Na vytvorenie čiernej diery je potrebné stlačiť teleso na určitú kritickú hustotu, aby sa polomer stlačeného telesa rovnal jeho gravitačnému polomeru. Hodnota tejto kritickej hustoty je nepriamo úmerná druhej mocnine hmotnosti čiernej diery.
Pre typickú čiernu dieru s hmotnosťou hviezdy ( M=10M Slnko) gravitačný polomer je 30 km a kritická hustota je 2·10 14 g/cm 3 , teda dvesto miliónov ton na centimeter kubický. Táto hustota je veľmi vysoká v porovnaní s priemernou hustotou Zeme (5,5 g/cm3), rovná sa hustote látky atómového jadra.
Pre čiernu dieru v jadre galaxie ( M=10 10 M Slnko) gravitačný polomer je 3 10 15 cm = 200 AU, čo je päťnásobok vzdialenosti od Slnka k Plutu (1 astronomická jednotka - priemerná vzdialenosť od Zeme k Slnku - sa rovná 150 miliónom km alebo 1,5 10 13 cm). Kritická hustota sa v tomto prípade rovná 0,2·10-3 g/cm3, čo je niekoľkonásobne menej ako hustota vzduchu, ktorá sa rovná 1,3-10-3 g/cm3 (!).
Pre Zem ( M=3 10 –6 M slnko) je gravitačný polomer blízky 9 mm a zodpovedajúca kritická hustota je obludne vysoká: ρ cr = 2·10 27 g/cm 3 , čo je o 13 rádov viac ako hustota atómového jadra.
Ak vezmeme nejaký pomyselný guľový lis a stlačíme Zem, pričom si zachováme jej hmotnosť, potom keď štvornásobne zmenšíme polomer Zeme (6370 km), jej druhá úniková rýchlosť sa zdvojnásobí a bude rovná 22,4 km/s. Ak stlačíme Zem tak, že jej polomer bude približne 9 mm, potom druhá kozmická rýchlosť nadobudne hodnotu rovnajúcu sa rýchlosti svetla c= 300 000 km/s.
Ďalej nebude potrebný lis - Zem stlačená do takýchto rozmerov sa už sama zmrští. Nakoniec na mieste Zeme vznikne čierna diera, ktorej polomer horizontu udalostí sa bude blížiť k 9 mm (ak zanedbáme rotáciu vzniknutej čiernej diery). V reálnych podmienkach samozrejme žiadny supervýkonný lis neexistuje – gravitácia „funguje“. To je dôvod, prečo sa čierne diery môžu vytvárať len vtedy, keď sa zrútia vnútro veľmi hmotných hviezd, v ktorých je gravitácia dostatočne silná na to, aby stlačila hmotu na kritickú hustotu.
Evolúcia hviezd
Čierne diery vznikajú v záverečných fázach vývoja masívnych hviezd. Termonukleárne reakcie prebiehajú v hĺbkach obyčajných hviezd, uvoľňuje a udržiava sa obrovská energia teplo(desiatky a stovky miliónov stupňov). Gravitačné sily majú tendenciu hviezdu stláčať a tlakové sily horúceho plynu a žiarenia bránia tejto kompresii. Preto je hviezda v hydrostatickej rovnováhe.
Navyše, hviezda môže byť v tepelnej rovnováhe, keď sa energia uvoľnená v dôsledku termonukleárnych reakcií v jej strede presne rovná výkonu, ktorý hviezda vyžaruje z povrchu. Keď sa hviezda zmršťuje a rozširuje, tepelná rovnováha je narušená. Ak je hviezda nehybná, potom sa jej rovnováha nastaví tak, že negatívna potenciálna energia hviezdy (energia gravitačnej kontrakcie) je vždy dvojnásobkom tepelnej energie v absolútnej hodnote. Z tohto dôvodu má hviezda úžasnú vlastnosť - negatívnu tepelnú kapacitu. Obyčajné telesá majú pozitívnu tepelnú kapacitu: zahriaty kus železa, ktorý sa ochladzuje, teda stráca energiu, znižuje jeho teplotu. U hviezdy je to naopak: čím viac energie stratí vo forme žiarenia, tým vyššia bude teplota v jej strede.
Táto na prvý pohľad zvláštna vlastnosť má jednoduché vysvetlenie: hviezda, ktorá vyžaruje, sa pomaly zmenšuje. Pri stlačení sa potenciálna energia premieňa na kinetickú energiu padajúcich vrstiev hviezdy a jej vnútro sa zahrieva. A termálna energia, získaná hviezdou v dôsledku kompresie, je dvojnásobkom energie, ktorá sa stráca vo forme žiarenia. V dôsledku toho teplota vo vnútri hviezdy stúpa a prebieha nepretržitá termonukleárna fúzia. chemické prvky. Napríklad reakcia premeny vodíka na hélium v súčasnom Slnku prebieha pri teplote 15 miliónov stupňov. Keď sa po 4 miliardách rokov všetok vodík v strede Slnka premení na hélium, ďalšia syntéza atómov uhlíka z atómov hélia bude vyžadovať oveľa vyššiu teplotu, asi 100 miliónov stupňov (elektrický náboj jadier hélia je dvakrát vyšší ako vo vodíku jadrá a na zblíženie jadier hélium na vzdialenosť 10–13 cm vyžaduje oveľa vyššiu teplotu). Práve túto teplotu zabezpečí negatívna tepelná kapacita Slnka v čase vzplanutia termonukleárnej reakcie premeny hélia na uhlík v jeho hĺbke.
bielych trpaslíkov
Ak je hmotnosť hviezdy malá, takže hmotnosť jej jadra ovplyvneného termonukleárnymi premenami je menšia ako 1,4 M Slnko, termonukleárna fúzia chemických prvkov sa môže zastaviť v dôsledku takzvanej degenerácie elektrónového plynu v jadre hviezdy. Najmä tlak degenerovaného plynu závisí od hustoty, ale nezávisí od teploty, pretože energia kvantových pohybov elektrónov je oveľa väčšia ako energia ich tepelného pohybu.
Vysoký tlak degenerovaného elektrónového plynu účinne pôsobí proti silám gravitačnej kontrakcie. Keďže tlak nezávisí od teploty, strata energie hviezdy vo forme žiarenia nevedie ku kompresii jej jadra. Preto sa gravitačná energia neuvoľňuje ako dodatočné teplo. Preto sa teplota vo vyvíjajúcom sa degenerovanom jadre nezvyšuje, čo vedie k prerušeniu reťazca termonukleárnych reakcií.
Vonkajší vodíkový obal, ktorý nie je ovplyvnený termonukleárnymi reakciami, sa oddeľuje od jadra hviezdy a vytvára planetárnu hmlovinu, žiariacu v emisných čiarach vodíka, hélia a ďalších prvkov. Centrálnym kompaktným a relatívne horúcim jadrom vyvinutej hviezdy malej hmotnosti je biely trpaslík - objekt s polomerom rádovo polomeru Zeme (~ 10 4 km), s hmotnosťou menšou ako 1,4. M slnko a priemerná hustota rádovo tona na centimeter kubický. Bieli trpaslíci sú vidieť v vo veľkom počte. ich celkový počet v Galaxii dosahuje 10 10 , teda asi 10 % celkovej hmotnosti pozorovanej hmoty v Galaxii.
Termonukleárne spaľovanie v degenerovanom bielom trpaslíkovi môže byť nestabilné a viesť k nukleárny výbuch dostatočne masívny biely trpaslík s hmotnosťou blízkou takzvanej Chandrasekharovej hranici (1.4 M slnko). Takéto výbuchy vyzerajú ako výbuchy supernov typu I, ktoré nemajú v spektre žiadne čiary vodíka, ale iba čiary hélia, uhlíka, kyslíka a iných ťažkých prvkov.
neutrónové hviezdy
Ak je jadro hviezdy degenerované, potom keď sa jej hmotnosť blíži k hranici 1,4 M slnko obvyklú degeneráciu elektrónového plynu v jadre nahrádza takzvaná relativistická degenerácia.
Kvantové pohyby degenerovaných elektrónov sú také rýchle, že ich rýchlosť sa blíži rýchlosti svetla. V tomto prípade klesá elasticita plynu, znižuje sa jeho schopnosť odolávať silám gravitácie a hviezda zažíva gravitačný kolaps. Počas kolapsu sú elektróny zachytené protónmi a hmota je neutronizovaná. To vedie k vytvoreniu masívneho degenerovaného jadra neutrónová hviezda.
Ak počiatočná hmotnosť jadra hviezdy presiahne 1,4 M slnko , potom sa v jadre dosiahne vysoká teplota a počas jeho vývoja nedochádza k degenerácii elektrónov. V tomto prípade funguje negatívna tepelná kapacita: ako hviezda stráca energiu vo forme žiarenia, teplota v jej hĺbke stúpa a prebieha tu nepretržitý reťazec termonukleárnych reakcií, ktoré premieňajú vodík na hélium, hélium na uhlík, uhlík na kyslík, a tak ďalej, až po prvky skupiny železa. Reakcia termonukleárnej fúzie jadier prvkov ťažších ako železo už nie je s uvoľňovaním, ale s absorpciou energie. Ak teda hmotnosť jadra hviezdy, pozostávajúceho hlavne z prvkov skupiny železa, prekročí Chandrasekharovu hranicu 1,4 M slnko , ale menej ako takzvaná Oppenheimer-Volkovova hranica ~3 M slnko, potom na konci jadrovej evolúcie hviezdy dôjde ku gravitačnému kolapsu jadra, v dôsledku čoho dôjde k odhodeniu vonkajšieho vodíkového obalu hviezdy, čo je pozorované ako výbuch supernovy II. spektra, z ktorých sú pozorované silné vodíkové čiary.
Kolaps železného jadra vedie k vytvoreniu neutrónovej hviezdy.
Keď sa masívne jadro hviezdy, ktorá sa dostala do neskorého štádia vývoja, stlačí, teplota stúpne na gigantické hodnoty rádovo miliardy stupňov, keď sa jadrá atómov začnú rozpadať na neutróny a protóny. Protóny absorbujú elektróny, menia sa na neutróny a emitujú neutrína. Neutróny sa podľa Pauliho kvantového mechanického princípu pri silnom stlačení začnú navzájom účinne odpudzovať.
Keď je hmotnosť kolabujúceho jadra menšia ako 3 M Slnko, rýchlosti neutrónov sú oveľa menšie ako rýchlosť svetla a elasticita hmoty vďaka účinnému odpudzovaniu neutrónov môže vyrovnávať gravitačné sily a viesť k vytvoreniu stabilnej neutrónovej hviezdy.
Prvýkrát možnosť existencie neutrónových hviezd predpovedal v roku 1932 vynikajúci sovietsky fyzik Landau hneď po objavení neutrónu v laboratórnych experimentoch. Polomer neutrónovej hviezdy sa blíži k 10 km, jej priemerná hustota je stovky miliónov ton na centimeter kubický.
Keď je hmotnosť kolabujúceho jadra hviezdy väčšia ako 3 M Slnko, potom podľa existujúcich predstáv výsledná neutrónová hviezda, ochladzujúca sa, skolabuje do čiernej diery. Kolaps neutrónovej hviezdy do čiernej diery je tiež uľahčený spätným pádom časti obalu hviezdy odhodenej počas výbuchu supernovy.
Neutrónová hviezda má tendenciu rýchlo rotovať, pretože normálna hviezda, ktorá ju zrodila, môže mať významný moment hybnosti. Keď sa jadro hviezdy zrúti na neutrónovú hviezdu, charakteristické rozmery hviezdy sa zmenšia R= 10 5 – 10 6 km do R≈ 10 km. S klesajúcou veľkosťou hviezdy sa zmenšuje jej moment zotrvačnosti. Aby sa udržal moment hybnosti, musí sa rýchlosť axiálnej rotácie prudko zvýšiť. Napríklad, ak sa Slnko, ktoré rotuje s periódou asi mesiaca, stlačí na veľkosť neutrónovej hviezdy, potom sa perióda rotácie skráti na 10 -3 sekúnd.
Jednotlivé neutrónové hviezdy so silným magnetickým poľom sa prejavujú ako rádiové pulzary – zdroje striktne periodických rádiových emisných impulzov, ktoré vznikajú, keď sa energia rýchlej rotácie neutrónovej hviezdy premení na riadenú rádiovú emisiu. V binárnych systémoch vykazujú pribúdajúce neutrónové hviezdy fenomén röntgenového pulzaru a röntgenového bursteru typu 1.
Od čiernej diery nemožno očakávať striktne periodické pulzácie žiarenia, pretože čierna diera nemá žiadny pozorovateľný povrch a žiadne magnetické pole. Ako sa fyzici často vyjadrujú, čierne diery nemajú „vlasy“ – všetky polia a všetky nehomogenity v blízkosti horizontu udalostí sú pri vzniku čiernej diery vyžarované z kolabujúcej hmoty vo forme prúdu gravitačných vĺn. Výsledkom je, že vytvorená čierna diera má iba tri charakteristiky: hmotnosť, moment hybnosti a elektrický náboj. Všetky jednotlivé vlastnosti rozpadajúcej sa hmoty pri tvorbe čiernej diery sú zabudnuté: napríklad čierne diery vytvorené zo železa az vody majú pri ostatných rovnakých vlastnostiach rovnaké vlastnosti.
Ako predpovedá Všeobecná relativita (GR), hviezdy, ktorých hmotnosť železného jadra na konci ich vývoja presahuje 3 M slnko, zažijete neobmedzenú kompresiu (relativistický kolaps) s vytvorením čiernej diery. Vysvetľuje to skutočnosť, že vo všeobecnej teórii relativity sú gravitačné sily, ktoré majú tendenciu stláčať hviezdu, určené hustotou energie a pri obrovských hustotách hmoty dosiahnutých stláčaním tak masívneho jadra hviezdy už nie je hlavný príspevok k hustote energie. zvyšok energie častíc, ale energia ich pohybu a interakcie . Ukazuje sa, že vo všeobecnej teórii relativity sa zdá, že tlak hmoty pri veľmi vysokých hustotách sám seba „váži“: čím väčší je tlak, tým väčšia je hustota energie a následne tým väčšie sú gravitačné sily, ktoré majú tendenciu hmotu stláčať. Navyše pod silnými gravitačnými poľami nadobúdajú zásadný význam efekty časopriestorového zakrivenia, ktoré tiež prispievajú k neobmedzenému stláčaniu jadra hviezdy a jej premene na čiernu dieru (obr. 3).
Na záver poznamenávame, že čierne diery, ktoré vznikli v našej dobe (napríklad čierna diera v systéme Cygnus X-1), prísne vzaté, nie sú stopercentne čiernymi dierami, pretože v dôsledku relativistického spomalenia času pre vzdialeného pozorovateľa, ich horizonty udalostí sa ešte nevytvorili. Povrchy takýchto kolabujúcich hviezd vyzerajú pre pozemského pozorovateľa ako zamrznuté a približujú sa k horizontom udalostí na nekonečne dlhý čas.
Aby sa čierne diery z takýchto kolabujúcich objektov úplne vytvorili, musíme na všetko čakať donekonečna veľký čas existenciu nášho vesmíru. Treba však zdôrazniť, že už v prvých sekundách relativistického kolapsu sa povrch kolabujúcej hviezdy pre pozorovateľa zo Zeme priblíži veľmi blízko k horizontu udalostí a všetky procesy na tomto povrchu sa nekonečne spomaľujú.
Čierna diera je jedným z najzáhadnejších objektov vo vesmíre. Mnohí slávni vedci, vrátane Alberta Einsteina, hovorili o možnosti existencie čiernych dier. Čierne diery vďačia za svoje meno americkému astrofyzikovi Johnovi Wheelerovi. Vo vesmíre sú dva typy čiernych dier. Prvým sú masívne čierne diery – obrovské telesá, ktorých hmotnosť je miliónkrát väčšia ako hmotnosť Slnka. Takéto objekty, ako vedci naznačujú, sa nachádzajú v strede galaxií. V strede našej galaxie je tiež obrovská čierna diera. Príčiny vzniku takýchto obrovských kozmických telies sa vedcom zatiaľ nepodarilo zistiť.
Uhol pohľadu
Moderná veda podceňuje význam pojmu „energia času“, ktorý do vedeckého používania zaviedol sovietsky astrofyzik N.A. Kozyrev.
Dokončili sme myšlienku energie času, v dôsledku čoho sa objavila nová filozofická teória - "ideálny materializmus". Táto teória poskytuje alternatívne vysvetlenie povahy a štruktúry čiernych dier. Čierne diery v teórii ideálneho materializmu zohrávajú kľúčovú úlohu, a to najmä v procesoch vzniku a rovnováhy časovej energie. Teória vysvetľuje, prečo sa supermasívne čierne diery nachádzajú v centrách takmer všetkých galaxií. Na stránke bude možné zoznámiť sa s touto teóriou, ale po vhodnej príprave. pozri materiály stránky).
Oblasť v priestore a čase, ktorej príťažlivosť je taká silná, že ju nedokážu opustiť ani predmety pohybujúce sa rýchlosťou svetla, sa nazýva tzv. čierna diera. Hranica čiernej diery sa označuje ako pojem „horizont udalostí“ a jej veľkosť ako polomer gravitácie. V najjednoduchšom prípade sa rovná Schwarzschildovmu polomeru.
Skutočnosť, že existencia čiernych dier je teoreticky možná, sa dá dokázať z niektorých presných Einsteinových rovníc. Prvý z nich získal v roku 1915 ten istý Karl Schwarzschild. Nie je známe, kto ako prvý vynašiel tento termín. Dá sa len povedať, že samotné označenie fenoménu sa spopularizovalo vďaka Johnovi Archibaldovi Wheelerovi, ktorý prvýkrát publikoval prednášku „Our Universe: the Known and Unknown (Our Universe: the Known and Unknown)“, kde bolo použité. Oveľa skôr sa tieto objekty nazývali "zrútené hviezdy" alebo "kolapsy".
Otázka, či čierne diery skutočne existujú, súvisí so skutočnou existenciou gravitácie. AT moderná veda Najrealistickejšou teóriou gravitácie je všeobecná teória relativity, ktorá jasne definuje možnosť existencie čiernych dier. Ich existencia je však možná aj v rámci iných teórií, takže údaje sú neustále analyzované a interpretované.
Výrok o existencii skutočne existujúcich čiernych dier treba chápať ako potvrdenie existencie hustých a masívnych astronomických objektov, ktoré možno interpretovať ako čierne diery teórie relativity. Okrem toho k podobný jav hviezdy možno pripísať neskorým štádiám kolapsu. Moderní astrofyzici nepripisujú dôležitosť rozdielu medzi takýmito hviezdami a skutočnými čiernymi dierami.
Mnohí z tých, ktorí astronómiu študovali alebo ešte len študujú, to vedia čo je čierna diera a odkiaľ pochádza. Ale aj tak pre Obyčajní ľudia Pre tých, ktorých to zvlášť nezaujíma, všetko stručne vysvetlím.
Čierna diera- ide o určitú oblasť v priestore priestoru alebo aj času v ňom. Len toto nie je obyčajná oblasť. Má veľmi silnú gravitáciu (príťažlivosť). Navyše je taký silný, že ak sa tam dostane, niečo sa z čiernej diery nedostane! Ani slnečné lúče sa nevyhnú pádu do čiernej diery, ak prechádzajú v blízkosti. Aj keď, uvedomte si, že slnečné lúče (svetlo) sa pohybujú rýchlosťou svetla – 300 000 km/sec.
Predtým sa čierne diery nazývali inak: kolapsary, zrútené hviezdy, zamrznuté hviezdy atď. prečo? Pretože čierne diery sú vytvorené mŕtvymi hviezdami.
Faktom je, že keď hviezda vyčerpá všetku svoju energiu, stane sa veľmi horúcim obrom a v dôsledku toho exploduje. Jeho jadro sa s určitou pravdepodobnosťou môže veľmi silno zmenšiť. A neuveriteľnou rýchlosťou. V niektorých prípadoch po výbuchu hviezdy vznikne čierna, neviditeľná diera, ktorá pohltí všetko, čo jej príde do cesty. Všetky predmety, ktoré sa dokonca pohybujú rýchlosťou svetla.
Čierna diera sa nestará o to, aké predmety pohltí. Mohlo by to byť ako vesmírne lode a lúče slnka. Nezáleží na tom, ako rýchlo sa objekt pohybuje. Čiernu dieru tiež nezaujíma, aká je hmotnosť objektu. Dokáže pohltiť všetko od kozmických mikróbov či prachu až po samotné hviezdy.
Bohužiaľ, zatiaľ nikto neprišiel na to, čo sa deje vo vnútri čiernej diery. Niektorí naznačujú, že objekt, ktorý spadne do čiernej diery, sa zlomí neuveriteľnou silou. Iní veria, že výstup z čiernej diery môže viesť do iného, nejakého druhého vesmíru. Iní veria, že (s najväčšou pravdepodobnosťou), ak pôjdete od vchodu k východu čiernej diery, môže vás jednoducho hodiť do inej časti vesmíru.
Čierna diera vo vesmíre
Čierna diera- Toto vesmírny objekt neuveriteľná hustota, ktorá má absolútnu gravitáciu, takže je ňou absorbované akékoľvek kozmické telo a dokonca aj samotný priestor a čas.
Čierne diery vládnuť sám sebe vývoj vesmíru. sú na centrálnom mieste, ale nemôžete ich vidieť, môžete nájsť ich znaky. Hoci čierne diery majú schopnosť ničiť, pomáhajú aj pri budovaní galaxií.
Niektorí vedci tomu veria čierne diery sú bránou k paralelné vesmíry. čo môže byť dobre. Existuje názor, že čierne diery to majú naopak, tzv biele diery . s antigravitačnými vlastnosťami.
Čierna diera je narodený vnútri najväčších hviezd, keď zomrú, gravitačná sila ich zničí, čo vedie k silný výbuch supernova.
Existenciu čiernych dier predpovedal Karl Schwarzschild
Karl Schwarzschild ako prvý aplikoval Einsteinovu všeobecnú teóriu relativity na ospravedlnenie existencie „bodu, odkiaľ niet návratu“. Sám Einstein o čiernych dierach neuvažoval, hoci jeho teória umožňuje predpovedať ich existenciu.
Schwarzschild predložil svoj návrh v roku 1915, tesne po tom, čo Einstein zverejnil svoju všeobecnú teóriu relativity. Vtedy vznikol pojem „Schwarzschildov rádius“, hodnota, ktorá hovorí, ako veľmi musíte stlačiť objekt, aby sa z neho stala čierna diera.
Teoreticky sa pri dostatočnej kompresii môže stať čiernou dierou čokoľvek. Čím je objekt hustejší, tým silnejšie je gravitačné pole, ktoré vytvára. Napríklad Zem by sa stala čiernou dierou, ak by objekt veľkosti arašidov mal svoju hmotnosť.
Zdroje: www.alienguest.ru, cosmos-online.ru, kak-prosto.net, nasha-vselennaya.ru, www.qwrt.ru
NASA: Vytvorí sa stroj času
Projekt ExoMars
Atlantída v Bermudskom trojuholníku
Nemeckí rytieri
No na polostrove Kola
Krajina trpaslíkov
Každý človek mal v detstve sen byť v rozprávke. V jednom z parkov v Nemecku sa môžete cítiť ako Snehulienka medzi siedmimi...
Tajomstvo vesmíru a sveta okolo nás
Podľa vedcov z NASA. Na rozdiel od všeobecného presvedčenia, ak človek vstúpi do vesmíru bez ochranného skafandru, nezamrzne, nevybuchne a ...
Nevysvetliteľné nálezy
Niekedy za rôznych okolností v rôznych častiach sveta ľudia nájdu predmety, ktoré sa nazývajú neidentifikované fosílne predmety (artefakty). Už to chápem...
Bojujte proti pokušeniam. Pokušenie Krista na púšti
Boj s pokušením Každý z nás už počul slovo „“. Pokušenie znamená, že sa v živote človeka vyskytnú okolnosti, ktoré ho nútia robiť ...
Anomálna zóna Tichého oceánu
Oceán ukrýva mnoho tajomstiev, no jedno z nich úplne zmiatlo aj skúsených oceánológov. V danom bode...
čierna rieka
Slávnejšie jazero Loch Ness odsunulo oveľa viac široké možnosti hľadať stvorenia ako monštrum Nessie v iných krajinách. ...
Čierne diery – možno najzáhadnejšie a najzáhadnejšie astronomické objekty v našom vesmíre, priťahujú pozornosť učencov a vzrušujú predstavivosť autorov sci-fi už od ich objavu. Čo sú čierne diery a ako vyzerajú? Čierne diery sú zhasnuté hviezdy, kvôli ich fyzické vlastnosti, ktoré majú takéto vysoká hustota a gravitácia taká silná, že ani svetlo nemôže uniknúť.
História objavovania čiernych dier
Prvýkrát teoretickú existenciu čiernych dier, dávno pred ich skutočným objavom, navrhol niekto D. Michel (anglický kňaz z Yorkshire, ktorý sa vo voľnom čase venuje astronómii) už v roku 1783. Podľa jeho výpočtov, ak zoberieme tú našu a stlačíme ju (v modernej počítačovej reči archivujeme) na polomer 3 km, vznikne taká veľká (proste obrovská) gravitačná sila, že ju nedokáže opustiť ani svetlo. Takto sa objavil pojem „čierna diera“, hoci v skutočnosti čierna vôbec nie je, podľa nás by sa skôr hodil výraz „tmavá diera“, pretože dochádza práve k absencii svetla.
Neskôr, v roku 1918, veľký vedec Albert Einstein napísal o problematike čiernych dier v kontexte teórie relativity. Ale až v roku 1967, vďaka úsiliu amerického astrofyzika Johna Wheelera, koncept čiernych dier konečne získal miesto v akademických kruhoch.
Nech už je to akokoľvek, D. Michel, Albert Einstein a John Wheeler vo svojich prácach predpokladali iba teoretickú existenciu týchto záhadných nebeských objektov vo vesmíre, avšak k skutočnému objavu čiernych dier došlo v roku 1971. potom, že si ich prvýkrát všimli vo vesmíre.teleskop.
Takto vyzerá čierna diera.
Ako vznikajú čierne diery vo vesmíre?
Ako vieme z astrofyziky, všetky hviezdy (vrátane nášho Slnka) majú určité obmedzené množstvo paliva. A hoci život hviezdy môže trvať miliardy svetelných rokov, skôr či neskôr sa táto podmienená zásoba paliva skončí a hviezda „zhasne“. Proces „zániku“ hviezdy sprevádzajú intenzívne reakcie, pri ktorých hviezda prechádza výraznou premenou a v závislosti od svojej veľkosti sa môže zmeniť na bieleho trpaslíka, neutrónovú hviezdu, či čiernu dieru. Navyše najväčšie hviezdy, ktoré majú neuveriteľne pôsobivé rozmery, sa zvyčajne menia na čiernu dieru - v dôsledku stlačenia týchto najúžasnejších veľkostí dochádza k mnohonásobnému zvýšeniu hmotnosti a gravitačnej sily novovytvorenej čiernej diery, ktorá sa zmení na druh galaktického vysávača - pohltí všetko a všetko okolo.
Čierna diera pohltí hviezdu.
Malá poznámka - naše Slnko na galaktické pomery vôbec nie je veľká hviezda a po vyhynutí, ku ktorému dôjde asi o niekoľko miliárd rokov, sa s najväčšou pravdepodobnosťou nezmení na čiernu dieru.
Ale buďme k vám úprimní - dnes vedci stále nepoznajú všetky zložitosti vzniku čiernej diery, nepochybne ide o mimoriadne zložitý astrofyzikálny proces, ktorý sám o sebe môže trvať milióny svetelných rokov. Aj keď je možné v tomto smere napredovať, detekcia a následné štúdium takzvaných intermediárnych čiernych dier, teda hviezd, ktoré sú v štádiu zániku, v ktorých prebieha aktívny proces vzniku čiernej diery, mohol. Mimochodom, podobnú hviezdu objavili astronómovia v roku 2014 v ramene špirálovej galaxie.
Koľko čiernych dier existuje vo vesmíre
Podľa teórií moderných vedcov v našej galaxii mliečna dráhaČiernych dier môžu byť až stovky miliónov. O nič menej ich nemusí byť ani v galaxii vedľa nás, do ktorej z našej Mliečnej dráhy nemá čo letieť – 2,5 milióna svetelných rokov.
Teória čiernych dier
Napriek obrovskej hmotnosti (ktorá je stotisíckrát väčšia ako hmotnosť nášho Slnka) a neskutočnej sile gravitácie nebolo ľahké vidieť čierne diery cez ďalekohľad, pretože vôbec nevyžarujú svetlo. Čiernu dieru sa vedcom podarilo spozorovať až v momente jej „jedla“ – pohltenia inej hviezdy, v tomto momente sa objavuje charakteristické žiarenie, ktoré už možno pozorovať. Teória čiernych dier teda našla skutočné potvrdenie.
Vlastnosti čiernych dier
Hlavnou vlastnosťou čiernej diery sú jej neuveriteľné gravitačné polia, ktoré nedovoľujú, aby okolitý priestor a čas zostali vo svojom obvyklom stave. Áno, počuli ste dobre, čas vo vnútri čiernej diery plynie mnohonásobne pomalšie ako zvyčajne, a ak by ste tam boli, potom by ste sa vrátili späť (ak ste mali to šťastie, samozrejme), boli by ste prekvapení, keby ste si všimli, že na Zemi prešli storočia. a ani nezostarneš. Aj keď povedzme si pravdu, keby ste boli vo vnútri čiernej diery, sotva by ste prežili, keďže gravitačná sila je tam taká, že akýkoľvek hmotný objekt by sa jednoducho roztrhal, dokonca ani nie na časti, na atómy.
Ale ak by ste boli čo i len blízko čiernej diery, v medziach jej gravitačného poľa, potom by ste to mali tiež ťažké, pretože čím viac by ste vzdorovali jej gravitácii a snažili sa odletieť, tým rýchlejšie by ste do nej spadli. Dôvodom tohto zdanlivého paradoxu je gravitačné vírové pole, ktorým disponujú všetky čierne diery.
Čo ak človek spadne do čiernej diery
Vyparovanie čiernych dier
Anglický astronóm S. Hawking objavil zaujímavý fakt: Zdá sa, že aj čierne diery sa vyparujú. Je pravda, že to platí iba pre otvory relatívne malej hmotnosti. Silná gravitácia okolo nich vytvára páry častíc a antičastíc, pričom jeden z páru je vtiahnutý dovnútra otvorom a druhý je vyvrhnutý von. Čierna diera teda vyžaruje tvrdé antičastice a gama lúče. Toto vyparovanie alebo žiarenie z čiernej diery bolo pomenované po vedcovi, ktorý ho objavil – „Hawkingovo žiarenie“.
Najväčšia čierna diera
Podľa teórie čiernych dier sa v strede takmer všetkých galaxií nachádzajú obrovské čierne diery s hmotnosťou od niekoľkých miliónov do niekoľkých miliárd hmotností Slnka. A relatívne nedávno vedci objavili dve najväčšie doteraz známe čierne diery, ktoré sa nachádzajú v dvoch blízkych galaxiách: NGC 3842 a NGC 4849.
NGC 3842 je najjasnejšia galaxia v súhvezdí Lev, ktorá sa nachádza vo vzdialenosti 320 miliónov svetelných rokov od nás. V jej strede sa nachádza obrovská čierna diera s hmotnosťou 9,7 miliardy hmotností Slnka.
NGC 4849 je galaxia v zhluku Coma vzdialená 335 miliónov svetelných rokov a môže sa pochváliť rovnako pôsobivou čiernou dierou.
Zóny pôsobenia gravitačného poľa týchto obrovských čiernych dier, alebo v akademickom vyjadrení, ich horizont udalostí je asi 5-krát väčšia ako vzdialenosť od Slnka k! Takáto čierna diera by zjedla aj naše slnečná sústava a ani by sa nepohol.
Najmenšia čierna diera
Ale v obrovskej rodine čiernych dier sú veľmi malí zástupcovia. Takže najväčšia trpasličia čierna diera, ktorú vedci v súčasnosti objavili, má hmotnosť iba 3-krát väčšiu ako naše Slnko. V skutočnosti je to teoretické minimum potrebné na vznik čiernej diery, ak by tá hviezda bola o niečo menšia, diera by nevznikla.
Čierne diery sú kanibali
Áno, existuje taký jav, ako sme písali vyššie, čierne diery sú akési "galaktické vysávače", ktoré pohlcujú všetko okolo seba, vrátane ... iných čiernych dier. Nedávno astronómovia zistili, že čiernu dieru z jednej galaxie požiera ďalší veľký čierny žrút z inej galaxie.
- Podľa hypotéz niektorých vedcov nie sú čierne diery len galaktické vysávače, ktoré do seba nasávajú všetko, ale za istých okolností môžu samy generovať nové vesmíry.
- Čierne diery sa môžu časom vypariť. Vyššie sme písali, že anglický vedec Stephen Hawking zistil, že čierne diery majú vlastnosť žiarenia a po nejakom veľmi dlhom čase, keď už nie je čo absorbovať, sa čierna diera začne viac vyparovať, až nakoniec odovzdáva všetku svoju hmotu okolitému priestoru. Aj keď je to len domnienka, hypotéza.
- Čierne diery spomaľujú čas a ohýbajú priestor. O dilatácii času sme už písali, no priestor v podmienkach čiernej diery bude úplne zakrivený.
- Čierne diery obmedzujú počet hviezd vo vesmíre. Ich gravitačné polia totiž bránia ochladzovaniu oblakov plynu vo vesmíre, z ktorých, ako viete, sa rodia nové hviezdy.
Čierne diery na Discovery Channel, video
A na záver vám ponúkame zaujímavý vedecký dokument o čiernych dierach z Discovery channel.
Pre vedcov minulých storočí aj pre výskumníkov našej doby je najväčšou záhadou vesmíru čierna diera. Čo je vo vnútri tohto pre fyziku úplne neznámeho systému? Aké zákony tam platia? Ako plynie čas v čiernej diere a prečo odtiaľ nemôžu uniknúť ani svetelné kvantá? Teraz sa, samozrejme, pokúsime z hľadiska teórie a nie praxe pochopiť, čo je vo vnútri čiernej diery, prečo v zásade vznikla a existuje, ako priťahuje objekty, ktoré ju obklopujú.
Najprv popíšme tento objekt.
Takže určitá oblasť vesmíru vo vesmíre sa nazýva čierna diera. Nie je možné ho vyčleniť ako samostatnú hviezdu alebo planétu, pretože nejde ani o pevné ani plynné teleso. Bez základného pochopenia toho, čo je časopriestor a ako sa tieto dimenzie môžu meniť, nie je možné pochopiť, čo je vo vnútri čiernej diery. Faktom je, že toto územie nie je len priestorovou jednotkou. čo skresľuje nám známe tri rozmery (dĺžka, šírka a výška), ako aj časovú os. Vedci sú si istí, že v oblasti horizontu (takzvaná oblasť obklopujúca dieru) nadobúda čas priestorový význam a môže sa pohybovať dopredu aj dozadu.
Naučte sa tajomstvá gravitácie
Ak chceme pochopiť, čo je vo vnútri čiernej diery, podrobne zvážime, čo je gravitácia. Práve tento jav je kľúčový pre pochopenie podstaty takzvaných „červích dier“, z ktorých nemôže uniknúť ani svetlo. Gravitácia je interakcia medzi všetkými telesami, ktoré majú materiálny základ. Sila takejto gravitácie závisí od molekulárneho zloženia telies, od koncentrácie atómov a tiež od ich zloženia. Čím viac častíc kolabuje v určitej oblasti priestoru, tým väčšia je gravitačná sila. To je neoddeliteľne spojené s teóriou veľkého tresku, keď bol náš vesmír veľký ako hrášok. Bol to stav maximálnej singularity a následkom záblesku svetelných kvánt sa priestor začal rozširovať vďaka tomu, že sa častice navzájom odpudzovali. Presný opak vedci označujú ako čiernu dieru. Čo je vo vnútri takejto veci podľa TBZ? Singularita, ktorá sa rovná ukazovateľom, ktoré sú vlastné nášmu vesmíru v čase jeho zrodu.
Ako sa hmota dostane do červej diery?
Existuje názor, že človek nikdy nebude schopný pochopiť, čo sa deje vo vnútri čiernej diery. Keďže raz tam bude doslova rozdrvený gravitáciou a gravitáciou. V skutočnosti to nie je pravda. Áno, skutočne, čierna diera je oblasť singularity, kde je všetko stlačené na maximum. Toto však vôbec nie je „vesmírny vysávač“, ktorý je schopný vtiahnuť do seba všetky planéty a hviezdy. Každý hmotný objekt, ktorý sa nachádza na horizonte udalostí, bude pozorovať silné skreslenie priestoru a času (zatiaľ sú tieto jednotky oddelené). Euklidovský systém geometrie začne haprovať, inými slovami, budú sa pretínať, obrysy stereometrických útvarov prestanú byť známe. Čo sa týka času, ten sa bude postupne spomaľovať. Čím bližšie sa k diere dostanete, tým pomalšie budú hodiny oproti pozemskému času bežať, no vy si to nevšimnete. Pri náraze do „červí diery“ bude telo padať nulovou rýchlosťou, no táto jednotka sa bude rovnať nekonečnu. zakrivenie, ktoré sa rovná nekonečnu k nule, čo nakoniec zastaví čas v oblasti singularity.
Reakcia na vyžarované svetlo
Jediný objekt vo vesmíre, ktorý priťahuje svetlo, je čierna diera. Čo je v ňom a v akej je to forme, nie je známe, ale veria, že ide o tmu, ktorú si nemožno predstaviť. Svetelné kvantá, ktoré sa tam dostanú, len tak nezmiznú. Ich hmotnosť je násobená hmotnosťou singularity, ktorá ju robí ešte väčšou a zväčšuje ju.Ak teda vo vnútri červej diery zapnete baterku, aby ste sa rozhliadli, nebude svietiť. Vyžarované kvantá sa budú neustále násobiť hmotnosťou diery a, zhruba povedané, svoju situáciu len zhoršíte.
Všade čierne diery
Ako sme už zistili, základom vzdelania je gravitácia, ktorej hodnota je miliónkrát väčšia ako na Zemi. Presné znázornenie o tom, čo je čierna diera, dal svetu Karl Schwarzschild, ktorý v skutočnosti objavil samotný horizont udalostí a bod, odkiaľ niet návratu, a tiež stanovil, že nula v stave singularity sa rovná nekonečnu. Podľa jeho názoru môže čierna diera vzniknúť kdekoľvek vo vesmíre. V tomto prípade musí určitý hmotný objekt guľového tvaru dosiahnuť polomer gravitácie. Napríklad hmotnosť našej planéty sa musí zmestiť do objemu jedného hrášku, aby sa stala čiernou dierou. A Slnko by malo mať so svojou hmotnosťou priemer 5 kilometrov - potom sa jeho stav stane singulárnym.
Nový horizont formovania sveta
Zákony fyziky a geometrie dokonale fungujú na Zemi aj vo vnútri otvorený priestor, kde sa vesmír blíži k vákuu. Ale na horizonte udalostí úplne strácajú svoj význam. To je dôvod, prečo je z matematického hľadiska nemožné vypočítať, čo je vo vnútri čiernej diery. Obrázky, ktoré môžete vymyslieť, ak ohýbate priestor v súlade s našimi predstavami o svete, sú určite ďaleko od pravdy. Zistilo sa len, že čas sa tu mení na priestorový celok a s najväčšou pravdepodobnosťou sa k existujúcim dimenziám pridávajú ďalšie. To umožňuje veriť, že vo vnútri čiernej diery sa vytvárajú úplne odlišné svety (fotka, ako viete, sa to neukáže, pretože tam sa požiera svetlo). Tieto vesmíry môžu byť zložené z antihmoty, ktorá je v súčasnosti vedcom neznáma. Existujú aj verzie, že sféra bez návratu je len portál, ktorý vedie buď do iného sveta, alebo do iných bodov v našom Vesmíre.
Narodenie a smrť
Oveľa viac ako existencia čiernej diery je jej zrod alebo zánik. Ako sme už zistili, sféra, ktorá deformuje časopriestor, vzniká v dôsledku kolapsu. Môže to byť výbuch veľkej hviezdy, zrážka dvoch alebo viacerých telies vo vesmíre atď. Ako sa však hmota, ktorú bolo možné teoreticky cítiť, stala oblasťou skreslenia času? Hádanka prebieha. Po nej však nasleduje druhá otázka – prečo miznú také sféry, odkiaľ niet návratu? A ak sa čierne diery vyparia, prečo z nich nevychádza svetlo a všetka vesmírna hmota, ktorú vtiahli? Keď sa hmota v zóne singularity začne rozpínať, gravitácia postupne klesá. V dôsledku toho sa čierna diera jednoducho rozpustí a na jej mieste zostane obyčajný vákuový vesmír. Z toho vyplýva ďalšia záhada – kam sa podelo všetko, čo sa do nej dostalo?
Gravitácia – náš kľúč k šťastnej budúcnosti?
Výskumníci sú presvedčení, že energetická budúcnosť ľudstva môže byť tvorená čiernou dierou. Čo je vo vnútri tohto systému, je stále neznáme, ale bolo možné zistiť, že na horizonte udalostí sa akákoľvek hmota premieňa na energiu, ale, samozrejme, čiastočne. Napríklad človek, ktorý sa ocitne blízko bodu, odkiaľ niet návratu, dá 10 percent svojej hmoty na jej spracovanie na energiu. Toto číslo je jednoducho kolosálne, medzi astronómami sa stalo senzáciou. Faktom je, že na Zemi, keď sa hmota spracováva na energiu len z 0,7 percenta.
S. TRANKOVSKÝ
Medzi najdôležitejšie a najzaujímavejšie problémy modernej fyziky a astrofyziky pomenoval akademik VL Ginzburg otázky súvisiace s čiernymi dierami (pozri Veda a život, č. 11, 12, 1999). Existencia týchto zvláštnych objektov bola predpovedaná pred viac ako dvesto rokmi, podmienky vedúce k ich vzniku boli presne vypočítané koncom 30. rokov 20. storočia a astrofyzika sa s nimi vysporiadala pred menej ako štyridsiatimi rokmi. dnes vedeckých časopisoch po celom svete každoročne publikujú tisíce článkov o čiernych dierach.
K vzniku čiernej diery môže dôjsť tromi spôsobmi.
Takto je zvykom zobrazovať procesy prebiehajúce v blízkosti kolabujúcej čiernej diery. Ako plynie čas (Y), priestor (X) okolo neho (tieňovaná oblasť) sa zmenšuje smerom k singularite.
Gravitačné pole čiernej diery vnáša do geometrie priestoru silné deformácie.
Čierna diera, neviditeľná cez ďalekohľad, sa odhaľuje iba svojim gravitačným vplyvom.
V silnom gravitačnom poli čiernej diery sa rodia páry častica-antičastice.
Zrodenie páru častica-antičastica v laboratóriu.
AKO SA VYJADUJÚ
Svetelné nebeské teleso, ktoré má hustotu rovnajúcu sa hustote Zeme a priemer dvestopäťdesiatkrát väčší ako priemer Slnka, v dôsledku sily svojej príťažlivosti nedovolí svojmu svetlu, aby sa k nám dostalo. Je teda možné, že najväčšie svietiace telesá vo vesmíre práve pre svoju veľkosť zostanú neviditeľné.
Pierre Simon Laplace.
Prezentácia systému sveta. 1796
V roku 1783 anglický matematik John Mitchell a o trinásť rokov neskôr nezávisle od neho francúzsky astronóm a matematik Pierre Simon Laplace vykonali veľmi zvláštnu štúdiu. Zvažovali podmienky, za ktorých by svetlo nemohlo opustiť hviezdu.
Logika vedcov bola jednoduchá. Pre akýkoľvek astronomický objekt (planétu alebo hviezdu) môžete vypočítať takzvanú únikovú rýchlosť alebo druhú kozmická rýchlosť, ktorý umožňuje akémukoľvek telu alebo častici opustiť ho navždy. A vo fyzike tej doby kraľovala newtonovská teória, podľa ktorej je svetlo prúd častíc (pred teóriou elektromagnetické vlny a zostávalo ešte takmer stopäťdesiat rokov). Na základe rovnosti sa dá vypočítať úniková rýchlosť častíc potenciálna energia na povrchu planéty a kinetická energia telesa, „unikla“ do nekonečne veľkej vzdialenosti. Táto rýchlosť je určená vzorcom #1#
kde M je hmotnosť vesmírneho objektu, R je jeho polomer, G je gravitačná konštanta.
Odtiaľto sa dá ľahko získať polomer telesa danej hmotnosti (neskôr nazývaný „gravitačný polomer r g"), pri ktorej sa úniková rýchlosť rovná rýchlosti svetla:
To znamená, že hviezda stlačená do gule s polomerom r g< 2GM/c 2 prestane vyžarovať - svetlo ho nebude môcť opustiť. Vo vesmíre sa objaví čierna diera.
Je ľahké vypočítať, že Slnko (jeho hmotnosť je 2,1033 g) sa zmení na čiernu dieru, ak sa zmenší na polomer asi 3 kilometrov. Hustota jeho látky v tomto prípade dosiahne 10 16 g/cm 3 . Polomer Zeme, stlačený do stavu čiernej diery, by sa zmenšil asi na jeden centimeter.
Zdalo sa neuveriteľné, že v prírode možno nájsť sily, ktoré dokážu stlačiť hviezdu na takú nepatrnú veľkosť. Preto sa závery z práce Mitchella a Laplacea za viac ako sto rokov považovali za niečo ako matematický paradox, ktorý nemá fyzikálny význam.
Dôkladný matematický dôkaz, že takýto exotický objekt vo vesmíre je možný, bol získaný až v roku 1916. Nemecký astronóm Karl Schwarzschild po analýze rovníc všeobecná teória relativity Alberta Einsteina, dospel k zaujímavému výsledku. Po štúdiu pohybu častice v gravitačnom poli masívneho telesa dospel k záveru, že rovnica stráca svoj fyzikálny význam (jej riešenie siaha do nekonečna), keď r= 0 a r = r g.
Body, v ktorých charakteristika poľa stráca svoj význam, sa nazývajú singulárne, teda špeciálne. Singularita v nulovom bode odráža bod, alebo, čo je to isté, stredovo symetrickú štruktúru poľa (napokon, každé guľové teleso - hviezda alebo planéta - môže byť reprezentované ako hmotný bod). A body umiestnené na guľovej ploche s polomerom r g , tvoria samotný povrch, z ktorého sa úniková rýchlosť rovná rýchlosti svetla. Vo všeobecnej teórii relativity sa nazýva Schwarzschildova singulárna sféra alebo horizont udalostí (prečo - to sa ukáže neskôr).
Už na príklade nám známych objektov – Zeme a Slnka – je zrejmé, že čierne diery sú veľmi zvláštne objekty. Aj astronómovia zaoberajúci sa hmotou pri extrémnych teplotách, hustote a tlaku ich považujú za veľmi exotické a donedávna v ich existenciu neverili všetci. Prvé náznaky možnosti vzniku čiernych dier však obsahovala už všeobecná teória relativity A. Einsteina, vytvorená v roku 1915. Anglický astronóm Arthur Eddington, jeden z prvých interpretov a popularizátorov teórie relativity, odvodil v 30. rokoch 20. storočia systém rovníc opisujúcich vnútorná štruktúra hviezdy. Z nich vyplýva, že hviezda je v rovnováhe pôsobením opačne smerujúcich gravitačných síl a vnútorného tlaku vytváraného pohybom horúcich častíc plazmy vo vnútri svietidla a tlakom žiarenia vznikajúceho v jeho hĺbkach. A to znamená, že hviezda je plynová guľa, v strede ktorej je vysoká teplota, ktorá smerom k periférii postupne klesá. Z rovníc predovšetkým vyplynulo, že povrchová teplota Slnka je asi 5500 stupňov (čo je celkom v súlade s údajmi astronomických meraní) a v jeho strede by malo byť asi 10 miliónov stupňov. To umožnilo Eddingtonovi urobiť prorocký záver: pri takejto teplote sa „zapáli termonukleárna reakcia“, dostatočná na zabezpečenie žiary Slnka. Vtedajší atómoví fyzici s tým nesúhlasili. Zdalo sa im, že v útrobách hviezdy je príliš "chladno": teplota tam bola nedostatočná na to, aby reakcia "išla". Na to rozzúrený teoretik odpovedal: "Hľadaj teplejšie miesto!"
A nakoniec sa ukázalo, že mal pravdu: v strede hviezdy skutočne prebieha termonukleárna reakcia (iná vec je, že takzvaný „štandardný solárny model“, založený na predstavách o termonukleárnej fúzii, sa zjavne ukázal ako byť nesprávny – pozri napr. „Veda a život“ č. 2, 3, 2000). Napriek tomu reakcia v strede hviezdy prebieha, hviezda svieti a žiarenie, ktoré v tomto prípade vzniká, ju udržuje v stabilnom stave. Teraz však jadrové „palivo“ vo hviezde dohorí. Uvoľňovanie energie sa zastaví, žiarenie zhasne a sila zadržiavajúca gravitačnú príťažlivosť zmizne. Existuje limit hmotnosti hviezdy, po ktorom sa hviezda začne nezvratne zmenšovať. Výpočty ukazujú, že k tomu dôjde, ak hmotnosť hviezdy presiahne dve alebo tri hmotnosti Slnka.
GRAVITAČNÝ KOLAPS
Spočiatku je rýchlosť kontrakcie hviezdy malá, ale jej rýchlosť sa neustále zvyšuje, pretože sila príťažlivosti je nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti. Stlačenie sa stáva nezvratným, neexistujú žiadne sily schopné pôsobiť proti vlastnej gravitácii. Tento proces sa nazýva gravitačný kolaps. Rýchlosť obalu hviezdy smerom k jej stredu sa zvyšuje a blíži sa k rýchlosti svetla. A tu začínajú hrať rolu účinky teórie relativity.
Úniková rýchlosť bola vypočítaná na základe newtonovských predstáv o povahe svetla. Z hľadiska všeobecnej relativity sa javy v okolí kolabujúcej hviezdy vyskytujú trochu inak. V jej mohutnom gravitačnom poli dochádza k takzvanému gravitačnému červenému posunu. To znamená, že frekvencia žiarenia prichádzajúceho z masívneho objektu je posunutá smerom k nízkym frekvenciám. V limite, na hranici Schwarzschildovej gule, sa frekvencia žiarenia rovná nule. To znamená, že pozorovateľ, ktorý je mimo nej, nebude môcť zistiť nič o tom, čo sa deje vo vnútri. Preto sa Schwarzschildova sféra nazýva horizont udalostí.
Zníženie frekvencie sa však rovná spomaleniu času a keď sa frekvencia zníži na nulu, čas sa zastaví. To znamená, že vonkajší pozorovateľ uvidí veľmi zvláštny obraz: škrupina hviezdy, ktorá padá so zvyšujúcim sa zrýchlením, namiesto toho, aby dosiahla rýchlosť svetla, sa zastaví. Z jeho pohľadu sa kontrakcia zastaví, len čo sa veľkosť hviezdy priblíži ku gravitačnému polomeru
fúzy. Nikdy neuvidí ani jednu časticu „potápajúcu sa“ pod Schwarzschildovou guľou. No pre hypotetického pozorovateľa padajúceho do čiernej diery sa všetko podľa jeho hodiniek skončí v priebehu chvíľky. Čas gravitačného kolapsu hviezdy veľkosti Slnka bude teda 29 minút a oveľa hustejšej a kompaktnejšej neutrónovej hviezdy - iba 1/20 000 sekundy. A tu má problémy spojené s geometriou časopriestoru v blízkosti čiernej diery.
Pozorovateľ vstupuje do zakriveného priestoru. V blízkosti gravitačného polomeru sa gravitačné sily nekonečne zväčšujú; natiahnu raketu s astronautom-pozorovateľom do nekonečne tenkého vlákna nekonečnej dĺžky. Ale on sám si to nevšimne: všetky jeho deformácie budú zodpovedať skresleniam časopriestorových súradníc. Tieto úvahy sa samozrejme vzťahujú na ideálny, hypotetický prípad. Akékoľvek skutočné telo bude roztrhané slapovými silami dlho predtým, než sa priblíži k Schwarzschildovej sfére.
ROZMERY ČIERNYCH DIER
Veľkosť čiernej diery alebo skôr polomer Schwarzschildovej gule je úmerný hmotnosti hviezdy. A keďže astrofyzika nekladie žiadne obmedzenia na veľkosť hviezdy, čierna diera môže byť ľubovoľne veľká. Ak by napríklad vznikla pri kolapse hviezdy s hmotnosťou 10 8 hmotností Slnka (alebo v dôsledku splynutia státisícov, ba až miliónov relatívne malých hviezd), jej polomer by bol asi 300 miliónov kilometrov, dvojnásobok obehu Zeme. A priemerná hustota látky takého obra je blízka hustote vody.
Zrejme presne takéto čierne diery sa nachádzajú v centrách galaxií. V každom prípade astronómovia dnes počítajú asi päťdesiat galaxií, v strede ktorých, súdiac podľa nepriamych znakov (povieme si o nich nižšie), sú čierne diery s hmotnosťou asi miliardy (10 9) slnečných. Zdá sa, že aj naša Galaxia má svoju čiernu dieru; jeho hmotnosť bola odhadnutá pomerne presne - 2,4. 10 6 ±10 % hmotnosti Slnka.
Teória predpokladá, že spolu s takýmito supergiantmi mali vzniknúť čierne minidiery s hmotnosťou asi 10 14 g a polomerom asi 10 -12 cm (veľkosť atómového jadra). Mohli sa objaviť v prvých momentoch existencie Vesmíru ako prejav veľmi silnej nehomogenity časopriestoru s kolosálnou hustotou energie. Podmienky, ktoré vtedy existovali vo vesmíre, si teraz výskumníci uvedomujú na silných zrážačoch (urýchľovačoch na zrážaných lúčoch). Experimenty v CERN-e začiatkom tohto roka umožnili získať kvark-gluónovú plazmu – hmotu, ktorá existovala pred objavením sa elementárnych častíc. Výskum tohto stavu hmoty pokračuje v Brookhavene, americkom urýchľovacom centre. Je schopný urýchliť častice na energie o jeden a pol až dva rády vyššie ako urýchľovač v
CERN. Nadchádzajúci experiment vyvolal vážne obavy: vznikne pri jeho realizácii čierna minidiera, ktorá ohne náš priestor a zničí Zem?
Tento strach vyvolal takú silnú odozvu, že vláda USA bola nútená zvolať autoritatívnu komisiu, aby túto možnosť otestovala. Komisia, ktorá pozostávala z významných výskumníkov, dospela k záveru, že energia urýchľovača je príliš nízka na to, aby vznikla čierna diera (tento experiment je popísaný v časopise Nauka i Zhizn, č. 3, 2000).
AKO VIDIEŤ NEVIDITEĽNÉ
Čierne diery nevyžarujú nič, dokonca ani svetlo. Astronómovia sa ich však naučili vidieť, či skôr nájsť „kandidátov“ na túto úlohu. Existujú tri spôsoby, ako odhaliť čiernu dieru.
1. Je potrebné sledovať obeh hviezd v zhlukoch okolo určitého ťažiska. Ak sa ukáže, že v tomto strede nič nie je a hviezdy sa točia akoby okolo prázdneho miesta, dá sa s dostatočnou istotou povedať: v tejto „prázdnote“ je čierna diera. Práve na tomto základe sa predpokladala prítomnosť čiernej diery v strede našej Galaxie a odhadla sa jej hmotnosť.
2. Čierna diera do seba aktívne nasáva hmotu z okolitého priestoru. Dopadá naň špirálovito medzihviezdny prach, plyn, hmota blízkych hviezd a vytvára takzvaný akrečný disk, podobný prstencu Saturnu. (Práve toto bolo desivé na experimente v Brookhavene: čierna minidiera, ktorá vznikla v urýchľovači, začne nasávať Zem do seba a tento proces nebolo možné zastaviť žiadnou silou.) Pri približovaní sa k Schwarzschildovej sfére zažívajú častice zrýchlenie a začnú vyžarovať v oblasti röntgenového žiarenia. Toto žiarenie má charakteristické spektrum podobné dobre preštudovanému žiareniu častíc urýchlených v synchrotróne. A ak takéto žiarenie pochádza z nejakej oblasti Vesmíru, môžeme s istotou povedať, že tam musí byť čierna diera.
3. Pri splynutí dvoch čiernych dier vzniká gravitačné žiarenie. Vypočítalo sa, že ak je hmotnosť každého z nich približne desať hmôt Slnka, potom keď sa v priebehu niekoľkých hodín spoja, uvoľní sa energia zodpovedajúca 1 % ich celkovej hmotnosti vo forme gravitačných vĺn. To je tisíckrát viac ako svetlo, teplo a iná energia, ktorú Slnko vyžarovalo za celú dobu svojej existencie – päť miliárd rokov. Dúfajú, že sa im podarí odhaliť gravitačné žiarenie pomocou gravitačných vlnových observatórií LIGO a ďalších, ktoré sa teraz budujú v Amerike a Európe za účasti ruských výskumníkov (pozri „Veda a život“ č. 5, 2000).
A predsa, hoci astronómovia nepochybujú o existencii čiernych dier, nikto nemôže kategoricky tvrdiť, že práve jedna z nich sa nachádza v danom bode vesmíru. Vedecká etika, svedomitosť výskumníka si vyžaduje jednoznačnú odpoveď na položenú otázku, ktorá netoleruje rozpory. Nestačí odhadnúť hmotnosť neviditeľného predmetu, treba zmerať jeho polomer a ukázať, že nepresahuje Schwarzschildovský. A ani v rámci našej Galaxie tento problém ešte nie je vyriešený. Vedci preto prejavujú istú zdržanlivosť pri podávaní správ o svojom objave a vedecké časopisy sú doslova plné správ o teoretických prácach a pozorovaniach účinkov, ktoré môžu vniesť svetlo do ich záhady.
Je pravda, že čierne diery majú ešte jednu teoreticky predpovedanú vlastnosť, ktorá by ich možno umožnila vidieť. Avšak pod jednou podmienkou: hmotnosť čiernej diery musí byť oveľa menšia ako hmotnosť Slnka.
ČIERNA DIERA MÔŽE BYŤ „BIELA“
Po dlhú dobu boli čierne diery považované za stelesnenie temnoty, objekty, ktoré vo vákuu, pri absencii absorpcie hmoty, nič nevyžarujú. Slávny anglický teoretik Stephen Hawking však v roku 1974 ukázal, že čiernym dieram možno priradiť teplotu, a preto musia vyžarovať.
Podľa konceptov kvantovej mechaniky nie je vákuum prázdnota, ale akási „pena časopriestoru“, miska virtuálnych (v našom svete nepozorovateľných) častíc. Fluktuácie kvantovej energie sú však schopné „vyhodiť“ pár častica-antičastica z vákua. Napríklad, keď sa zrazia dve alebo tri gama kvantá, elektrón a pozitrón sa objavia ako z ničoho. Tento a podobné javy boli opakovane pozorované v laboratóriách.
Práve kvantové fluktuácie určujú procesy žiarenia z čiernych dier. Ak dvojica častíc s energiami E a -E(celková energia páru je nulová), vzniká v okolí Schwarzschildovej gule, ďalší osud častíc bude iný. Môžu zničiť takmer okamžite alebo ísť spolu pod horizont udalostí. V tomto prípade sa stav čiernej diery nezmení. Ale ak sa pod horizont dostane len jedna častica, pozorovateľ zaregistruje ďalšiu a bude sa mu zdať, že ju vytvorila čierna diera. V tomto prípade čierna diera, ktorá absorbovala časticu s energiou -E, zníži svoju energiu a s energiou E- zvýšiť.
Hawking vypočítal rýchlosti, ktorými všetky tieto procesy prebiehajú, a dospel k záveru, že pravdepodobnosť absorpcie častíc s negatívnou energiou je vyššia. To znamená, že čierna diera stráca energiu a hmotu – vyparuje sa. Navyše vyžaruje ako úplne čierne teleso s teplotou T = 6 . 10 -8 M s / M kelvinov, kde M c je hmotnosť Slnka (2,1033 g), M je hmotnosť čiernej diery. Tento jednoduchý vzťah ukazuje, že teplota čiernej diery s hmotnosťou šesťkrát viac ako Slnko je sto milióntina stupňa. Je jasné, že takto chladné teleso nevyžaruje prakticky nič a všetky vyššie uvedené argumenty zostávajú v platnosti. Ďalšia vec - mini-diery. Je ľahké vidieť, že s hmotnosťou 10 14 -10 30 gramov sa zohrievajú na desiatky tisíc stupňov a sú rozpálené do biela! Malo by sa však okamžite poznamenať, že neexistujú žiadne rozpory s vlastnosťami čiernych dier: toto žiarenie je vyžarované vrstvou nad Schwarzschildovou sférou a nie pod ňou.
Čierna diera, ktorá sa zdala byť navždy zamrznutým objektom, teda skôr či neskôr zmizne a vyparí sa. Navyše, ako sa „schudne“, rýchlosť vyparovania sa zvyšuje, no aj tak to trvá extrémne dlho. Odhaduje sa, že miniotvory s hmotnosťou 10 14 gramov, ktoré sa objavili bezprostredne po Veľkom tresku pred 10-15 miliardami rokov, by sa do našej doby mali úplne vypariť. V poslednom štádiu ich života dosahuje ich teplota kolosálnu hodnotu, takže produktom vyparovania musia byť častice s extrémne vysokou energiou. Je možné, že práve oni generujú široké atmosférické spŕšky – EAS v zemskej atmosfére. V každom prípade je pôvod anomálne vysokoenergetických častíc ďalším dôležitým a zaujímavým problémom, ktorý môže úzko súvisieť s nemenej vzrušujúcimi otázkami fyziky čiernych dier.
