Din ce este făcută o gaură neagră. Găuri negre pentru „manechine”: structură, tipuri, explicații. Tipuri de găuri negre

Găurile negre sunt probabil cele mai misterioase obiecte din univers. Cu excepția cazului în care, desigur, există lucruri ascunse undeva în adâncuri, a căror existență nu o cunoaștem și nu o putem cunoaște, ceea ce este puțin probabil. Găurile negre sunt masă și densitate colosale, comprimate într-un singur punct cu o rază mică. Proprietățile fizice ale acestor obiecte sunt atât de ciudate încât îi descurcă pe cei mai sofisticați fizicieni și astrofizicieni. Sabine Hossfender, fizician teoretic, a compilat o selecție de zece fapte despre găurile negre pe care toată lumea ar trebui să le cunoască.

Ce este o gaură neagră?

Proprietatea definitorie a unei găuri negre este orizontul său. Aceasta este o graniță dincolo de care nimic, nici măcar lumina, nu va mai putea reveni. Dacă o zonă detașată se detașează pentru totdeauna, vorbim despre un „orizont de evenimente”. Dacă este separat doar temporar, vorbim despre „orizontul vizibil”. Dar acest „temporar” ar putea însemna, de asemenea, că regiunea va fi separată mult mai mult decât era actuală a universului. Dacă orizontul găurii negre este temporar, dar de lungă durată, diferența dintre prima și a doua este neclară.

Cât de mari sunt găurile negre?

Vă puteți imagina orizontul unei găuri negre ca o sferă, iar diametrul acesteia va fi direct proporțional cu masa găurii negre. Prin urmare, cu cât cade mai multă masă în gaura neagră, cu atât gaura neagră devine mai mare. În comparație cu obiectele stelare, găurile negre sunt însă mici, deoarece masa este comprimată în volume foarte mici sub influența presiunii gravitaționale irezistibile. Raza unei găuri negre cu o masă de planetă Pământ, de exemplu, este de doar câțiva milimetri. Aceasta este de 10.000.000.000 de ori mai mică decât raza actuală a Pământului.

Raza unei găuri negre se numește raza Schwarzschild după Karl Schwarzschild, care a dedus mai întâi găurile negre ca soluție la teoria generală a relativității a lui Einstein.

Ce se întâmplă la orizont?

Când treci orizontul, nu se întâmplă nimic special în jurul tău. Totul datorită principiului echivalenței lui Einstein, din care rezultă că nu puteți găsi diferența dintre accelerația din spațiul plat și câmpul gravitațional, care creează curbura spațiului. Cu toate acestea, un observator departe de gaura neagră care urmărește pe altcineva căzând în ea va observa că persoana se va mișca din ce în ce mai încet, apropiindu-se de orizont. Este ca și cum timpul se mișcă mai încet lângă orizontul evenimentelor decât se îndepărtează de orizont. Cu toate acestea, va trece ceva timp, iar observatorul care cade în gaură va traversa orizontul evenimentelor și se va regăsi în raza Schwarzschild.

Ceea ce experimentați la orizont depinde de forțele de maree ale câmpului gravitațional. Forțele de maree de la orizont sunt invers proporționale cu pătratul masei găurii negre. Aceasta înseamnă că cu cât gaura neagră este mai mare și mai masivă, cu atât este mai puțină forță. Și dacă doar gaura neagră este suficient de masivă, puteți traversa orizontul înainte de a observa chiar că se întâmplă ceva. Efectul acestor forțe de maree vă va întinde: termenul tehnic pe care îl folosesc fizicienii pentru aceasta este spaghetificare.

În primele zile ale relativității generale, se credea că există o singularitate la orizont, dar acest lucru sa dovedit a nu fi cazul.

Ce este în interiorul unei găuri negre?

Nimeni nu știe sigur, dar cu siguranță nu raftul. prezice că există o singularitate într-o gaură neagră, un loc în care forțele mareelor ​​devin infinit de mari și, odată ce treci orizontul evenimentelor, nu mai poți merge altundeva decât singularitatea. În consecință, este mai bine să nu folosiți relativitatea generală în aceste locuri - pur și simplu nu funcționează. Pentru a spune ce se întâmplă în interiorul unei găuri negre, avem nevoie de o teorie a gravitației cuantice. În general, este acceptat faptul că această teorie va înlocui singularitatea cu altceva.

Cum se formează găurile negre?

În prezent cunoaștem patru moduri diferite de formare a găurilor negre. Cel mai bine înțeles este asociat cu colapsul stelar. O stea suficient de mare formează o gaură neagră după ce fuziunea sa nucleară se oprește, deoarece tot ceea ce ar putea fi deja sintetizat a fost sintetizat. Când presiunea creată prin fuziune încetează, materia începe să cadă spre propriul centru gravitațional, devenind din ce în ce mai densă. În cele din urmă, devine atât de dens încât nimic nu poate depăși efectul gravitațional pe suprafața stelei: așa se naște o gaură neagră. Aceste găuri negre sunt numite „găuri negre cu masă solară” și sunt cele mai frecvente.

Următorul tip comun de gaură neagră este „găurile negre supermasive”, care pot fi găsite în centrele multor galaxii și au mase de aproximativ un miliard de ori mai mari decât găurile negre solare. Nu se știe încă cu siguranță exact cum se formează. Se crede că au început odată ca găuri negre cu masă solară care au înghițit multe alte stele în centre galactice dens populate și au crescut. Cu toate acestea, ele par să absoarbă materia mai repede decât sugerează această idee simplă și modul în care o fac exact este încă o chestiune de cercetare.

O idee mai controversată a devenit găurile negre primordiale, care ar fi putut fi formate de practic orice masă cu fluctuații mari de densitate în universul timpuriu. Deși este posibil, este dificil să găsești un model care să le producă fără a le crea excesiv.

În cele din urmă, există ideea foarte speculativă că mici găuri negre cu mase apropiate de cea a bosonului Higgs s-ar putea forma la Large Hadron Collider. Acest lucru funcționează numai dacă universul nostru are dimensiuni suplimentare. Până în prezent, nu a existat nicio confirmare în favoarea acestei teorii.

De unde știm că există găuri negre?

Avem o mulțime de dovezi observaționale pentru obiecte compacte cu mase mari care nu emit lumină. Aceste obiecte se cedează prin atracție gravitațională, de exemplu, datorită mișcării altor stele sau a norilor de gaz în jurul lor. De asemenea, creează lentile gravitaționale. Știm că aceste obiecte nu au o suprafață solidă. Acest lucru rezultă din observații, deoarece materia care cade pe un obiect cu o suprafață ar trebui să provoace eliberarea mai multor particule decât materia care cade prin orizont.

De ce a spus Hawking anul trecut că găurile negre nu există?

El a vrut să spună că găurile negre nu au un orizont etern de evenimente, ci doar un orizont aparent temporar (vezi paragraful unu). În sens strict, doar orizontul evenimentelor este considerat o gaură neagră.

Cum emit gauri negre radiații?

Găurile negre emit radiații datorită efectelor cuantice. Este important de reținut că acestea sunt efecte cuantice ale materiei, nu efecte cuantice ale gravitației. Spațiul timp dinamic al unei găuri negre care se prăbușește schimbă însăși definiția unei particule. La fel ca trecerea timpului, care este distorsionată lângă o gaură neagră, conceptul de particule este prea dependent de observator. În special, atunci când un observator care cade într-o gaură neagră crede că cade în vid, un observator departe de gaura neagră crede că acesta nu este un vid, ci un spațiu plin de particule. Extinderea spațiului-timp este cea care provoacă acest efect.

Descoperită pentru prima dată de Stephen Hawking, radiația emisă de o gaură neagră se numește radiație Hawking. Această radiație are o temperatură invers proporțională cu masa găurii negre: cu cât este mai mică gaura neagră, cu atât este mai mare temperatura. Găurile negre stelare și supermasive despre care știm că au temperaturi mult sub temperatura fundalului microundelor și, prin urmare, nu sunt observate.

Ce este un paradox al informației?

Paradoxul pierderii informațiilor este cauzat de radiația Hawking. Această radiație este pur termică, adică are doar temperatura întâmplător și cu anumite proprietăți. Radiațiile în sine nu conțin informații despre modul în care s-a format gaura neagră. Dar când o gaură neagră emite radiații, pierde masa și se contractă. Toate acestea sunt complet independente de substanța care a devenit parte a găurii negre sau din care a fost formată. Se pare că, cunoscând doar starea finală de evaporare, nu se poate spune din ce s-a format gaura neagră. Acest proces este „ireversibil” - iar priza este că nu există un astfel de proces în mecanica cuantică.

Se pare că evaporarea unei găuri negre este incompatibilă cu teoria cuantică așa cum o cunoaștem și trebuie să se facă ceva în legătură cu aceasta. Eliminați cumva inconsecvența. Majoritatea fizicienilor cred că soluția este că radiația Hawking trebuie să conțină cumva informații.

Ce propune Hawking pentru a rezolva paradoxul informațional al găurii negre?

Ideea este că găurile negre trebuie să aibă o modalitate de a stoca informații care nu au fost încă acceptate. Informațiile sunt stocate la orizontul unei găuri negre și pot provoca mici deplasări de particule în radiația Hawking. În aceste mici deplasări, pot exista informații despre materia prinsă. În prezent, detaliile exacte ale acestui proces sunt neclare. Oamenii de știință așteaptă o carte albă mai detaliată de la Stephen Hawking, Malcolm Perry și Andrew Strominger. Ei spun că va apărea la sfârșitul lunii septembrie.

Pe acest moment suntem siguri că există găuri negre, știm unde sunt, cum se formează și ce vor deveni în cele din urmă. Dar detaliile despre unde ajung informațiile reprezintă încă unul dintre cele mai mari mistere ale universului.

Dintre toate obiectele cunoscute omenirii care se află în spațiul cosmic, găurile negre fac impresia cea mai ciudată și de neînțeles. Această senzație acoperă aproape fiecare persoană când menționează găurile negre, în ciuda faptului că omenirea a devenit conștientă de ele de mai bine de un secol și jumătate. Primele cunoștințe despre aceste fenomene au fost obținute cu mult înainte de publicațiile lui Einstein despre teoria relativității. Dar confirmarea reală a existenței acestor obiecte a fost primită nu cu mult timp în urmă.

Desigur, găurile negre sunt renumite pentru caracteristicile lor fizice ciudate, care dau naștere la mai multe mistere în univers. Ei contestă cu ușurință toate legile cosmice ale fizicii și mecanicii cosmice. Pentru a înțelege toate detaliile și principiile existenței unui astfel de fenomen ca o gaură cosmică, trebuie să ne familiarizăm cu realizările moderne în astronomie și să aplicăm imaginația, în plus, va trebui să depășim conceptele standard. Pentru o mai bună înțelegere și familiarizare cu găurile spațiale, site-ul portalului a pregătit o mulțime de informații interesante care se referă la aceste fenomene din Univers.

Caracteristicile găurilor negre de pe site-ul portalului

În primul rând, trebuie remarcat faptul că găurile negre nu ies de nicăieri, sunt formate din stele cu dimensiuni și mase gigantice. În plus, cea mai mare caracteristică și unicitate a oricărei găuri negre este că au o atracție gravitațională foarte puternică. Forța de atracție a obiectelor către o gaură neagră depășește a doua viteză cosmică. Astfel de indicatori de gravitație indică faptul că nici razele de lumină nu pot scăpa din câmpul de acțiune al unei găuri negre, deoarece au o viteză mult mai mică.

O caracteristică a atracției poate fi numită faptul că atrage toate obiectele aflate în imediata apropiere. Cu cât obiectul care trece în vecinătatea găurii negre este mai mare, cu atât va avea mai multă influență și atracție. În consecință, putem concluziona că cu cât obiectul este mai mare, cu atât este mai mult atras de gaura neagră și, pentru a evita o astfel de influență, corpul spațial trebuie să aibă indicatori de mișcare de viteză foarte mare.

De asemenea, se poate observa cu încredere că în întregul Univers nu există un astfel de corp care să evite atracția unei găuri negre, aflându-se în imediata apropiere, deoarece nici cel mai rapid flux de lumină cu viteză nu poate evita această influență. Teoria relativității, dedusă de Einstein, este excelentă pentru înțelegerea trăsăturilor găurilor negre. Conform acestei teorii, gravitația este capabilă să influențeze timpul și distorsiunea spațiului. De asemenea, spune că cu cât obiectul este mai mare în spațiul cosmic, cu atât încetinește timpul. În vecinătatea găurii negre în sine, timpul pare să se oprească cu totul. Dacă o navă spațială a lovit câmpul de acțiune al unei găuri spațiale, s-ar putea observa cum ar încetini atunci când se apropie și, în cele din urmă, va dispărea cu totul.

Nu vă temeți de fenomene precum găurile negre și credeți toate informațiile neștiințifice care pot exista în acest moment. În primul rând, trebuie să risipiți cel mai comun mit conform căruia găurile negre pot aspira toată materia și obiectele din jurul lor și, în același timp, cresc și absorb din ce în ce mai mult. Toate acestea nu sunt pe deplin adevărate. Da, într-adevăr, pot absorbi corpurile și materia cosmică, dar numai cele care se află la o anumită distanță de gaura însăși. În afară de gravitatea lor puternică, ele nu sunt mult diferite de stelele obișnuite cu masă gigantică. Chiar și atunci când Soarele nostru se transformă într-o gaură neagră, va putea trage numai obiecte situate la mică distanță și toate planetele vor rămâne rotitoare pe orbita lor obișnuită.

Trecând la teoria relativității, putem concluziona că toate obiectele cu gravitație puternică pot afecta curbura timpului și a spațiului. În plus, cu cât masa corpului este mai mare, cu atât va fi mai mare distorsiunea. Deci, destul de recent, oamenii de știință au reușit să vadă acest lucru în practică, când a fost posibil să contemplăm alte obiecte care ar fi trebuit să fie inaccesibile ochilor noștri datorită corpurilor cosmice uriașe, cum ar fi galaxiile sau găurile negre. Toate acestea sunt posibile datorită faptului că razele de lumină care trec în apropierea unei găuri negre sau a altui corp se îndoaie foarte puternic sub influența gravitației lor. Acest tip de distorsiune permite oamenilor de știință să privească mult mai departe în spațiul cosmic. Dar, cu astfel de studii, este foarte dificil să se determine locația reală a corpului investigat.

Găurile negre nu apar de nicăieri, se formează ca urmare a exploziei stelelor supermasive. Mai mult, pentru a se forma o gaură neagră, masa stelei explodate trebuie să fie de cel puțin zece ori mai mare decât masa Soarelui. Fiecare stea există datorită reacțiilor termonucleare care au loc în interiorul stelei. În acest caz, un aliaj de hidrogen este eliberat în procesul de sinteză, dar, de asemenea, nu poate părăsi zona de acțiune a stelei, deoarece gravitația sa atrage hidrogenul înapoi. Tot acest proces permite stelelor să existe. Fuziunea hidrogenului și gravitatea unei stele sunt mecanisme destul de bine unse, dar un dezechilibru în acest echilibru poate duce la o explozie a stelei. În majoritatea cazurilor, este cauzată de epuizarea combustibilului nuclear.

În funcție de masa stelei, sunt posibile mai multe scenarii ale dezvoltării lor după explozie. Deci, stelele masive formează un câmp de explozie de supernovă, iar cele mai multe dintre ele rămân în spatele nucleului fostei stele, astronauții numind astfel de obiecte pitici albi. În cele mai multe cazuri, în jurul acestor corpuri se formează un nor de gaz, care este ținut de gravitatea acestui pitic. Este posibilă și o altă modalitate de dezvoltare a stelelor supermasive, în care gaura neagră rezultată va atrage foarte puternic toată materia stelei spre centrul său, ceea ce va duce la o compresie puternică.

Astfel de corpuri comprimate sunt denumite stele de neutroni. În cele mai rare cazuri, după explozia unei stele, formarea unei găuri negre este posibilă în înțelegerea acestui fenomen. Dar pentru ca o gaură să fie creată, masa stelei trebuie să fie gigantică. În acest caz, când echilibrul reacțiilor nucleare este perturbat, gravitatea stelei pur și simplu o ia razna. În același timp, începe să se prăbușească activ, după care devine doar un punct în spațiu. Cu alte cuvinte, putem spune că steaua ca obiect fizic încetează să mai existe. Deși dispare, în spatele ei se formează o gaură neagră cu aceeași gravitație și masă.

Prăbușirea stelelor duce la faptul că dispar complet și, în locul lor, se formează o gaură neagră cu aceleași proprietăți fizice ca și steaua dispărută. Singura diferență este gradul de compresie mai mare al găurii decât volumul stelei. Cea mai importantă caracteristică a tuturor găurilor negre este singularitatea lor, care determină centrul acesteia. Această zonă este opusă tuturor legilor fizicii, materiei și spațiului, care încetează să mai existe. Pentru a înțelege conceptul de singularitate, putem spune că aceasta este o barieră, care se numește orizontul evenimentelor cosmice. Este, de asemenea, limita exterioară a acțiunii găurii negre. Singularitatea poate fi numită punctul de neîntoarcere, deoarece tocmai acolo începe să acționeze gravitația gigantică a găurii. Chiar și lumina care traversează această barieră este incapabilă să scape.

Orizontul evenimentelor are un efect atât de atractiv încât atrage toate corpurile cu viteza luminii, odată cu apropierea de gaura neagră, indicatorii de viteză cresc și mai mult. De aceea toate obiectele care cad în zona de acțiune a acestei forțe sunt sortite să fie trase de o gaură. Trebuie remarcat faptul că astfel de forțe sunt capabile să modifice un corp, care a căzut în forța acțiunii unei astfel de atracții, după care se întind într-un șir subțire și apoi încetează complet să mai existe în spațiu.

Distanța dintre orizontul evenimentului și singularitate poate fi diferită, acest spațiu se numește raza Schwarzschild. De aceea, cu cât dimensiunea găurii negre este mai mare, cu atât raza de acțiune va fi mai mare. De exemplu, putem spune că o gaură neagră, care ar fi la fel de masivă ca Soarele nostru, ar avea o rază Schwarzschild de trei kilometri. În consecință, găurile negre mari au o gamă mai mare.

Găsirea găurilor negre este destul de dificilă, deoarece lumina nu poate scăpa de ele. Prin urmare, căutarea și determinarea se bazează doar pe dovezi indirecte ale existenței lor. Cea mai simplă metodă de a le găsi, pe care oamenii de știință o folosesc, este să le caute găsind locuri într-un spațiu întunecat, dacă au o masă mare. În majoritatea cazurilor, astronomii reușesc să găsească găuri negre în sistemele stelare binare sau în centrele galaxiilor.

Majoritatea astronomilor tind să creadă că există și o gaură neagră super-puternică în centrul galaxiei noastre. Această afirmație pune întrebarea, poate această gaură să înghită totul în galaxia noastră? În realitate, acest lucru este imposibil, deoarece gaura în sine are aceeași masă ca și stelele, deoarece este creată din stea. Mai mult, toate calculele oamenilor de știință nu prezintă niciun eveniment global asociat acestui obiect. Mai mult, pentru încă miliarde de ani, corpurile cosmice ale galaxiei noastre se vor învârti în liniște în jurul acestei găuri negre, fără nicio modificare. Undele de raze X înregistrate de oamenii de știință pot servi drept dovadă a existenței unei găuri în centrul Căii Lactee. Și majoritatea astronomilor tind să creadă că găurile negre le emit activ în cantități uriașe.

Destul de des în galaxia noastră, există sisteme de stele formate din două stele și adesea una dintre ele poate deveni o gaură neagră. În această versiune, gaura neagră absoarbe toate corpurile din calea sa, în timp ce materia începe să se rotească în jurul ei, datorită căreia se formează așa-numitul disc de accelerare. O caracteristică poate fi numită faptul că crește viteza de rotație și se apropie de centru. Este materia care cade în mijlocul găurii negre și emite raze X, iar materia în sine este distrusă.

Sistemele stelare binare sunt primii candidați la statutul de gaură neagră. În astfel de sisteme, este cel mai ușor să găsești o gaură neagră; datorită volumului unei stele vizibile, pot fi calculați și indicatorii unui frate invizibil. În prezent, primul candidat la statutul de gaură neagră poate fi o stea din constelația Cygnus, care emite în mod activ raze X.

Trăgând o concluzie din toate cele de mai sus despre găurile negre, putem spune că nu sunt un fenomen atât de periculos, desigur, în cazul apropierii, acestea sunt cele mai puternice obiecte din spațiul cosmic datorită forței gravitaționale. Prin urmare, putem spune că nu sunt deosebit de diferiți de alte corpuri, caracteristica lor principală este un câmp gravitațional puternic.

Un număr mare de teorii au fost propuse cu privire la scopul găurilor negre, dintre care unele au fost chiar absurde. Deci, potrivit unuia dintre ei, oamenii de știință credeau că găurile negre ar putea da naștere la noi galaxii. Această teorie se bazează pe faptul că lumea noastră este un loc destul de favorabil pentru originea vieții, dar dacă unul dintre factori se schimbă, viața ar fi imposibilă. Din această cauză, singularitatea și trăsăturile schimbării proprietăți fiziceîn găurile negre poate da naștere unui univers complet nou, care va fi semnificativ diferit de al nostru. Dar aceasta este doar o teorie și destul de slabă datorită faptului că nu există dovezi ale unui astfel de efect al găurilor negre.

În ceea ce privește găurile negre, nu numai că pot absorbi materia, dar se pot evapora și ele. Un fenomen similar a fost dovedit în urmă cu câteva decenii. Această evaporare poate duce la faptul că gaura neagră își va pierde toată masa și apoi va dispărea cu totul.

Toate acestea sunt cele mai mici informații despre găurile negre pe care le puteți găsi pe site. De asemenea, avem o cantitate imensă de informații interesante despre alte fenomene spațiale.

Găurile negre sunt ceva cu adevărat uimitor. Poate pentru că ni se par a fi animale prădătoare invizibile care se ascund în spațiul negru. Și uneori sfâșie stele care zboară fără să vrea și își împrăștie rămășițele prin spațiu. Oricum ar fi, aceste obiecte spațiale ciudate continuă să captiveze oamenii de știință și pasionații de astronomie.

Prădătorii Universului

Deci, de unde provin găurile negre? Cum apar și ce le conferă o asemenea putere distructivă extraordinară?
Înainte de a obține un răspuns la această întrebare, trebuie să aflați un lucru și mai fundamental - ce este o gaură neagră?

„În general, putem presupune că o gaură neagră este un obiect a cărui atracție gravitațională este atât de puternică încât nimic nu o poate părăsi”, a spus astrofizicianul Neta Bakzal de la Universitatea Princeton. Chiar și undele luminoase sunt absorbite de acești monștri, motiv pentru care găurile negre sunt numite găuri negre.

Aceste obiecte ciudate apar ca o pasăre - un Phoenix, născut din rămășițele stelelor moarte. Când stelele masive ajung la sfârșitul vieții lor, hidrogenul care se transformă în heliu în intestinele lor se termină. Și stelele monstru încep să ardă heliu, combinând atomii rămași în elemente și mai grele. Până la călcat. Sinteza căruia nu mai oferă suficientă energie pentru a susține straturile exterioare ale stelei. Aceste straturi superioare ale stelei cad în interior și apoi explodează și sunt aruncate în spațiu într-o explozie puternică și strălucitoare numită supernova.

Cu toate acestea, o mică parte a stelei rămâne la locul său. Ecuațiile relativității generale ale lui Albert Einstein prezic că, dacă rămășițele unei stele sunt de aproximativ trei mase, forța lor gravitațională puternică va începe să absoarbă tot ceea ce le înconjoară. Și materialul din care sunt compuse aceste rămășițe va fi comprimat într-un punct infinitesimal cu densitate infinită. Legile cunoscute ale fizicii încă nu pot face față descrierii unor astfel de mărimi infinitezimale. „Aici se termină cunoștințele noastre și chiar nu știm ce se va întâmpla în continuare”, a spus Bakzal.

Nașterea unui monstru

Dacă restul stelei rămâne singur, atunci, de regulă, nimic nu se întâmplă mai departe. Dar dacă gazul și praful înconjoară un astfel de obiect, această chestiune va începe să fie absorbită de gaura neagră. În același timp, creează străluciri strălucitoare de lumină. Ele apar atunci când gazul și praful sunt încălzite. Și cu viteze mari încep să cadă într-o gaură neagră. Ca urmare a acestui proces, masa găurii negre crește, permițând acestui obiect să crească.

Dacă se întâlnesc două găuri negre, gravitatea fiecăruia îl va afecta pe celălalt. Și se vor apropia din ce în ce mai mult, rotindu-se în jurul unui centru comun de masă. Și mai devreme sau mai târziu aceste obiecte se vor ciocni. Unirea rapidă a maselor lor va zgudui țesătura spațiu-timp, trimitând unde gravitaționale puternice în toate direcțiile. În 2015, astronomii au descoperit astfel de unde gravitaționale folosind Laser Gravitational Wave Observatory (LIGO).

„Ca urmare a acestui experiment, am fost pentru prima dată capabili să identificăm semne ale existenței găurilor negre și să confirmăm că acestea există”, a spus Bakzal, adăugând că rezultatele obținute sunt, de asemenea, o confirmare excelentă a corectitudinii ecuațiilor lui Einstein. .

Găuri negre supermasive

Oamenii de știință au mai găsit dovezi circumstanțiale ale găurilor negre. Au observat stele în centrul galaxiei noastre Calea Lactee orbitând în jurul unui obiect uriaș, invizibil. Astfel de găuri negre supermasive, care ar putea avea miliarde de mase ale Soarelui nostru, sunt cu adevărat obiecte spațiale colosale, spune Bucksal.

Cercetătorii cred că aceste găuri negre supermasive au fost odată mult mai mici. La apariția lor la tineri, aveau dimensiuni destul de modeste. Pentru o lungă perioadă de timp, aceste obiecte au consumat gaz și praf și s-au contopit între ele pentru a deveni monștri colosali. Cu toate acestea, multe detalii ale acestui proces nu sunt încă pe deplin înțelese.

Dacă găsiți o eroare, selectați o bucată de text și apăsați Ctrl + Enter.

În contact cu

Găuri negre misterioase și evazive. Legile fizicii confirmă posibilitatea existenței lor în univers, dar rămân multe întrebări. Numeroase observații arată că există găuri în univers și există mai mult de un milion din aceste obiecte.

Ce sunt găurile negre?

În 1915, când s-au rezolvat ecuațiile lui Einstein, s-a prezis un fenomen precum „găurile negre”. Cu toate acestea, comunitatea științifică a devenit interesată de ele abia în 1967. Au fost apoi numiți „stele prăbușite”, „stele înghețate”.

Acum o gaură neagră este numită regiune a timpului și spațiului, care au o gravitație atât de mare încât nici o rază de lumină nu poate ieși din ea.

Cum se formează găurile negre?

Există mai multe teorii ale apariției găurilor negre, care sunt împărțite în ipotetice și realiste. Cea mai simplă și răspândită teorie realistă este teoria calapsului gravitațional al stelelor mari.

Când o stea suficient de masivă înainte de „moarte” crește în dimensiune și devine instabilă, consumând ultimul combustibil. În același timp, masa stelei rămâne neschimbată, dar dimensiunea acesteia scade pe măsură ce are loc așa-numita compactare. Cu alte cuvinte, în timpul compactării, nucleul greu „cade” în sine. În paralel cu aceasta, compactarea duce la o creștere bruscă a temperaturii în interiorul stelei și straturile exterioare ale corpului ceresc sunt rupte, din care se formează stele noi. În același timp, în centrul stelei - miezul cade în propriul său "centru". Ca rezultat al acțiunii forțelor gravitaționale, centrul se prăbușește într-un punct - adică forțele gravitației sunt atât de puternice încât absorb nucleul compactat. Așa se naște o gaură neagră, care începe să distorsioneze spațiul și timpul, astfel încât nici lumina să nu poată scăpa de ea.

Există o gaură neagră supermasivă în centrul tuturor galaxiilor. Conform teoriei relativității a lui Einstein:

„Orice masă distorsionează spațiul și timpul”.

Acum imaginați-vă cât de mult distorsionează o gaură neagră timpul și spațiul, deoarece masa sa este uriașă și, în același timp, este strânsă într-un volum foarte mic. Această abilitate creează următoarea ciudățenie:

„Găurile negre au capacitatea de a opri practic timpul și de a comprima spațiul. Din cauza acestei distorsiuni extreme, găurile devin invizibile pentru noi. "

Dacă găurile negre nu sunt vizibile, de unde știm că există?

Da, chiar dacă gaura neagră este invizibilă, dar ar trebui să fie vizibilă datorită materiei care cade în ea. Și, de asemenea, gazul stelar, care este atras de gaura neagră, atunci când se apropie de orizontul evenimentelor, temperatura gazului începe să crească la valori ultra-ridicate, ceea ce duce la o strălucire. Acesta este motivul pentru care strălucesc găurile negre. Datorită acestui fapt, deși strălucire slabă, astronomii și astrofizicienii explică prezența în centrul galaxiei a unui obiect cu un volum mic, dar o masă imensă. În acest moment, ca urmare a observațiilor, au fost descoperite aproximativ 1000 de obiecte care au un comportament similar cu găurile negre.

Găuri negre și galaxii

Cum pot afecta găurile negre galaxiile? Această întrebare îi afectează pe oamenii de știință din întreaga lume. Există o ipoteză conform căreia găurile negre din centrul galaxiei sunt cele care îi afectează forma și evoluția. Și că atunci când două galaxii se ciocnesc, găurile negre fuzionează și în timpul acestui proces este evacuată o cantitate atât de mare de energie și materie încât se formează stele noi.

Tipuri de găuri negre

• Conform teoriei existente, există trei tipuri de găuri negre: stelare, supermasive, miniaturale. Și fiecare dintre ei s-a format într-un mod special.
• - Găuri negre de mase stelare, crește până la dimensiuni uriașe și se prăbușește.
  - găurile negre supermasive, care pot avea o masă echivalentă cu milioane de sori, există cel mai probabil în centrele aproape tuturor galaxiilor, inclusiv a noastră calea Lactee... Oamenii de știință au încă diferite ipoteze pentru formarea găurilor negre supermasive. Până în prezent, se știe doar un singur lucru - găurile negre supermasive sunt un produs secundar al formării galaxiilor. Găuri negre supermasive - diferă de găurile negre obișnuite prin faptul că au o dimensiune foarte mare, dar paradoxal cu densitate mică.
• - Nimeni nu a fost încă în stare să detecteze o gaură neagră miniaturală care ar avea o masă mai mică decât Soarele. Este posibil ca găurile în miniatură să se fi putut forma la scurt timp după „Big Bang”, care este existența exactă inițială a universului nostru (acum aproximativ 13,7 miliarde de ani).
• - Mai recent, un nou concept a fost introdus ca „găuri negre albe”. Aceasta este încă o gaură neagră ipotetică, care este opusul unei gauri negre. Stephen Hawking a studiat în mod activ posibilitatea existenței găurilor albe.
• - Găuri negre cuantice - există doar teoretic până acum. Găurile negre cuantice se pot forma atunci când particulele ultra-mici se ciocnesc într-o reacție nucleară.
• - Găurile negre primordiale sunt, de asemenea, o teorie. S-au format imediat după apariție.

În acest moment, există multe întrebări deschise la care generațiile viitoare nu au încă de răspuns. De exemplu, pot exista cu adevărat așa-numitele "găuri de vierme" cu care să puteți călători prin spațiu și timp. Ce se întâmplă exact în interiorul unei găuri negre și ce legi respectă aceste fenomene. Și ce zici de dispariția informațiilor într-o gaură neagră?

Pentru a se forma o gaură neagră, este necesar să comprimăm corpul la o anumită densitate critică, astfel încât raza corpului comprimat să fie egală cu raza sa gravitațională. Magnitudinea acestei densități critice este invers proporțională cu pătratul masei găurii negre.

Pentru o gaură neagră tipică cu masă stelară ( M=10M soare), raza gravitațională este de 30 km, iar densitatea critică este de 2 · 10 14 g / cm 3, adică două sute de milioane de tone pe centimetru cub. Această densitate este foarte mare în comparație cu densitatea medie a Pământului (5,5 g / cm 3), este egală cu densitatea substanței nucleului atomic.

Pentru o gaură neagră în nucleul galactic ( M=10 10 M raza gravitațională este de 3 10 15 cm = 200 UA, care este de cinci ori distanța de la Soare la Pluton (1 unitate astronomică - distanța medie de la Pământ la Soare - este egală cu 150 milioane km sau 1,5 10 13 cm). Densitatea critică în acest caz este egală cu 0,2 · 10 –3 g / cm 3, care este de câteva ori mai mică decât densitatea aerului, egală cu 1,3 · 10 –3 g / cm 3 (!).

Pentru pământ ( M= 3 · 10 –6 M soare), raza gravitațională este apropiată de 9 mm, iar densitatea critică corespunzătoare este monstruos de mare: ρ cr = 2 · 10 27 g / cm 3, care este cu 13 ordine de mărime mai mare decât densitatea nucleului atomic.

Dacă luăm o presă sferică imaginară și comprimăm Pământul, păstrându-i masa, atunci când reducem raza Pământului (6370 km) de patru ori, a doua sa viteză cosmică se va dubla și va deveni egală cu 22,4 km / s. Dacă comprimăm Pământul astfel încât raza acestuia să devină aproximativ 9 mm, atunci a doua viteză cosmică va lua o valoare egală cu viteza luminii c= 300.000 km / s.

În plus, presa nu va fi necesară - Pământul comprimat la astfel de dimensiuni va fi deja comprimat de la sine. În cele din urmă, o gaură neagră se va forma în locul Pământului, a cărei rază a orizontului evenimentelor va fi aproape de 9 mm (dacă neglijăm rotația găurii negre formate). În condiții reale, desigur, nu există o presă super-puternică - gravitația „funcționează”. De aceea, găurile negre se pot forma numai atunci când părțile interioare ale stelelor foarte masive se prăbușesc, în care gravitația este suficient de puternică pentru a comprima materia la o densitate critică.

Evoluția stelelor

Găurile negre se formează în etapele finale ale evoluției stelelor masive. În intestinele stelelor obișnuite au loc reacții termonucleare, se eliberează energie uriașă și se menține o temperatură ridicată (zeci și sute de milioane de grade). Forțele gravitaționale tind să comprime steaua, în timp ce forțele de presiune din gazul fierbinte și radiații se opun acestei comprimări. Prin urmare, steaua se află în echilibru hidrostatic.

În plus, echilibrul termic poate exista într-o stea, când eliberarea de energie datorată reacțiilor termonucleare din centrul său este exact egală cu puterea emisă de stea de la suprafață. Odată cu contracția și expansiunea stelei, echilibrul termic este încălcat. Dacă steaua este staționară, atunci echilibrul său este stabilit astfel încât energia potențială negativă a stelei (energia de compresie gravitațională) în valoare absolută dublează întotdeauna energia termică. Din această cauză, steaua are o proprietate uimitoare - capacitate de căldură negativă. Corpurile obișnuite au o capacitate de căldură pozitivă: o bucată de fier încălzită, răcorind, adică pierzând energie, își scade temperatura. În cazul unei stele, este adevărat opusul: cu cât pierde mai multă energie sub formă de radiații, cu atât temperatura din centrul său devine mai mare.

Această caracteristică ciudată, la prima vedere, găsește o explicație simplă: steaua, care emite, se comprimă încet. Atunci când este comprimată, energia potențială este convertită în energie cinetică a straturilor care se încadrează în stea, iar interiorul acesteia este încălzit. Mai mult, energia termică dobândită de stea ca urmare a comprimării este de două ori energia pierdută sub formă de radiații. Ca rezultat, temperatura interiorului stelei crește și se efectuează o fuziune termonucleară continuă. elemente chimice... De exemplu, reacția transformării hidrogenului în heliu în Soarele actual are loc la o temperatură de 15 milioane de grade. Când, după 4 miliarde de ani, în centrul Soarelui tot hidrogenul se transformă în heliu, sinteza suplimentară a atomilor de carbon din atomii de heliu va necesita o temperatură mult mai mare, de aproximativ 100 de milioane de grade (sarcina electrică a nucleelor ​​de heliu este de două ori mai mare decât cel al nucleilor de hidrogen și pentru a apropia nucleele mai aproape de heliu la o distanță de 10 –13 cm necesită o temperatură mult mai mare). Această temperatură va fi asigurată din cauza capacității termice negative a Soarelui până la momentul aprinderii în intestinele sale a reacției termonucleare a conversiei heliului în carbon.

Pitici albi

Dacă masa unei stele este mică, astfel încât masa nucleului său, afectată de transformările termonucleare, este mai mică de 1,4 M soare, sinteza termonucleară a elementelor chimice se poate opri din cauza așa-numitei degenerări a gazelor electronice din miezul stelei. În special, presiunea unui gaz degenerat depinde de densitate, dar nu depinde de temperatură, deoarece energia mișcărilor cuantice a electronilor este mult mai mare decât energia mișcării lor termice.

Presiunea ridicată a gazului degenerat de electroni contracarează efectiv forțele de contracție gravitațională. Deoarece presiunea este independentă de temperatură, pierderea de energie de către stea sub formă de radiație nu duce la comprimarea nucleului său. În consecință, energia gravitațională nu este eliberată sub formă de căldură suplimentară. Prin urmare, temperatura din nucleul degenerat în evoluție nu crește, ceea ce duce la întreruperea lanțului de reacții termonucleare.

Învelișul exterior de hidrogen, neafectat de reacțiile termonucleare, se separă de miezul stelei și formează o nebuloasă planetară care strălucește în liniile de emisie de hidrogen, heliu și alte elemente. Miezul central compact și relativ fierbinte al unei stele evoluate cu masă mică este un pitic alb - un obiect cu o rază de ordinul razei Pământului (~ 10 4 km), cântărind mai puțin de 1,4 M soare și o densitate medie de ordinul unei tone pe centimetru cub. Piticii albi sunt abundenți. Numărul lor total în Galaxy ajunge la 10 10, adică aproximativ 10% din masa totală a materiei observate în Galaxy.

Arderea termonucleară într-o pitică albă degenerată poate fi instabilă și poate duce la explozie nucleara un pitic alb destul de masiv cu o masă apropiată de așa-numita limită Chandrasekhar (1.4 M soare). Astfel de explozii arată ca supernove de tip I, care nu au linii de hidrogen în spectrul lor, ci doar linii de heliu, carbon, oxigen și alte elemente grele.

Stele de neutroni

Dacă nucleul stelei este degenerat, atunci când masa sa se apropie de limita 1.4 M soare, degenerescența obișnuită a gazului de electroni din nucleu este înlocuită de așa-numita degenerescență relativistă.

Mișcările cuantice ale electronilor degenerați devin atât de rapide încât viteza lor se apropie de viteza luminii. În același timp, elasticitatea gazului scade, capacitatea sa de a rezista forțelor gravitaționale scade și steaua se confruntă cu colaps gravitațional. În timpul prăbușirii, electronii sunt capturați de protoni, iar materia este neutronizată. Acest lucru duce la formarea unui miez degenerat masiv al unei stele de neutroni.

Dacă masa inițială a miezului stelei depășește 1,4 M soare, atunci se atinge o temperatură ridicată în nucleu, iar degenerarea electronilor nu are loc pe tot parcursul evoluției sale. În acest caz, capacitatea de căldură negativă funcționează: pe măsură ce steaua pierde energie sub formă de radiații, temperatura din interiorul său crește și există un lanț continuu de reacții termonucleare de transformare a hidrogenului în heliu, heliului în carbon, carbonului în oxigen, și așa mai departe, până la elementele grupului de fier. Reacția de fuziune termonucleară a nucleelor ​​de elemente mai grele decât fierul, merge deja nu cu eliberarea, ci cu absorbția energiei. Prin urmare, dacă masa nucleului unei stele, formată în principal din elemente ale grupului de fier, depășește limita Chandrasekhar de 1,4 M soare, dar mai puțin decât așa-numita limită Oppenheimer - Volkov ~ 3 M soare, apoi la sfârșitul evoluției nucleare a stelei, are loc o prăbușire gravitațională a miezului, în urma căreia este expulzat învelișul exterior de hidrogen al stelei, care este observat ca o explozie de supernovă de tip II, în spectru dintre care se observă linii puternice de hidrogen.

Prăbușirea miezului de fier duce la formarea unei stele de neutroni.

Odată cu prăbușirea miezului masiv al unei stele care a atins un stadiu târziu al evoluției, temperatura crește la valori gigantice de ordinul unui miliard de grade, când nucleele atomilor încep să se destrame în neutroni și protoni. Protonii absorb electronii, se transformă în neutroni, în timp ce emit neutrini. Neutronii, conform principiului mecanic cuantic al lui Pauli, sub o puternică compresie încep să se respingă reciproc.

Când masa miezului prăbușit este mai mică de 3 M soare, viteza neutronilor este mult mai mică decât viteza luminii, iar elasticitatea materiei, datorită repulsiei eficiente a neutronilor, poate echilibra forțele gravitaționale și poate duce la formarea unei stele neutronice stabile.

Pentru prima dată, posibilitatea existenței stelelor de neutroni a fost prezisă în 1932 de remarcabilul fizician sovietic Landau imediat după descoperirea neutronului în experimentele de laborator. Raza stelei de neutroni este aproape de 10 km, densitatea sa medie este de sute de milioane de tone pe centimetru cub.

Când masa nucleului prăbușit al unei stele este mai mare de 3 M soarele, apoi, conform conceptelor existente, steaua de neutroni care se formează, răcindu-se, se prăbușește într-o gaură neagră. Prăbușirea unei stele de neutroni într-o gaură neagră este, de asemenea, facilitată de căderea inversă a unei părți a învelișului stelar expulzat în timpul unei explozii de supernova.

O stea neutronică tinde să se rotească rapid, deoarece steaua normală care o generează poate avea un moment unghiular semnificativ. Când nucleul stelei se prăbușește într-o stea cu neutroni, dimensiunea caracteristică a stelei scade de la R= 10 5 -10 6 km până la R≈ 10 km. Pe măsură ce dimensiunea stelei scade, momentul său de inerție scade. Pentru a menține impulsul unghiular, viteza de rotație axială trebuie să crească brusc. De exemplu, dacă Soarele, care se rotește cu o perioadă de aproximativ o lună, este comprimat la dimensiunea unei stele de neutroni, atunci perioada de rotație va scădea la 10 –3 secunde.

Stelele cu un singur neutron cu un câmp magnetic puternic se manifestă ca pulsari radio - surse de impulsuri strict periodice de emisie radio care apar atunci când energia rotației rapide a unei stele de neutroni este convertită în emisie radio direcționată. În sistemele binare, stelele de neutroni care se acumulează prezintă fenomenul unui pulsar cu raze X și a unui aparat de raze X de tip 1.

Într-o gaură neagră, nu trebuie așteptate pulsații strict periodice ale radiației, deoarece o gaură neagră nu are suprafață observabilă și nici câmp magnetic. După cum exprimă adesea fizicienii, găurile negre nu au „păr” - toate câmpurile și toate neomogenitățile din apropierea orizontului evenimentelor sunt emise în timpul formării unei găuri negre din materia prăbușită sub forma unui curent de unde gravitaționale. Ca rezultat, gaura neagră formată are doar trei caracteristici: masă, impuls unghiular și sarcină electrică. Toate proprietățile individuale ale substanței care se prăbușesc sunt uitate în timpul formării unei găuri negre: de exemplu, găurile negre formate din fier și din apă au aceleași caracteristici, toate celelalte lucruri fiind egale.

După cum a prezis teoria generală a relativității (GR), stelele ale căror mase de miez de fier la sfârșitul evoluției depășesc 3 M soare, experimentați o compresie nelimitată (colaps relativist) cu formarea unei găuri negre. Acest lucru se explică prin faptul că, în relativitate generală, forțele gravitaționale care se străduiesc să comprime o stea sunt determinate de densitatea energiei, iar la densitățile uriașe de materie realizate în timpul comprimării unui astfel de miez masiv al unei stele, contribuția principală la densitatea energiei nu mai este produsă de restul energiei particulelor, ci de energia mișcării și interacțiunii lor ... Se pare că, în relativitatea generală, presiunea materiei la densități foarte mari, așa cum ar fi, „cântărește” ea însăși: cu cât este mai mare presiunea, cu atât este mai mare densitatea energiei și, prin urmare, cu atât mai mari sunt forțele gravitaționale care se străduiesc să comprimă materia. În plus, sub câmpuri gravitaționale puternice, efectele curburii spațiului-timp devin fundamental importante, ceea ce contribuie și la compresia nelimitată a miezului stelei și transformarea acesteia într-o gaură neagră (Fig. 3).

În concluzie, observăm că găurile negre formate în era noastră (de exemplu, o gaură neagră în sistemul Cygnus X-1), strict vorbind, nu sunt găuri negre sută la sută, deoarece datorită încetinirii relativiste a timpului pentru o observator îndepărtat, orizonturile lor de evenimente încă nu s-au format. Suprafețele unor astfel de stele care se prăbușesc privesc către observatorul terestru ca înghețate, care se apropie infinit de mult de orizonturile lor de evenimente.

Pentru ca găurile negre din astfel de obiecte care se prăbușesc să se formeze complet, trebuie să așteptăm întregul timp infinit de lung al existenței Universului nostru. Trebuie subliniat, însă, că deja în primele secunde de colaps relativist, suprafața stelei care se prăbușește pentru un observator de pe Pământ se apropie foarte aproape de orizontul evenimentelor și toate procesele de pe această suprafață sunt încetinite infinit.