmi veľkých galaxií, to znamená, že kvazary žiaria silnejšie ako stovky miliárd hviezd. Spolu s monštruózne vysokou svietivosťou je pozorovaný ďalší úžasný fakt – za pár rokov či dokonca mesiacov sa tok žiarenia z kvazarov môže zmeniť desiatky krát. Variabilita žiarenia naznačuje, že sa vytvára vo veľmi kompaktnej oblasti s rozmermi nie viac veľkostí slnečná sústava. To je veľmi malé pre objekt s kolosálnou svietivosťou. Čo sú to za telá?

Teoretici navrhli niekoľko modelov. Jedna z nich naznačuje prítomnosť supermasívnej hviezdy s hmotnosťou 10 miliónov násobku hmotnosti nášho Slnka. Takáto hviezda vyžaruje veľa energie, ale jej životnosť je v kozmickom meradle veľmi krátka: iba niekoľko desiatok tisíc rokov, po ktorých sa ochladí a zrúti sa do „čiernej diery“. V inom modeli sa predpokladalo, že kvazar je zhlukom desiatok miliónov horúcich hmotných hviezd (obr. 6). Hviezdy sa budú zrážať, lepiť sa jedna na druhú, stanú sa masívnejšími, budú sa vyvíjať. V tomto prípade často dôjde k výbuchom supernov a bude pozorované uvoľnenie kolosálnej energie. Ale aj v tomto prípade sa tesná hviezdokopa zmení na supermasívnu „čiernu dieru“.

Anglický astrofyzik D. Linden-Lell sa ako prvý zamyslel nad tým, ako by sa takáto supermasívna „čierna diera“ dala odhaliť. Ukázal, že pád medzihviezdneho plynu, ktorý je vždy prítomný v medzihviezdnom priestore okolo supermasívnej „čiernej diery“, povedie k obrovskému uvoľneniu energie. Okolo "čiernej diery" sa objaví halo žiarenia so všetkými vlastnosťami pozorovanými u kvazarov. V súčasnosti je skonštruovaná teória žiarenia kvazarov ako supermasívnych „čiernych dier“, do ktorých hmota vypadáva, no jednoznačný dôkaz pre tento model sa zatiaľ nepodarilo získať.

Posudok pripravil kandidát fyzikálnych a matematických vied
NIKOLAY SHAKURA

Astronómovia objavili momentálne najhmotnejší objekt v celom vesmíre. Ukázalo sa, že ide o superťažkú ​​čiernu dieru v strede galaxie NGC 1277 v súhvezdí Perzeus, vzdialenej 228 miliónov svetelných rokov od Zeme.
Objav urobila skupina nemeckých vedcov z Inštitútu astronómie v Heidelbergu počas analýz snímok galaxie získaných infračerveným spektrometrom Hobby-Eberliho teleskopu. Čierna diera v súhvezdí Perzeus obsahuje obrovské množstvo hmoty - od 14 do 20 miliárd hmotností nášho Slnka, píše Rossijskaja gazeta.
Ukázalo sa, že táto hmotnosť predstavuje viac ako 14 percent hmotnosti celej galaxie, pričom zvyčajne supermasívne čierne diery zahŕňajú asi 0,1 percenta. Predtým bola čierna diera v galaxii NGC 4889, ktorej hmotnosť je 9,8 miliardy hmotností Slnka, považovaná za najťažší objekt.
„Toto je skutočne veľmi zvláštna galaxia. Tvorí ho takmer celá čierna diera. Možno sme objavili prvý objekt z triedy galaxií čiernych dier,“ povedal astronóm Karl Gebhardt, jeden z autorov štúdie. Výsledky štúdie môžu podľa vedcov zmeniť teóriu o vzniku a raste čiernych dier.
Podľa vedcov môžu výsledky štúdie zmeniť teóriu vzniku a rastu čiernych dier, poznamenáva BBC.
Astrofyzici veria, že v strede väčšiny hmotných galaxií je vždy aspoň jedna čierna diera. Povaha vzniku týchto objektov nie je zatiaľ úplne jasná. Predpokladá sa, že čierne diery vznikajú neobmedzenou gravitačnou kontrakciou, často po smrti. veľké hviezdy. Vytvárajú takú silnú gravitačnú príťažlivosť, že ich nemôže opustiť žiadna látka, dokonca ani svetlo, objasňuje Sabotér.
Ďalší objav urobili astronómovia Európskeho južného observatória, píše ukrinform.ua. Objavili objekt tiež spojený s čiernou dierou – kvazar. Čierna diera svojou príťažlivosťou ničí okolo letiace hviezdy. Výsledný hviezdny plyn sa postupne vťahuje do otvoru, pričom sa súčasne otáča. Stlačenie a rýchla rotácia centrálnej časti disku vedie k jeho zahrievaniu a silnému vyžarovaniu. Čierna diera nestihne časť hmoty pohltiť a čiastočne ju opúšťa vo forme úzko smerujúcich prúdov plynu a kozmického žiarenia – nazýva sa to kvazar.
Nájdený kvazar je 5-krát silnejší ako tie, ktoré vedci predtým pozorovali. Rýchlosť vyvrhovania hmoty z tohto kvazaru je 2 biliónkrát väčšia ako žiarenie Slnka a 100-krát väčšie ako vyžarovanie celej našej galaxie. „Takéto monštrum som hľadal 10 rokov,“ povedal jeden z výskumníkov, profesor Naum Arav.
Je potrebné poznamenať, že kvazar sa nachádza 1 000 svetelných rokov od supermasívnej čiernej diery a pohybuje sa rýchlosťou 8 000 kilometrov za sekundu.

Čierne diery, temná hmota, temná hmota... Toto sú nepochybne tie najzvláštnejšie a najviac tajomné predmety vo vesmíre. Ich bizarné vlastnosti môžu popierať fyzikálne zákony vo vesmíre a dokonca aj povahu existujúcej reality. Aby vedci pochopili, čo sú čierne diery, ponúkajú „zmenu orientačných bodov“, naučia sa myslieť mimo rámca a uplatniť trochu fantázie. Čierne diery vznikajú z jadier superhmotných hviezd, ktoré možno opísať ako oblasť vesmíru, kde sa v prázdnote sústreďuje obrovská hmota a nič, dokonca ani svetlo, nemôže uniknúť tamojšej gravitačnej príťažlivosti. Toto je oblasť, kde druhá priestorová rýchlosť prevyšuje rýchlosť svetla: A čím je objekt pohybu hmotnejší, tým rýchlejšie sa musí pohybovať, aby sa zbavil svojej gravitácie. Toto je známe ako druhá úniková rýchlosť.

Collier Encyclopedia nazýva čiernou dierou oblasť vo vesmíre, ktorá vznikla v dôsledku úplného gravitačného kolapsu hmoty, v ktorej je gravitačná príťažlivosť taká silná, že ju nemôže opustiť ani hmota, ani svetlo, ani iné nosiče informácií. Takže vnútorná časťčierna diera kauzálne nesúvisí so zvyškom vesmíru; fyzikálne procesy prebiehajúce vo vnútri čiernej diery nemôžu ovplyvniť procesy mimo nej. Čierna diera je obklopená povrchom s vlastnosťou jednosmernej membrány: hmota a žiarenie cez ňu voľne prepadajú do čiernej diery, ale nič odtiaľ nemôže uniknúť. Tento povrch sa nazýva „horizont udalostí“.

História objavov

Čierne diery, ktoré predpovedala všeobecná teória relativity (teória gravitácie navrhnutá Einsteinom v roku 1915) a ďalšie, sú viac moderné teórie gravitáciu matematicky podložili R. Oppenheimer a H. Snyder v roku 1939. Ale vlastnosti priestoru a času v blízkosti týchto objektov sa ukázali byť také nezvyčajné, že ich astronómovia a fyzici nebrali vážne 25 rokov. Astronomické objavy v polovici 60. rokov 20. storočia nás však prinútili pozerať sa na čierne diery ako na možnú fyzikálnu realitu. Nové objavy a štúdie môžu zásadne zmeniť naše chápanie priestoru a času a osvetliť miliardy kozmických záhad.

Vznik čiernych dier

Pokiaľ vo vnútri hviezdy prebiehajú termonukleárne reakcie, podporujú vysoká teplota a tlaku, ktorý bráni hviezde zrútiť sa vlastnou gravitáciou. Jadrové palivo sa však časom vyčerpá a hviezda sa začne zmenšovať. Výpočty ukazujú, že ak hmotnosť hviezdy nepresiahne tri hmotnosti Slnka, potom vyhrá „bitku s gravitáciou“: jej gravitačný kolaps zastaví tlak „degenerovanej“ hmoty a hviezda sa navždy zmení na biely trpaslík resp neutrónová hviezda. Ak je však hmotnosť hviezdy väčšia ako tri slnečné, nič nemôže zastaviť jej katastrofický kolaps a rýchlo sa dostane pod horizont udalostí a stane sa čiernou dierou.

Je čierna diera šiškovou dierou?

Čokoľvek, čo nevyžaruje svetlo, je ťažké vidieť. Jedným zo spôsobov, ako hľadať čiernu dieru, je hľadať oblasti otvorený priestor, ktoré majú veľkú hmotnosť a nachádzajú sa v tmavom priestore. Pri hľadaní týchto typov objektov ich astronómovia našli v dvoch hlavných oblastiach: v centrách galaxií a v binárnych hviezdnych systémoch v našej galaxii. Celkovo, ako naznačujú vedci, existujú desiatky miliónov takýchto objektov.

V súčasnosti je jediným spoľahlivým spôsobom, ako odlíšiť čiernu dieru od iného typu objektu, zmerať hmotnosť a veľkosť objektu a porovnať jeho polomer s