Poreklo crne rupe. Crna rupa. Šta je to? Najmanja crna rupa

Crna rupa je područje prostor-vremena čija je gravitacijska privlačnost toliko jaka da čak ni objekti koji se kreću brzinom svjetlosti, uključujući kvante same svjetlosti, ne mogu je napustiti. Granica ovog područja naziva se horizont događaja, a njegova karakteristična veličina se naziva gravitacijski radijus.

Ideja o "crnoj rupi" prvi put se pojavila 1916. godine, kada je fizičar Schwarzschild rješavao Ajnštajnove jednačine. Matematika je dovela do čudnog zaključka da postoje kompaktni objekti oko kojih se pojavljuje horizont događaja sa zanimljivim svojstvima. Ali termin "crna rupa" još nije postojao. Horizont događaja je prostor prostora koji okružuje crnu rupu, u kojoj materija nikada neće moći napustiti ovo područje i pasti u crnu rupu. Svjetlost još uvijek može savladati ogromnu silu gravitacije, poslati posljednje tokove iz materije koja nestaje, ali samo za kratko vrijeme, dok padajuća materija ne padne u tzv. zonu singularnosti, za koju više nije Karl Schwarzschild, njemački astronom, jedan od osnivača teorijske astrofizike

1930-ih, Chadwick je otkrio neutron. Ubrzo je postavljena hipoteza o postojanju neutrina zvijezda, koje se pri velikim masama ispostavljaju nestabilnim i komprimiraju se u stanje kolapsa. Termin "crna rupa" još uvijek nije postojao. Tek kasnih 1960-ih Amerikanac John Wheeler je rekao “crna rupa”. Ovo je tačka u prostoru u kojoj materija i energija nestaju pod uticajem gravitacionih sila. Na ovom mjestu su gravitacijske sile toliko jake da je sve u blizini bukvalno usisano unutra. Čak ni svjetlosni zraci ne mogu pobjeći odatle, pa je crna rupa potpuno nevidljiva. John Wheeler, američki fizičar.

„Crna rupa“ se može otkriti specifičnim rendgenskim zračenjem koje se proizvodi kada usisava materiju. Sedamdesetih godina prošlog stoljeća američki satelit "Uhuru" (na jednom od afričkih dijalekata - "Freedom") snimio je specifično rendgensko zračenje. Od tada “crna rupa” ne postoji samo u proračunima. Za ove studije Rikardo Đakoni je dobio Nobelovu nagradu 2002. Riccardo Giacconi, američki fizičar italijanskog porijekla, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 2002. godine “za stvaranje rendgenske astronomije i pronalazak rendgenskog teleskopa”

U ovom trenutku, naučnici su otkrili oko hiljadu objekata u svemiru koji su klasifikovani kao crne rupe. Ukupno, sugerišu naučnici, postoje desetine miliona takvih objekata. Trenutno, jedini pouzdan način da se crna rupa razlikuje od objekta druge vrste je da se izmeri masa i veličina objekta i uporedi njegov poluprečnik sa gravitacionim radijusom, koji je dat formulom =, gde je G gravitaciona konstanta , M je masa objekta, c je brzina svjetlosti supermasivne crne rupe. Obrasle veoma velike crne rupe čine jezgra većine galaksija. To uključuje masivnu crnu rupu u jezgru naše galaksije - Strijelac A*, koja je najbliža supermasivna crna rupa Suncu. Trenutno, većina naučnika smatra da je postojanje crnih rupa zvjezdanih i galaktičkih razmjera pouzdano dokazano astronomskim opservacijama. Američki astronomi su otkrili da se mase supermasivnih crnih rupa mogu značajno podcijeniti. Istraživači su utvrdili da bi se zvijezde kretale na način na koji se sada promatraju u galaksiji M87 (koja se nalazi 50 miliona svjetlosnih godina od Zemlje), masa centralne crne rupe morala bi biti velika kao Radio Galaksija Picos. A, sa vidljivim rendgenskim mlazom (plavi) ) dug 300 hiljada svjetlosnih godina, koji izlazi iz

Detekcija supermasivnih crnih rupa Najpouzdaniji dokaz za postojanje supermasivnih crnih rupa u centralnim regijama galaksija smatra se najpouzdanijim. Danas rezolucija teleskopa nije dovoljna za razlikovanje područja svemira veličine reda gravitacionog radijusa crne rupe. Postoji mnogo načina za određivanje mase i približnih dimenzija supermasivnog tijela, ali većina njih se temelji na mjerenju karakteristika orbita objekata koji rotiraju oko njih (zvijezde, radio izvori, plinski diskovi). U najjednostavnijem i prilično uobičajenom slučaju, rotacija se događa duž Keplerovih orbita, što se dokazuje proporcionalnošću brzine rotacije satelita kvadratnom korijenu velike poluose orbite: . U ovom slučaju, masa središnjeg tijela se nalazi prema poznatoj formuli.

Između Francuza i Britanaca ponekad se vodi polušaljiva, ponekad ozbiljna rasprava: koga treba smatrati otkrićem mogućnosti postojanja nevidljivih zvijezda - Francuz P. Laplace ili Englez J. Michell? Godine 1973. poznati engleski teoretski fizičari S. Hawking i G. Ellis, u knjizi posvećenoj savremenim specijalnim matematičkim pitanjima strukture prostora i vremena, citirali su rad Francuza P. Laplacea s dokazom o mogućnosti postojanja crnih zvijezda; U to vrijeme rad J. Michella još nije bio poznat. U jesen 1984. poznati engleski astrofizičar M. Rice, govoreći na konferenciji u Toulouseu, rekao je da, iako nije baš zgodno reći na teritoriji Francuske, mora naglasiti da je Englez J. Michell prvi predvidio nevidljive zvijezde, i pokazao snimak prve stranice koja odgovara njegovom radu. Ova historijska primjedba naišla je na aplauz i osmijeh prisutnih.

Kako se ne prisjetiti rasprava između Francuza i Britanaca o tome ko je predvidio položaj planete Neptun zbog poremećaja u kretanju Urana: Francuz W. Le Verrier ili Englez J. Adams? Kao što je poznato, oba naučnika su nezavisno tačno naznačila poziciju nova planeta. Tada je više sreće imao Francuz W. Le Verrier. Ovo je sudbina mnogih otkrića. Često se rade gotovo istovremeno i nezavisno različiti ljudi Obično prednost imaju oni koji su dublje prodrli u suštinu problema, ali ponekad su to jednostavno hirovi sreće.

Ali predviđanje P. Laplacea i J. Michella još nije bilo pravo predviđanje crne rupe. Zašto?

Činjenica je da se u vrijeme P. Laplacea još nije znalo da se ništa u prirodi ne može kretati brže od svjetlosti. Nemoguće je pobjeći svjetlost u praznini! To je ustanovio Ajnštajn u specijalnoj teoriji relativnosti već u našem veku. Stoga je za P. Laplacea zvijezda koju je razmatrao bila samo crna (ne-svjetleća), i nije mogao znati da će takva zvijezda izgubiti sposobnost da na bilo koji način „komunicira“ sa vanjskim svijetom, da „izvještava“ bilo šta udaljenim svetovima o događajima koji se dešavaju na njemu. Drugim riječima, još nije znao da ovo nije samo „crna“, već i „rupa“ u koju se može upasti, ali iz nje je bilo nemoguće izaći. Sada znamo da ako svjetlost ne može izaći iz nekog područja prostora, onda to znači da uopće ništa ne može izaći, a takav objekt nazivamo crnom rupom.

Drugi razlog zašto se rasuđivanje P. Laplacea ne može smatrati rigoroznim je taj što je smatrao gravitacijskim poljima ogromne snage, u kojima se tijela koja padaju ubrzavaju do brzine svjetlosti, a sama svjetlost koja se pojavljuje može biti odgođena, te je primijenio Newtonov zakon gravitacije.

A. Einstein je pokazao da je Newtonova teorija gravitacije neprimjenjiva za takva polja, te je stvorio novu teoriju koja vrijedi za superjaka polja, kao i za polja koja se brzo mijenjaju (za koja je i Newtonova teorija neprimjenjiva!), itd. nazvao je opštom teorijom relativnosti. Upravo zaključke ove teorije treba iskoristiti za dokazivanje mogućnosti postojanja crnih rupa i proučavanje njihovih svojstava.

Opšta teorija relativnosti je neverovatna teorija. Toliko je duboka i vitka da kod svakoga ko je upozna izaziva osjećaj estetskog zadovoljstva. Sovjetski fizičari L. Landau i E. Lifshitz u svom udžbeniku “Teorija polja” nazvali su je “najljepšom od svih postojećih fizičkih teorija”. Njemački fizičar Maks Born rekao je o otkriću teorije relativnosti: "Divim joj se kao umjetničkom djelu." A sovjetski fizičar V. Ginzburg je napisao da izaziva „...osećaj... sličan onom koji se doživljava kada se gledaju najistaknutija remek dela slikarstva, skulpture ili arhitekture”.

Brojni pokušaji popularnog predstavljanja Ajnštajnove teorije mogu, naravno, dati opšti utisak o njoj. Ali, iskreno govoreći, to je jednako malo slično užitku poznavanja same teorije kao što se poznavanje reprodukcije “Sikstinske Madone” razlikuje od iskustva koje nastaje kada se gleda original koji je stvorio genij Rafaela.

Pa ipak, kada nema prilike da se divite originalu, možete se (i trebali biste!) upoznati s dostupnim reprodukcijama, po mogućnosti dobrim (a ima ih svih vrsta).

Novikov I.D.

Istorija crnih rupa

Alexey Levin

Naučno mišljenje ponekad konstruiše objekte sa takvim paradoksalnim svojstvima da čak i najpronicljiviji naučnici u početku odbijaju da ih prepoznaju. Najočigledniji primjer u istoriji najnovija fizika- dugoročni nedostatak interesa za crne rupe, ekstremna stanja gravitacionog polja predviđena prije skoro 90 godina. Dugo su se smatrali čisto teorijskom apstrakcijom, a tek 1960-70-ih ljudi su vjerovali u njihovu stvarnost. Međutim, osnovna jednadžba za teoriju crnih rupa izvedena je prije više od dvije stotine godina.

Uvid Johna Michella

Ime Džona Mičela, fizičara, astronoma i geologa, profesora na Univerzitetu Kembridž i pastora Anglikanske crkve, potpuno je nezasluženo izgubljeno među zvezdama engleske nauke 18. veka. Michell je postavio temelje seizmologije - nauke o potresima, sproveo izvrsna istraživanja magnetizma i mnogo prije Coulomba izumio torzionu vagu koju je koristio za gravimetrijska mjerenja. 1783. pokušao je spojiti dvije velike Njutnove kreacije - mehaniku i optiku. Newton je svjetlost smatrao strujom sićušnih čestica. Michell je sugerirao da se svjetlosna tijela, poput obične materije, pokoravaju zakonima mehanike. Posljedica ove hipoteze pokazala se vrlo netrivijalnom - nebeska tijela mogu se pretvoriti u zamke za svjetlost.

Kako je Michell zaključio? Topovska kugla ispaljena sa površine planete će u potpunosti savladati njenu gravitaciju samo ako njena početna brzina premašuje ono što se sada naziva drugom brzinom bijega. Ako je gravitacija planete toliko jaka da brzina bijega premašuje brzinu svjetlosti, svjetlosna tijela oslobođena u zenitu neće moći ići u beskonačnost. Isto će se desiti i sa reflektovanom svetlošću. Shodno tome, planeta će biti nevidljiva za veoma udaljenog posmatrača. Michell je izračunao kritičnu vrijednost radijusa takve planete R cr u zavisnosti od njene mase M svedene na masu našeg Sunca M s: R cr = 3 km x M/M s.

John Michell je vjerovao u njegove formule i pretpostavio je da dubine svemira kriju mnoge zvijezde koje se sa Zemlje ne mogu vidjeti nikakvim teleskopom. Kasnije je do istog zaključka došao veliki francuski matematičar, astronom i fizičar Pjer Simon Laplas, koji ga je uključio i u prvo (1796.) i drugo (1799.) izdanje svog „Izlaganja svetskog sistema“. Ali treće izdanje objavljeno je 1808. godine, kada je većina fizičara već smatrala svjetlost vibracijama etra. Postojanje “nevidljivih” zvijezda bilo je u suprotnosti s valovnom teorijom svjetlosti, a Laplace je smatrao da je najbolje da ih jednostavno ne spominje. U kasnijim vremenima ova ideja se smatrala kuriozitetom, vrednom predstavljanja samo u radovima iz istorije fizike.

Schwarzschild model

U novembru 1915. Albert Ajnštajn je objavio teoriju gravitacije, koju je nazvao opšta teorija relativnosti (GR). Ovo djelo je odmah pronašlo zahvalnog čitaoca u liku njegovog kolege s Berlinske akademije nauka, Karla Schwarzschilda. Schwarzschild je bio prvi u svijetu koji je koristio opštu relativnost za rješavanje specifičnog astrofizičkog problema, računajući prostorno-vremensku metriku izvan i unutar nerotirajućeg sfernog tijela (za specifičnost, nazvat ćemo ga zvijezdom).

Iz Schwarzschildovih proračuna slijedi da gravitacija zvijezde ne iskrivljuje previše Njutnovsku strukturu prostora i vremena samo ako je njen polumjer mnogo veći od same vrijednosti koju je izračunao John Michell! Ovaj parametar je prvo nazvan Schwarzschildov radijus, a sada se naziva gravitacijski radijus. Prema općoj relativnosti, gravitacija ne utječe na brzinu svjetlosti, ali smanjuje frekvenciju svjetlosnih vibracija u istom omjeru kao što usporava vrijeme. Ako je polumjer zvijezde 4 puta veći od gravitacionog radijusa, tada se tok vremena na njenoj površini usporava za 15%, a prostor dobiva primjetnu zakrivljenost. Kada se prekorači dva puta, jače se savija, a vrijeme se usporava za 41%. Kada se dostigne gravitacijski radijus, vrijeme na površini zvijezde potpuno prestaje (sve frekvencije idu na nulu, zračenje se smrzava, a zvijezda se gasi), ali je zakrivljenost prostora tamo i dalje konačna. Daleko od zvijezde, geometrija i dalje ostaje euklidska, a vrijeme ne mijenja svoju brzinu.

Unatoč činjenici da se vrijednosti gravitacionog radijusa ​​​Michell-a i Schwarzschilda poklapaju, sami modeli nemaju ništa zajedničko. Za Michella se prostor i vrijeme ne mijenjaju, ali se svjetlost usporava. Zvezda čije su dimenzije manje od njenog gravitacionog radijusa nastavlja da sija, ali je vidljiva samo ne tako udaljenom posmatraču. Za Schwarzschilda je brzina svjetlosti apsolutna, ali struktura prostora i vremena ovisi o gravitaciji. Zvijezda koja je pala pod gravitacijski radijus nestaje za svakog posmatrača, bez obzira gdje se nalazi (tačnije, može se otkriti gravitacijskim efektima, ali ne i zračenjem).

Od neverice do potvrde

Schwarzschild i njegovi suvremenici vjerovali su da takvi čudni svemirski objekti ne postoje u prirodi. Sam Ajnštajn ne samo da se držao ove tačke gledišta, već je i pogrešno verovao da je uspeo da svoje mišljenje potkrepi matematički.

1930-ih, mladi indijski astrofizičar Chandrasekhar dokazao je da zvijezda koja je potrošila svoje nuklearno gorivo odbacuje svoju školjku i pretvara se u bijelog patuljka koji se polako hladi samo ako je njena masa manja od 1,4 solarne mase. Ubrzo je Amerikanac Fritz Zwicky shvatio da eksplozije supernove proizvode izuzetno gusta tijela neutronske materije; Kasnije je Lev Landau došao do istog zaključka. Nakon Chandrasekharovog rada, bilo je očigledno da samo zvijezde s masom većom od 1,4 solarne mase mogu proći takvu evoluciju. Stoga se postavilo prirodno pitanje: postoji li gornja granica mase supernove koju neutronske zvijezde ostavljaju za sobom?

Krajem 30-ih, budući otac Amerikanaca atomska bomba Robert Openheimer je ustanovio da takva granica zaista postoji i da ne prelazi nekoliko solarnih masa. Tada nije bilo moguće dati precizniju procjenu; Sada je poznato da mase neutronskih zvijezda moraju biti u rasponu od 1,5-3 M s. Ali čak i iz grubih proračuna Openheimera i njegovog diplomiranog studenta Georgea Volkowa, proizilazilo je da najmasovniji potomci supernova ne postaju neutronske zvijezde, već se pretvaraju u neko drugo stanje. Godine 1939. Oppenheimer i Hartland Snyder su koristili idealizirani model kako bi dokazali da je masivna zvijezda u kolapsu skupljena na svoj gravitacijski radijus. Iz njihovih formula zapravo proizlazi da zvijezda tu ne staje, ali su se koautori suzdržali od tako radikalnog zaključka.

Konačan odgovor nađen je u drugoj polovini 20. vijeka trudom čitave plejade briljantnih teorijskih fizičara, uključujući i sovjetske. Ispostavilo se da je takav kolaps Uvijek stisne zvijezdu "do kraja", potpuno uništavajući njenu materiju. Kao rezultat, javlja se singularitet, "superkoncentrat" ​​gravitacionog polja, zatvoren u beskonačno malom volumenu. Za stacionarnu rupu to je točka, za rotirajuću rupu to je prsten. Zakrivljenost prostor-vremena i, prema tome, sila gravitacije u blizini singulariteta teži beskonačnosti. Krajem 1967. američki fizičar John Archibald Wheeler bio je prvi koji je takav konačni kolaps zvijezde nazvao crnom rupom. Novi termin zavoljeli su fizičari i oduševili novinare, koji su ga proširili svijetom (iako se Francuzima u početku nije svidio, jer je izraz trou noir upućivao na sumnjive asocijacije).

Tamo, iza horizonta

Crna rupa nije ni materija ni radijacija. Uz određenu figurativnost, možemo reći da je ovo samoodrživo gravitacijsko polje koncentrisano u visoko zakrivljenom području prostor-vremena. Njegova vanjska granica definirana je zatvorenom površinom, horizontom događaja. Ako se zvijezda nije rotirala prije kolapsa, ispada da je ova površina pravilna sfera, čiji se radijus poklapa sa Schwarzschildovim polumjerom.

Fizičko značenje horizonta je vrlo jasno. Svjetlosni signal poslan iz njegove vanjske blizine može putovati na beskonačno veliku udaljenost. Ali signali koji se šalju iz unutrašnjeg regiona ne samo da neće preći horizont, već će neizbežno „pasti“ u singularnost. Horizont je prostorna granica između događaja koji mogu postati poznati zemaljskim (i bilo kojim drugim) astronomima i događaja o kojima informacije ni pod kojim okolnostima neće izaći.

Kako se i očekivalo "prema Schwarzschildu", daleko od horizonta privlačenje rupe je obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti, pa se za udaljenog posmatrača manifestira kao obično teško tijelo. Osim mase, rupa nasljeđuje moment inercije kolapsirane zvijezde i njen električni naboj. A sve ostale karakteristike zvijezde prethodnice (struktura, sastav, spektralni tip, itd.) blijede u zaborav.

Pošaljimo sondu do rupe sa radio stanicom koja šalje signal jednom u sekundi prema vremenu na brodu. Za udaljenog posmatrača, kako se sonda približava horizontu, vremenski intervali između signala će se povećavati - u principu, neograničeno. Čim brod pređe nevidljivi horizont, postat će potpuno tih za svijet “nad-rupa”. Međutim, ovaj nestanak neće ostati bez traga, jer će sonda predati svoju masu, naboj i moment rupi.

Zračenje crne rupe

Svi prethodni modeli izgrađeni su isključivo na bazi opšte teorije relativnosti. Međutim, našim svijetom upravljaju zakoni kvantne mehanike, koji ne zanemaruju crne rupe. Ovi zakoni nam ne dozvoljavaju da centralnu singularnost razmotrimo kao matematičku tačku. U kvantnom kontekstu, njegov prečnik je dat Planck-Wheeler dužinom, približno jednaka 10-33 centimetra. U ovoj oblasti običan prostor prestaje da postoji. Općenito je prihvaćeno da je središte rupe ispunjeno raznim topološkim strukturama koje se pojavljuju i umiru u skladu s kvantnim vjerojatnostnim zakonima. Osobine takvog kvazi-prostora, koji je Wheeler nazvao kvantna pjena, još uvijek su slabo shvaćena.

Prisustvo kvantne singularnosti ima direktan uticaj na sudbinu materijalnih tijela koja padaju u dubine crne rupe. Kada se približi centru rupe, bilo koji predmet napravljen od trenutno poznatih materijala bit će zgnječen i rastrgan plimskim silama. Međutim, čak i ako budući inženjeri i tehnolozi stvore neke super-jake legure i kompozite sa trenutno neviđenim svojstvima, svi su oni i dalje osuđeni na nestanak: uostalom, u zoni singulariteta nema ni uobičajenog vremena ni uobičajenog prostora.

Pogledajmo sada horizont rupe kroz kvantno mehaničko sočivo. Prazan prostor – fizički vakuum – zapravo nije prazan. Zbog kvantnih fluktuacija različitih polja u vakuumu, mnoge virtuelne čestice se kontinuirano rađaju i umiru. Budući da je gravitacija blizu horizonta veoma jaka, njene fluktuacije stvaraju izuzetno jake gravitacione eksplozije. Kada se ubrzavaju u takvim poljima, novorođeni "virtuali" dobijaju dodatnu energiju i ponekad postaju normalne dugovječne čestice.

Virtuelne čestice se uvijek rađaju u parovima koji se kreću u suprotnim smjerovima (ovo zahtijeva zakon održanja impulsa). Ako gravitaciona fluktuacija izvuče par čestica iz vakuuma, može se dogoditi da se jedna od njih materijalizuje izvan horizonta, a druga (antičestica prve) unutra. “Unutrašnja” čestica će pasti u rupu, ali “spoljašnja” čestica može pobjeći pod povoljnim uvjetima. Kao rezultat toga, rupa se pretvara u izvor zračenja i stoga gubi energiju i, posljedično, masu. Stoga crne rupe u principu nisu stabilne.

Ovaj fenomen se zove Hawkingov efekat, po izvanrednom engleskom teoretskom fizičaru koji ga je otkrio sredinom 1970-ih. Stephen Hawking je posebno dokazao da horizont crne rupe emituje fotone na potpuno isti način kao apsolutno crno tijelo zagrijano na temperaturu od T = 0,5 x 10 –7 x M s /M. Iz toga slijedi da kako rupa postaje tanja, njena temperatura raste, a „isparavanje“ se prirodno pojačava. Ovaj proces je izuzetno spor, a životni vijek rupe mase M je oko 10 65 x (M/M s) 3 godine. Kada njena veličina postane jednaka dužini Planck-Wheeler-a, rupa gubi stabilnost i eksplodira, oslobađajući istu energiju kao i istovremena eksplozija milion hidrogenskih bombi od deset megatona. Zanimljivo je da je masa rupe u trenutku njenog nestanka još uvijek prilično velika, 22 mikrograma. Prema nekim modelima, rupa ne nestaje bez traga, već za sobom ostavlja stabilan relikt iste mase, takozvani maximon.

Maximon rođen je prije 40 godina - kao pojam i kao fizička ideja. Godine 1965. akademik M.A. Markov je sugerirao da postoji gornja granica mase elementarnih čestica. Predložio je da se ova granična vrijednost smatra dimenzijom mase, koja se može kombinirati iz tri fundamentalne fizičke konstante - Planckove konstante h, brzine svjetlosti C i gravitacijske konstante G (za one koji vole detalje: da biste to učinili, trebate da pomnožite h i C, podijelite rezultat sa G i izdvojite Kvadratni korijen). To je istih 22 mikrograma koji se spominju u članku; ova vrijednost se zove Planckova masa. Iz istih konstanti se može konstruisati veličina sa dimenzijom dužine (Planck-Wheelerova dužina ispada 10–33 cm) i sa dimenzijom vremena (10–43 sec).
Markov je otišao dalje u svom rasuđivanju. Prema njegovim hipotezama, isparavanje crne rupe dovodi do stvaranja "suvog ostatka" - maksimona. Markov je takve strukture nazvao elementarnim crnim rupama. U kojoj mjeri ova teorija odgovara stvarnosti, još uvijek je otvoreno pitanje. U svakom slučaju, analozi Markovljevih maksimona oživljeni su u nekim modelima crnih rupa zasnovanim na teoriji superstruna.

Dubina prostora

Crne rupe nisu zabranjene zakonima fizike, ali postoje li u prirodi? Apsolutno rigorozni dokazi o prisutnosti barem jednog takvog objekta u svemiru još uvijek nisu pronađeni. Međutim, vrlo je vjerovatno da su u nekim binarnim sistemima izvori rendgenske emisije crne rupe zvjezdanog porijekla. Ovo zračenje bi trebalo nastati kao rezultat atmosfere obične zvijezde koju usisava gravitacijsko polje susjedne rupe. Kako se gas kreće prema horizontu događaja, postaje veoma vruć i emituje kvante rendgenskih zraka. Najmanje dva tuceta izvora rendgenskih zraka sada se smatraju pogodnim kandidatima za ulogu crnih rupa. Štaviše, zvjezdane statistike sugeriraju da samo u našoj galaksiji postoji oko deset miliona rupa zvjezdanog porijekla.

Crne rupe se takođe mogu formirati tokom gravitacione kondenzacije materije u galaktičkim jezgrama. Tako nastaju gigantske rupe sa masom od miliona i milijardi solarnih masa, koje, po svoj prilici, postoje u mnogim galaksijama. Očigledno, u centru Mliječnog puta, skrivena oblacima prašine, postoji rupa s masom od 3-4 miliona solarnih masa.

Stephen Hawking je došao do zaključka da bi se crne rupe proizvoljne mase mogle roditi odmah nakon toga Veliki prasak, koji je dao početak našeg Univerzuma. Primarne rupe teške i do milijardu tona su već isparile, ali one teže se još mogu sakriti u dubinama svemira i s vremenom pokrenuti kosmički vatromet u obliku snažne baklje gama zračenja. Međutim, takve eksplozije do sada nikada nisu primijećene.

Fabrika crnih rupa

Da li je moguće ubrzati čestice u akceleratoru do tako velike energije da njihov sudar stvori crnu rupu? Na prvi pogled, ova ideja je jednostavno luda - eksplozija rupe uništit će sav život na Zemlji. Štaviše, to je tehnički neizvodljivo. Ako je minimalna masa rupe zaista 22 mikrograma, onda je u energetskim jedinicama 10 28 elektron-volti. Ovaj prag je 15 redova veličine veći od mogućnosti najmoćnijeg akceleratora na svijetu, Velikog hadronskog sudarača (LHC), koji će biti lansiran u CERN-u 2007. godine.

Međutim, moguće je da je standardna procjena minimalne mase rupe značajno precijenjena. U svakom slučaju, to kažu fizičari, razvijajući teoriju superstruna, koja uključuje kvantnu teoriju gravitacije (iako daleko od potpune). Prema ovoj teoriji, prostor nema tri dimenzije, već najmanje devet. Ne primjećujemo dodatne dimenzije jer su zapetljane na tako maloj skali da ih naši instrumenti ne percipiraju. Međutim, gravitacija je sveprisutna, ona prodire u skrivene dimenzije. U trodimenzionalnom prostoru, sila gravitacije je obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti, a u deveto dimenzionalnom prostoru proporcionalna je osmoj potenciji. Stoga, u multidimenzionalnom svijetu, intenzitet gravitacionog polja raste mnogo brže kako se udaljenost smanjuje nego u trodimenzionalnom svijetu. U ovom slučaju, Planckova dužina se povećava mnogo puta, a minimalna masa rupe naglo opada.

Teorija struna predviđa da se crna rupa mase od samo 10-20 g može roditi u devetodimenzionalnom prostoru.Izračunata relativistička masa protona ubrzanih u Cern superakceleratoru je približno ista. Prema najoptimističnijem scenariju, moći će proizvesti jednu rupu svake sekunde, koja će preživjeti oko 10-26 sekundi. U procesu njegovog isparavanja rađaće se sve vrste elementarnih čestica koje neće biti teško registrovati. Nestanak rupe dovest će do oslobađanja energije, koja neće biti dovoljna ni za zagrijavanje jednog mikrograma vode za hiljaditi dio stepena. Stoga postoji nada da će se LHC pretvoriti u fabriku bezopasnih crnih rupa. Ako su ovi modeli ispravni, tada će detektori orbitalnih kosmičkih zraka nove generacije moći detektirati takve rupe.

Sve navedeno se odnosi na stacionarne crne rupe. U međuvremenu, postoje i rotirajuće rupe koje imaju gomilu zanimljivih svojstava. Rezultati teorijske analize zračenja crne rupe doveli su i do ozbiljnog promišljanja pojma entropije, što takođe zaslužuje posebnu raspravu.

Svemirski superzamajci

Statičke električno neutralne crne rupe o kojima smo pričali potpuno su netipične za stvarni svijet. Kolapirane zvijezde obično rotiraju i mogu imati i električni naboj.

Teorema ćelavosti

Divovske rupe u galaktičkim jezgrama najvjerovatnije su nastale iz primarnih centara gravitacijske kondenzacije - jedne "post-zvjezdane" rupe ili nekoliko rupa koje su se spojile kao rezultat sudara. Takve sjetvene rupe gutaju obližnje zvijezde i međuzvjezdani plin i time višestruko povećavaju svoju masu. Materija koja ponovo pada ispod horizonta ima i električni naboj (čestice kosmičkog gasa i prašine se lako jonizuju) i rotacioni momenat (pad se dešava uvijanjem, u spirali). U bilo kojem fizički proces moment inercije i naboj su očuvani, te je stoga prirodno pretpostaviti da formiranje crnih rupa nije izuzetak.

Ali je tačna i još jača izjava, čiji je poseban slučaj formulisan u prvom delu članka (vidi A. Levin, Neverovatna istorija crnih rupa, Popularna mehanika br. 11, 2005). Kakvi god da su bili preci makroskopske crne rupe, ona od njih prima samo masu, moment i električni naboj. Prema John Wheeleru, "crna rupa nema kosu." Ispravnije bi bilo reći da s horizonta bilo koje rupe ne visi više od tri "dlake", što je dokazano udruženim naporima nekoliko teorijskih fizičara 1970-ih. Istina, u rupi mora biti sačuvan i magnetski naboj, čije je hipotetičke nosioce, magnetne monopole, predvidio Paul Dirac 1931. godine. Međutim, ove čestice još nisu otkrivene, a prerano je govoriti o četvrtoj "kosi". U principu, mogu postojati dodatne "dlake" povezane s kvantnim poljima, ali u makroskopskoj rupi one su potpuno nevidljive.

A ipak se vrte

Ako se statična zvijezda ponovo napuni, metrika prostora-vremena će se promijeniti, ali horizont događaja će i dalje ostati sferičan. Međutim, iz niza razloga, zvjezdane i galaktičke crne rupe ne mogu nositi veliki naboj, pa sa stanovišta astrofizike ovaj slučaj nije baš zanimljiv. Ali rotacija rupe povlači ozbiljnije posljedice. Prvo se mijenja oblik horizonta. Centrifugalne sile ga sabijaju duž ose rotacije i rastežu u ekvatorijalnoj ravni, tako da se sfera pretvara u nešto slično elipsoidu. U suštini, isto se događa s horizontom kao i sa bilo kojim rotirajućim tijelom, posebno s našom planetom - uostalom, ekvatorijalni polumjer Zemlje je 21,5 km duži od polarnog. Drugo, rotacija smanjuje linearne dimenzije horizonta. Podsjetimo da je horizont sučelje između događaja koji mogu, ali ne moraju, slati signale udaljenim svjetovima. Ako gravitacija rupe zaokuplja kvante svjetlosti, onda centrifugalne sile, naprotiv, doprinose njihovom bijegu u svemir. Zbog toga bi horizont rotirajuće rupe trebao biti smješten bliže njenom centru nego horizont statične zvijezde iste mase.

Ali to nije sve. Rupa u svojoj rotaciji odnosi okolni prostor. U neposrednoj blizini rupe zahvat je potpun, a na periferiji postepeno slabi. Stoga je horizont rupe uronjen u posebnu oblast prostora - ergosferu. Granica ergosfere dodiruje horizont na polovima i pomiče se najdalje od njega u ekvatorijalnoj ravni. Na ovoj površini, brzina uvlačenja prostora jednaka je brzini svjetlosti; unutar nje je veća od brzine svjetlosti, a izvan je manja. Stoga bilo koji materijalno telo, bilo da je u pitanju molekul gasa, čestica kosmičke prašine ili izviđačka sonda, kada uđe u ergosferu, svakako počinje da se okreće oko rupe, i to u istom pravcu kao i ona sama.

Stellar Generators

Prisutnost ergosfere, u principu, omogućava da se rupa koristi kao izvor energije i. Neka neki predmet prodre u ergosferu i tamo se razbije na dva fragmenta. Može se ispostaviti da će jedan od njih pasti ispod horizonta, a drugi napustiti ergosferu, a njegova kinetička energija će premašiti početnu energiju cijelog tijela! Ergosfera takođe ima sposobnost da pojača elektromagnetno zračenje koje pada na nju i ponovo se raspršuje u svemir (ovaj fenomen se naziva superzračenje).

Međutim, zakon održanja energije je nepokolebljiv - trajni motori ne postoje. Kada rupa dovodi energiju u čestice ili zračenje, njena vlastita energija rotacije se smanjuje. Kosmički superzamašnjak postepeno usporava, a na kraju može čak i stati. Izračunato je da se na taj način do 29% mase rupe može pretvoriti u energiju. Jedini efikasniji proces od ovoga je anihilacija materije i antimaterije, jer se u ovom slučaju masa potpuno pretvara u zračenje. Ali solarno termonuklearno gorivo izgara sa mnogo nižom efikasnošću - oko 0,6%.

Shodno tome, brzo rotirajuća crna rupa je gotovo idealan generator energije za kosmičke supercivilizacije (ako, naravno, takve postoje). U svakom slučaju, priroda koristi ovaj resurs od pamtivijeka. Kvazari, najmoćnije svemirske “radio stanice” (izvori elektromagnetnih valova), napajaju se energijom gigantskih rotirajućih rupa smještenih u jezgri galaksija. Ovu hipotezu iznijeli su Edwin Salpeter i Yakov Zeldovich još 1964. godine i od tada je postala opšteprihvaćena. Materijal koji se približava rupi formira strukturu u obliku prstena, takozvani akrecijski disk. Budući da je prostor u blizini rupe njenom rotacijom snažno uvrnut, unutrašnja zona diska se drži u ekvatorijalnoj ravni i polako se taloži prema horizontu događaja. Gas u ovoj zoni se jako zagrijava unutrašnjim trenjem i stvara infracrveno, svjetlosno, ultraljubičasto i rendgensko zračenje, a ponekad čak i gama zrake. Kvazari takođe emituju netermalnu radio emisiju, koja je uglavnom posledica sinhrotronskog efekta.

Veoma plitka entropija

Teorema o ćelavoj rupi krije vrlo podmuklu zamku. Zvijezda u kolapsu je nakupina supervrućeg plina komprimirana gravitacijskim silama. Što je veća gustina i temperatura zvjezdane plazme, to sadrži manje reda i više haosa. Stepen haosa izražava se vrlo specifičnom fizičkom veličinom - entropijom. S vremenom se povećava entropija bilo kojeg izoliranog objekta - to je suština drugog zakona termodinamike. Entropija zvijezde prije početka kolapsa je previsoka, a čini se da je entropija rupe izuzetno mala, budući da su potrebna samo tri parametra da se rupa nedvosmisleno opiše. Da li je drugi zakon termodinamike narušen tokom gravitacionog kolapsa?

Da li je moguće pretpostaviti da kada se zvijezda pretvori u supernovu, njena entropija se odnosi zajedno sa izbačenom školjkom? Nažalost nema. Prvo, masa školjke se ne može uporediti sa masom zvijezde, stoga će gubitak entropije biti mali. Drugo, nije teško doći do još uvjerljivijeg mentalnog „pobijanja“ drugog zakona termodinamike. Neka tijelo temperature različite od nule, koje posjeduje neku vrstu entropije, padne u zonu privlačenja gotove rupe. Pao pod horizont događaja, nestat će zajedno sa svojim entropijskim rezervama, a entropija rupe se, očigledno, neće uopće povećati. Primamljivo je tvrditi da entropija vanzemaljaca ne nestaje, već se prenosi u unutrašnjost rupe, ali ovo je samo verbalni trik. Zakoni fizike su ispunjeni u svijetu dostupnom nama i našim instrumentima, a područje ispod horizonta događaja za svakog vanjskog posmatrača je terra incognita.

Ovaj paradoks razriješio je Wheelerov diplomirani student Jacob Bekenstein. Termodinamika ima veoma moćan intelektualni resurs - teorijsko proučavanje idealnih toplotnih motora. Bekenstein je smislio mentalni uređaj koji pretvara toplinu u koristan rad, koristeći crnu rupu kao grijač. Koristeći ovaj model, izračunao je entropiju crne rupe, što se pokazalo proporcionalno površini horizonta događaja. Ova površina je proporcionalna kvadratu polumjera rupe, koji je, podsjetimo, proporcionalan njenoj masi. Prilikom hvatanja bilo kojeg vanjskog objekta, masa rupe se povećava, radijus se produžava, površina horizonta se povećava i, shodno tome, povećava se entropija. Proračuni su pokazali da entropija rupe koja je progutala vanzemaljski objekt premašuje ukupnu entropiju ovog objekta i rupe prije nego što su se sreli. Slično, entropija zvijezde u kolapsu je mnogo redova veličine manja od entropije rupe nasljednika. U stvari, iz Bekensteinovog rezonovanja slijedi da površina rupe ima temperaturu različitu od nule i stoga je jednostavno obavezna emitirati toplinske fotone (i, ako je dovoljno zagrijana, druge čestice). Međutim, Bekenstein se nije usudio otići tako daleko (Stephen Hawking je napravio ovaj korak).

Do čega smo došli? Razmišljanje o crnim rupama ne samo da ostavlja drugi zakon termodinamike netaknutim, već nam omogućava i da obogatimo koncept entropije. Entropija običnog fizičkog tijela je manje-više proporcionalna njegovom volumenu, a entropija rupe je proporcionalna površini horizonta. Može se striktno dokazati da je veća od entropije bilo kojeg materijalnog objekta s istim linearnim dimenzijama. To znači da maksimum Entropija zatvorenog područja prostora određena je isključivo površinom njegove vanjske granice! Kao što vidimo, teorijska analiza svojstava crnih rupa nam omogućava da izvučemo veoma duboke zaključke opšte fizičke prirode.

Gledanje u dubine svemira

Kako se odvija potraga za crnim rupama u dubinama svemira? Popularna mehanika je ovo pitanje postavila poznatom astrofizičaru i profesoru Univerziteta Harvard Ramešu Narajanu.

“Otkriće crnih rupa treba smatrati jednim od najvećih dostignuća moderne astronomije i astrofizike. Poslednjih decenija, hiljade izvora su identifikovane u svemiru rendgensko zračenje, od kojih se svaki sastoji od normalne zvijezde i vrlo malog nesvjetlećeg objekta okruženog akrecijskim diskom. Tamna tijela čija se masa kreće od jedne i po do tri solarne mase su najvjerovatnije neutronske zvijezde. Međutim, među ovim nevidljivim objektima ima najmanje dvadesetak gotovo stopostotnih kandidata za ulogu crne rupe. Osim toga, naučnici su došli do konsenzusa da su najmanje dvije gigantske crne rupe skrivene u galaktičkim jezgrama. Jedan od njih se nalazi u centru naše Galaksije; prema prošlogodišnjoj publikaciji astronoma iz Sjedinjenih Država i Njemačke, njegova masa je 3,7 miliona solarnih masa (M s). Prije nekoliko godina, moji kolege iz Harvard-Smithsonian Centra za astrofiziku Džejms Moran i Linkoln Grinhil dali su veliki doprinos merenju rupe u centru Sejfertove galaksije NGC 4258, koja se povukla na 35 miliona M s. Po svoj prilici, u jezgri mnogih galaksija postoje rupe s masom od milion do nekoliko milijardi M s.

Sa Zemlje još nije moguće otkriti zaista jedinstveni potpis crne rupe – prisustvo horizonta događaja. Međutim, već znamo kako provjeriti njegovo odsustvo. Radijus neutronske zvijezde je 10 kilometara; istog reda veličine radijus rupa nastalih kao rezultat kolapsa zvijezde. Međutim, neutronska zvijezda ima čvrstu površinu, dok rupa nema. Pad materije na površinu neutronske zvijezde povlači za sobom termonuklearne eksplozije, koje stvaraju periodične rendgenske eksplozije u trajanju od jedne sekunde. A kada gas dođe do horizonta crne rupe, on ide ispod nje i ne manifestuje se kao nikakvo zračenje. Stoga je odsustvo kratkih rendgenskih bljeskova snažna potvrda rupe prirode objekta. Svih dva tuceta binarnih sistema koji navodno sadrže crne rupe ne emituju takve baklje.

Mora se priznati da smo sada primorani da se zadovoljimo negativnim dokazima o postojanju crnih rupa. Objekti koje proglašavamo rupama ne mogu biti ništa drugo sa stanovišta općeprihvaćenih teorijskih modela. Drugačije rečeno, smatramo ih rupama samo zato što ih ne možemo razumno smatrati nečim drugim. Nadam se da će naredne generacije astronoma imati malo više sreće.”

Prema riječima profesora Narayana, možemo dodati da astronomi već duže vrijeme vjeruju u realnost postojanja crnih rupa. Istorijski gledano, prvi pouzdan kandidat za ovu poziciju bio je tamni satelit vrlo svijetlo plavog supergiganta HDE 226868, udaljen 6.500 svjetlosnih godina. Otkriven je ranih 1970-ih u rendgenskom binarnom Cygnus X-1. Prema posljednjim podacima, njegova masa je oko 20 M s. Vrijedi napomenuti da su 20. septembra ove godine objavljeni podaci koji su gotovo u potpunosti raspršili sumnje u stvarnost još jedne rupe galaktičkih razmjera, u čije su postojanje astronomi prvi put posumnjali prije 17 godina. Nalazi se u centru galaksije M31, poznatije kao Andromedina maglina. Galaxy M31 je veoma star, star otprilike 12 milijardi godina. Rupa je takođe prilično velika - 140 miliona solarnih masa. Do jeseni 2005. astronomi i astrofizičari su konačno bili uvjereni u postojanje tri supermasivne crne rupe i još nekoliko desetina njihovih skromnijih pratilaca.

Presuda teoretičara

Popular Mechanics uspeo je da razgovara i sa dvojicom najautoritativnijih stručnjaka za teoriju gravitacije, koji su decenijama posvetili istraživanja u oblasti crnih rupa. Zamolili smo ih da navedu najvažnija dostignuća u ovoj oblasti. Evo šta nam je rekao profesor teorijske fizike sa Caltecha Kip Thorne:

„Ako govorimo o makroskopskim crnim rupama, koje su dobro opisane jednadžbama opšte relativnosti, onda su u polju njihove teorije glavni rezultati dobijeni još 60-80-ih godina 20. veka. Što se tiče nedavnih radova, najzanimljiviji od njih omogućio je bolje razumijevanje procesa koji se odvijaju unutar crne rupe kako stari. IN poslednjih godina Značajna pažnja posvećena je modelima crnih rupa u višedimenzionalnim prostorima, koji se prirodno pojavljuju u teoriji struna. Ali ove studije se više ne odnose na klasične, već na kvantne rupe koje još nisu otkrivene. Glavni rezultat posljednjih godina je vrlo uvjerljiva astrofizička potvrda realnosti postojanja rupa s masom od nekoliko solarnih masa, kao i supermasivnih rupa u centrima galaksija. Danas više nema sumnje da te rupe zaista postoje i da dobro razumijemo procese njihovog nastanka.”

Valery Frolov, student akademika Markova i profesor na Univerzitetu kanadske provincije Alberta, odgovorio je na isto pitanje:

“Pre svega bih nazvao otkriće crne rupe u centru naše Galaksije. Veoma su interesantna i teorijska proučavanja rupa u prostorima sa dodatnim dimenzijama, iz kojih sledi mogućnost rađanja mini rupa u eksperimentima na akceleratorima sudarača i u procesima interakcije kosmičkih zraka sa zemaljskom materijom. Stephen Hawking je nedavno poslao preprint papira koji pokazuje da se toplotno zračenje iz crne rupe potpuno vraća u spoljni svet informacije o stanju objekata koji su pali ispod njegovog horizonta. Ranije je vjerovao da ta informacija nepovratno nestaje, a sada je došao do suprotnog zaključka. Međutim, mora se naglasiti da se ovaj problem može konačno riješiti samo na temelju kvantne teorije gravitacije, koja još nije izgrađena.”

Hokingov rad zaslužuje poseban komentar. Iz općih principa kvantne mehanike slijedi da nijedna informacija ne nestaje bez traga, već se samo pretvara u manje „čitljiv“ oblik. Međutim, crne rupe nepovratno uništavaju materiju i, po svemu sudeći, jednako grubo se bave informacijama. Godine 1976. Hawking je objavio članak u kojem je ovaj zaključak potkrijepljen matematičkim aparatom. Neki teoretičari su se složili s njim, neki ne; posebno, teoretičari struna su vjerovali da je informacija neuništiva. Prošlog ljeta, na konferenciji u Dablinu, Hawking je rekao da su informacije i dalje sačuvane i da napuštaju površinu rupe koja isparava zajedno s toplinskim zračenjem. Na ovom sastanku, Hawking je predstavio samo dijagram svojih novih proračuna, obećavajući da će ih vremenom objaviti u cijelosti. A sada je, kako je rekao Valery Frolov, ovaj rad postao dostupan u obliku preprinta.

Na kraju, zamolili smo profesora Frolova da nam objasni zašto smatra da crne rupe spadaju među najfantastičnije izume ljudske inteligencije.

“Astronomi su dugo otkrivali objekte koji nisu zahtijevali značajno nove fizičke ideje da bi ih razumjeli. To se ne odnosi samo na planete, zvijezde i galaksije, već i na takva egzotična tijela kao što su bijeli patuljci i neutronske zvijezde. Ali crna rupa je nešto sasvim drugo, to je proboj u nepoznato. Neko je rekao da je njegova unutrašnjost najbolje mjesto za postavljanje podzemnog svijeta. Proučavanje rupa, posebno singulariteta, jednostavno prisiljava upotrebu takvih nestandardnih koncepata i modela o kojima se do nedavno u fizici praktički nije govorilo - na primjer, kvantna gravitacija i teorija struna. Ovdje nastaju mnogi problemi neobični za fiziku, čak i bolni, ali, kako je sada jasno, apsolutno stvarni. Stoga proučavanje rupa stalno zahtijeva fundamentalno nove teorijske pristupe, uključujući i one koji su na rubu našeg znanja o fizičkom svijetu.”

Prema nedavnoj izjavi astronoma sa Univerziteta Ohajo, neobično dvostruko jezgro u galaksiji Andromeda objašnjava se skupom zvijezda koje rotiraju u eliptičnim orbitama oko nekog masivnog objekta, najvjerovatnije crne rupe. Ovi zaključci su napravljeni na osnovu podataka dobijenih pomoću Hubble svemirskog teleskopa. Andromedino binarno jezgro je prvi put otkriveno 70-ih godina, ali je tek sredinom 90-ih iznesena teorija crnih rupa.

Ideja da crne rupe postoje u jezgri galaksija nije nova.

Čak postoje svi razlozi za vjerovanje da Mliječni put - galaksija kojoj Zemlja pripada - ima veliku crnu rupu u svom jezgru, čija je masa 3 miliona puta veća od mase Sunca. Međutim, istraživanje jezgra galaksije Andromeda, koje se nalazi na udaljenosti od 2 miliona svjetlosnih godina, lakše je nego jezgro naše galaksije, do koje svjetlost putuje samo 30 hiljada godina - ne možete vidjeti šumu za drveće.

Naučnici simuliraju sudare crnih rupa

Primena numeričke simulacije na superkompjuterima za pojašnjenje prirode i ponašanja crnih rupa, proučavanje gravitacionih talasa.

Po prvi put, naučnici sa Instituta za gravitacionu fiziku (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik), poznatog i kao Institut Albert Ajnštajn i koji se nalazi u Golmu, predgrađu Potsdama (Nemačka), simulirali su spajanje dve crne rupe. Planirano otkrivanje gravitacionih talasa koje emituju dve crne rupe koje se spajaju zahteva punu 3D simulaciju na superkompjuterima.

Crne rupe su toliko guste da ne reflektiraju niti emituju svjetlost – zbog čega ih je tako teško otkriti. Međutim, za nekoliko godina naučnici se nadaju značajnom pomaku u ovoj oblasti.

Gravitacioni talasi, koji bukvalno ispunjavaju svemir, mogu se otkriti novim sredstvima početkom sledećeg veka.

Naučnici predvođeni profesorom Edom Seidelom pripremaju numeričke simulacije za takve studije, koje će posmatračima pružiti pouzdan način da otkriju talase koje proizvode crne rupe. "Sudari crnih rupa su jedan od glavnih izvora gravitacionih talasa", rekao je profesor Seidel, koji je poslednjih godina proveo uspešno istraživanje u simulaciji gravitacionih talasa koji se pojavljuju kada se crne rupe uruše u direktnim sudarima.

Međutim, interakcija dvije spiralne crne rupe i njihovo spajanje su češći od direktnih sudara i od veće su važnosti u astronomiji. Takve tangencijalne sudare prvi je izračunao Bernd Brugman, koji je radio na Institutu Albert Einstein.

Međutim, zbog nedostatka računarske snage u to vrijeme, nije mogao izračunati ključne detalje kao što je tačan trag emitiranih gravitacijskih valova, koji sadrži važne informacije o ponašanju crnih rupa tokom sudara. Brugman je objavio najnovije rezultate u International Journal of Modern Physics.

U svojim prvim proračunima, Brugman je koristio institutov server Origin 2000. On uključuje 32 odvojena procesora koji rade paralelno sa ukupnim vršnim performansama od 3 milijarde operacija u sekundi. A u junu ove godine, međunarodni tim koji se sastojao od Brugmana, Seidela i drugih naučnika već je radio sa mnogo moćnijim Origin 2000 superkompjuterom sa 256 procesora u Nacionalnom centru za superračunarske aplikacije (NCSA). U grupi su bili i naučnici iz

Univerzitet St. Louis (SAD) i iz istraživačkog centra Konrad-Zuse-Zentrum u Berlinu. Ovaj superkompjuter pružio je prvu detaljnu simulaciju tangencijalnih sudara crnih rupa nejednake mase, kao i njihovih rotacija, koje je Brugman prethodno proučavao. Werner Benger iz Konrad-Zuse-Zentrum-a je čak uspio da reproducira zadivljujuću sliku procesa sudara. Pokazalo se kako su se "crna čudovišta" s masama u rasponu od jedne do nekoliko stotina miliona solarnih masa spojila, stvarajući rafale gravitacijskih valova koji bi uskoro mogli biti otkriveni posebnim sredstvima.

Jedan od najvažnijih rezultata ovoga istraživački rad je otkriće ogromne energije emitovane tokom sudara crnih rupa u obliku gravitacionih talasa. Ako se dva objekta s masama ekvivalentnim 10 i 15 solarnih masa nađu na udaljenosti od 30 milja jedan od drugog i sudare se, količina gravitacijske energije odgovara 1% njihove mase. "Ovo je hiljadu puta više od sve energije koju je naše Sunce oslobodilo u proteklih pet milijardi godina." - primetio je Brugman. Budući da se većina velikih sudara u svemiru događa veoma daleko od zemlje, signali bi trebali postati vrlo slabi čim stignu do Zemlje.

Počela je izgradnja nekoliko visokopreciznih detektora širom svijeta.

Jedan od njih, koji je konstruisao Institut Max Planck u okviru njemačko-britanskog projekta Geo 600, je laserski interferometar dug 0,7 milja. Naučnici se nadaju da će izmeriti kratke gravitacione perturbacije do kojih dolazi tokom sudara crnih rupa, ali očekuju samo jedan takav sudar godišnje, i to na udaljenosti od oko 600 miliona svetlosnih godina. Kompjuterski modeli su potrebni da bi posmatračima pružili pouzdane informacije o detekciji talasa koje proizvode crne rupe. Zahvaljujući poboljšanju mogućnosti simulacije superkompjutera, naučnici su na pragu nove vrste eksperimentalne fizike.

Astronomi kažu da znaju lokaciju mnogih hiljada crnih rupa, ali mi nismo u mogućnosti da s njima radimo nikakve eksperimente na Zemlji. „Samo u jednom slučaju moći ćemo da proučavamo detalje i konstruišemo njihov numerički model u našim kompjuterima i posmatramo ga“, objasnio je profesor Bernard Schutz, direktor Instituta Albert Einstein. "Vjerujem da će proučavanje crnih rupa biti ključna tema istraživanja za astronome u prvoj deceniji sljedećeg stoljeća."

Zvijezda pratilac vam omogućava da vidite prašinu iz supernove.

Crne rupe se ne mogu direktno vidjeti, ali astronomi mogu vidjeti dokaze o njihovom postojanju kada plinovi izbacuju na zvijezdu pratioca.

Ako se dinamit detonira, sićušni fragmenti eksploziva će se duboko zabiti u obližnje objekte, ostavljajući trajne tragove eksplozije.

Astronomi su pronašli sličan otisak na zvijezdi koja kruži oko crne rupe, ne bez razloga vjerujući da je crna rupa - bivša zvijezda koja je kolabirala toliko jako da čak ni svjetlost ne može savladati njenu gravitaciju - nastala je eksplozijom supernove.

Svjetlo u tami.

Astronomi su do tog vremena uočili eksplozije supernove i na njihovom mjestu otkrili uočene objekte, koji su, po njihovom mišljenju, crne rupe. Novo otkriće je prvi pravi dokaz o povezanosti jednog i drugog događaja. (Crne rupe se ne mogu direktno vidjeti, ali se o njihovom prisustvu ponekad može zaključiti po efektu njihovog gravitacionog polja na obližnje objekte.

Sistem zvezda i crna rupa, označen kao GRO J1655-40, nalazi se na udaljenosti od oko 10.000 svetlosnih godina unutar naše galaksije mliječni put. Otkriven 1994. godine, privukao je pažnju astronoma svojim snažnim bakljama. x-zrake i talas radio talasa dok je crna rupa gurala gasove prema svojoj zvezdi pratioci udaljenoj 7,4 miliona milja.

Istraživači iz Španije i Amerike počeli su da pobliže promatraju zvijezdu pratioca, vjerujući da bi mogla zadržati neki trag koji ukazuje na proces formiranja crne rupe.

Smatra se da su crne rupe veličine zvijezde tijela velikih zvijezda koje su se jednostavno smanjile na tu veličinu nakon što su potrošile svo svoje vodonično gorivo. Ali iz još uvijek nejasnih razloga, umiruća zvijezda se pretvara u supernovu prije nego što eksplodira.

Posmatranja GRO J1655-40 u avgustu i septembru 1994. pokazala su da je izbačeni gas tekao brzinom do 92% brzine svetlosti, pružajući delimične dokaze o prisustvu crne rupe.

Zvezdana prašina.

Ako se naučnici ne varaju, onda su se neke od eksplodirajućih zvijezda, koje su vjerovatno bile 25-40 puta veće od našeg Sunca, pretvorile u preživjele satelite.

To su upravo podaci koje su astronomi otkrili.

Atmosfera zvijezde pratioca sadržavala je koncentracije kisika, magnezija, silicija i sumpora veće od normalne – teških elemenata koji se mogu stvoriti samo u velikim količinama na temperaturama od više milijardi stepeni koje se postižu tokom eksplozije supernove. Ovo je bio prvi dokaz koji je istinski podržavao teoriju da su se neke crne rupe prvo pojavile kao supernove, jer ono što je viđeno nije moglo biti rođeno od zvijezde koju su astronomi promatrali.

Koncept crne rupe poznat je svima - od školaraca do starijih osoba; koristi se u naučnim i fantastična književnost, u tabloidnim medijima i na naučnim konferencijama. Ali šta su tačno takve rupe nije poznato svima.

Iz istorije crnih rupa

1783 Prvu hipotezu o postojanju takvog fenomena kao što je crna rupa iznio je 1783. engleski naučnik John Michell. U svojoj teoriji on je spojio dvije Newtonove kreacije - optiku i mehaniku. Michellova ideja je bila sljedeća: ako je svjetlost tok sićušnih čestica, tada bi, kao i sva druga tijela, čestice trebale iskusiti privlačenje gravitacionog polja. Ispostavilo se da što je zvijezda masivnija, svjetlosti je teže oduprijeti se njenoj privlačnosti. 13 godina nakon Michella, francuski astronom i matematičar Laplace iznio je (najvjerovatnije nezavisno od svog britanskog kolege) sličnu teoriju.

1915 Međutim, sva njihova djela ostala su nezatražena do početka 20. stoljeća. Godine 1915. Albert Ajnštajn je objavio Opću teoriju relativnosti i pokazao da je gravitacija zakrivljenost prostor-vremena uzrokovana materijom, a nekoliko mjeseci kasnije njemački astronom i teorijski fizičar Karl Schwarzschild ju je iskoristio za rješavanje specifičnog astronomskog problema. Istražio je strukturu zakrivljenog prostor-vremena oko Sunca i ponovo otkrio fenomen crnih rupa.

(John Wheeler je skovao termin "crne rupe")

1967 Američki fizičar John Wheeler ocrtao je prostor koji se može zgužvati, kao komad papira, u beskonačno malu tačku i označio ga terminom "Crna rupa".

1974 Britanski fizičar Stephen Hawking dokazao je da crne rupe, iako apsorbuju materiju bez povratka, mogu emitovati zračenje i na kraju ispariti. Ovaj fenomen se naziva "Hawkingovo zračenje".

2013 Najnovija istraživanja pulsara i kvazara, kao i otkriće kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja, konačno su omogućila da se opiše sam koncept crnih rupa. Godine 2013. plinski oblak G2 došao je vrlo blizu crnoj rupi i najvjerovatnije će biti apsorbiran njome, posmatrajući jedinstveni proces pruža ogromne mogućnosti za nova otkrića karakteristika crnih rupa.

(Masivni objekat Strelac A*, njegova masa je 4 miliona puta veća od Sunca, što implicira jato zvezda i formiranje crne rupe)

2017. Grupa naučnika iz višenacionalne saradnje Event Horizon Telescope, koja povezuje osam teleskopa sa različitih tačaka na Zemljinim kontinentima, primetila je crnu rupu, koja je supermasivni objekat koji se nalazi u galaksiji M87, sazvežđu Djevica. Masa objekta je 6,5 milijardi (!) solarnih masa, gigantski puta veća od masivnog objekta Strelac A*, za poređenje, sa prečnikom nešto manjim od udaljenosti od Sunca do Plutona.

Posmatranja su vršena u nekoliko etapa, počevši od proljeća 2017. godine i kroz periode 2018. godine. Količina informacija iznosila je petabajte, koje je potom trebalo dešifrirati i dobiti pravu sliku ultra-udaljenog objekta. Stoga je trebalo još dvije cijele godine da se svi podaci temeljito obrađuju i objedinjuju u jednu cjelinu.

2019 Podaci su uspješno dešifrovani i prikazani, stvarajući prvu ikada sliku crne rupe.

(Prva ikada slika crne rupe u galaksiji M87 u sazviježđu Djevica)

Rezolucija slike vam omogućava da vidite senku tačke bez povratka u centru objekta. Slika je dobijena kao rezultat ultra-dugih baznih interferometrijskih opservacija. To su takozvana sinhrona opažanja jednog objekta sa više radioteleskopa međusobno povezanih mrežom i smještenih u različitim dijelovima globus, usmjerena u jednom smjeru.

Šta su crne rupe zapravo

Lakonično objašnjenje fenomena ide ovako.

Crna rupa je prostorno-vremenski region čija je gravitaciona privlačnost toliko jaka da nijedan objekat, uključujući i kvante svetlosti, ne može da je napusti.

Crna rupa je nekada bila ogromna zvijezda. Dokle god termonuklearne reakcije održavaju visok pritisak u svojim dubinama, sve ostaje normalno. Ali vremenom se zalihe energije iscrpljuju i nebesko tijelo, pod uticajem sopstvene gravitacije, počinje da se sabija. Završna faza ovog procesa je kolaps zvjezdanog jezgra i formiranje crne rupe.

• 1. Crna rupa izbacuje mlaz velikom brzinom


• 2. Disk materije izrasta u crnu rupu


• 3. Crna rupa


• 4. Detaljan dijagram regije crne rupe


• 5. Veličina novih pronađenih zapažanja

Najčešća teorija je da slični fenomeni postoje u svakoj galaksiji, uključujući centar našeg Mliječnog puta. Ogromna gravitaciona sila rupe je sposobna da zadrži nekoliko galaksija oko sebe, sprečavajući ih da se udalje jedna od druge. “Površina pokrivenosti” može biti različita, sve zavisi od mase zvijezde koja se pretvorila u crnu rupu, a može biti i hiljadama svjetlosnih godina.

Schwarzschildov radijus

Glavno svojstvo crne rupe je da se bilo koja supstanca koja upadne u nju nikada ne može vratiti. Isto važi i za svetlost. U svojoj osnovi, rupe su tijela koja u potpunosti apsorbiraju svu svjetlost koja pada na njih i ne emituju ništa od sebe. Takvi objekti mogu vizualno izgledati kao ugrušci apsolutne tame.

• 1. Kretanje materije upola manjom brzinom svjetlosti


• 2. Fotonski prsten


• 3. Unutrašnji fotonski prsten


• 4. Horizont događaja u crnoj rupi

Počevši od Opća teorija Prema Ajnštajnovoj relativnosti, ako se telo približi kritičnoj udaljenosti od centra rupe, ono više neće moći da se vrati. Ova udaljenost se naziva Schwarzschildov radijus. Šta se tačno dešava unutar ovog radijusa nije poznato sa sigurnošću, ali postoji najčešća teorija. Vjeruje se da je sva materija crne rupe koncentrisana u beskonačno maloj tački, a u njenom središtu se nalazi objekat beskonačne gustine, koji naučnici nazivaju singularnom perturbacijom.

Kako dolazi do pada u crnu rupu?

(Na slici crna rupa Strijelac A* izgleda kao izuzetno svijetlo jato svjetlosti)

Ne tako davno, 2011. godine, naučnici su otkrili oblak gasa, dajući mu jednostavno ime G2, koji emituje neobičnu svjetlost. Ovaj sjaj može biti uzrokovan trenjem u plinu i prašini uzrokovanom crnom rupom Strijelca A*, koja kruži oko nje kao akrecijski disk. Tako postajemo posmatrači nevjerovatnog fenomena apsorpcije oblaka plina supermasivnom crnom rupom.

Prema nedavnim studijama, najbliži pristup crnoj rupi dogodit će se u martu 2014. Možemo ponovo stvoriti sliku kako će se ovaj uzbudljivi spektakl odvijati.

• 1. Kada se prvi put pojavi u podacima, oblak gasa podseća na ogromnu loptu gasa i prašine.


• 2. Sada, od juna 2013. godine, oblak je desetinama milijardi kilometara udaljen od crne rupe. U njega pada brzinom od 2500 km/s.


• 3. Očekuje se da će oblak proći pored crne rupe, ali plimne sile uzrokovane razlikom u gravitaciji koje djeluju na prednju i stražnju ivicu oblaka dovešće do toga da on poprimi sve izduženiji oblik.


• 4. Nakon što se oblak razbije, većina će se najvjerovatnije sliti u akrecijski disk oko Strijelca A*, stvarajući u njemu udarne talase. Temperatura će skočiti na nekoliko miliona stepeni.


• 5. Dio oblaka će pasti direktno u crnu rupu. Niko ne zna tačno šta će se sledeće desiti sa ovom supstancom, ali se očekuje da će kako padne emitovati snažne tokove rendgenskih zraka i da se više nikada neće videti.

Video: crna rupa proguta oblak gasa

(Kompjuterska simulacija koliko bi oblaka gasa G2 uništila i potrošila crna rupa Sagittarius A*)

Šta je unutar crne rupe

Postoji teorija koja kaže da je crna rupa iznutra praktično prazna, a sva njena masa koncentrisana je u neverovatno maloj tački koja se nalazi u samom njenom centru - singularitetu.

Prema drugoj teoriji, koja postoji već pola veka, sve što upadne u crnu rupu prelazi u drugi univerzum koji se nalazi u samoj crnoj rupi. Sada ova teorija nije glavna.

A postoji i treća, najmodernija i najžilavija teorija, prema kojoj se sve što upadne u crnu rupu rastvara u vibracijama žica na njenoj površini, koja je označena kao horizont događaja.

Dakle, šta je horizont događaja? Nemoguće je pogledati u crnu rupu čak ni super-moćnim teleskopom, jer čak i svjetlost, koja ulazi u džinovski kosmički lijevak, nema šanse da se vrati. Sve što se može bar nekako razmotriti nalazi se u njegovoj neposrednoj blizini.

Horizont događaja je konvencionalna površinska linija ispod koje ništa (ni plin, ni prašina, ni zvijezde, ni svjetlost) ne može pobjeći. A ovo je vrlo misteriozna tačka bez povratka u crne rupe Univerzuma.