Потекло на црната дупка. Црна дупка. Што е тоа? Најмалата црна дупка

Црната дупка е област на време-просторот чија гравитациска привлечност е толку силна што дури и објектите што се движат со брзина на светлината, вклучувајќи ги и самите кванти на светлината, не можат да ја напуштат. Границата на овој регион се нарекува хоризонт на настани, а неговата карактеристична големина се нарекува гравитациски радиус.

Идејата за „црна дупка“ првпат се појавила во 1916 година, кога физичарот Шварцшилд ги решавал равенките на Ајнштајн. Математиката доведе до чуден заклучок дека постојат компактни објекти околу кои се појавува хоризонт на настани со интересни својства. Но, терминот „црна дупка“ сè уште не постоеше. Хоризонтот на настани е регион од просторот кој опкружува црна дупка, еднаш во кој материјата никогаш нема да може да го напушти овој регион и да падне во црната дупка. Светлината сè уште може да ја надмине огромната сила на гравитацијата, да ги испрати последните струи од материјата што исчезнува, но само за краток временски период, додека материјата што паѓа не падне во таканаречената зона на сингуларност, за која веќе не е Карл Шварцшилд, германски астроном, еден од основачите на теоретската астрофизика

Во 1930-тите, Чадвик го открил неутронот. Наскоро, беше изнесена хипотеза за постоење на неутрино ѕвезди, кои, на големи маси, се покажаа како нестабилни и се компресирани до состојба на колапс. Терминот „црна дупка“ сè уште не постоел. Дури во доцните 1960-ти Американецот Џон Вилер рече „црна дупка“. Ова е точка во вселената каде што материјата и енергијата исчезнуваат под влијание на гравитационите сили. На ова место, гравитационите сили се толку силни што сè во близина е буквално вшмукувано внатре. Дури и светлосните зраци не можат да избегаат од таму, па црната дупка е целосно невидлива. Џон Вилер, американски физичар.

„Црната дупка“ може да се открие со специфичното рендгенско зрачење што се создава кога ја вшмукува материја. Во 1970-тите, американскиот сателит „Ухуру“ (на еден од африканските дијалекти - „Слобода“) снимил специфично зрачење со рендген. Оттогаш, „црната дупка“ постои не само во пресметките. Токму за овие студии Рикардо Џакони ја доби Нобеловата награда во 2002 година. Рикардо Џакони, американски физичар со италијанско потекло, добитник на Нобеловата награда за физика во 2002 година „за создавање на астрономија со рендген и пронајдокот на телескопот со рендгенски зраци“

Во моментов, научниците открија околу илјада објекти во Универзумот кои се класифицирани како црни дупки. Севкупно, сугерираат научниците, има десетици милиони такви објекти. Во моментов, единствениот сигурен начин да се разликува црната дупка од објект од друг тип е да се измери масата и големината на објектот и да се спореди неговиот радиус со гравитациониот радиус, кој е даден со формулата =, каде што G е гравитационата константа , M е масата на објектот, c е Супермасивни црни дупки брзина на светлината. Обраснати многу големи црни дупки ги формираат јадрата на повеќето галаксии. Тие ја вклучуваат масивната црна дупка во јадрото на нашата галаксија - Стрелец А*, која е најблиската супермасивна црна дупка до Сонцето. Во моментов, постоењето на црни дупки од ѕвездени и галактички размери се смета од страна на повеќето научници за веродостојно докажано со астрономски набљудувања. Американските астрономи открија дека масите на супермасивни црни дупки може да бидат значително потценети. Истражувачите утврдиле дека за ѕвездите да се движат на начинот на кој сега се набљудувани во галаксијата М87 (која се наоѓа на 50 милиони светлосни години од Земјата), масата на централната црна дупка би требало да биде голема како Радио Галакси Пикос. А, со видлив млаз со рендген (сина) ) долга 300 илјади светлосни години, што произлегува од

Откривање на супермасивни црни дупки Најсигурниот доказ за постоењето на супермасивни црни дупки во централните региони на галаксиите се смета за најсигурен. Денес, резолуцијата на телескопите не е доволна за да се разликуваат региони на вселената со големина според редот на гравитациониот радиус на црната дупка. Постојат многу начини за одредување на масата и приближните димензии на супермасивно тело, но повеќето од нив се засноваат на мерење на карактеристиките на орбитите на предметите што ротираат околу нив (ѕвезди, радиоизвори, гасни дискови). Во наједноставниот и прилично вообичаен случај, ротацијата се случува долж кеплеровите орбити, како што е потврдено со пропорционалноста на брзината на ротација на сателитот со квадратниот корен на полуглавната оска на орбитата: . Во овој случај, масата на централното тело се наоѓа според добро познатата формула.

Помеѓу Французите и Британците понекогаш се води полушега, понекогаш сериозна дебата: кој треба да се смета за откривач на можноста за постоење на невидливи ѕвезди - Французинот П. Лаплас или Англичанецот Ј. Мишел? Во 1973 година, познатите англиски теоретски физичари С. Хокинг и Г. Елис, во книгата посветена на современите специјални математички прашања за структурата на просторот и времето, ја наведоа работата на Французинот П. Лаплас со доказ за можноста за постоење од црни ѕвезди; Во тоа време, работата на Џеј Мишел сè уште не беше позната. Во есента 1984 година, познатиот англиски астрофизичар М. Рајс, говорејќи на конференција во Тулуз, рече дека иако не е многу погодно да се каже на територијата на Франција, тој мора да нагласи дека Англичанецот Џ. Мишел бил првиот што предвиди невидливи ѕвезди и покажа снимка од првата страница што одговара на неговата работа. Оваа историска забелешка наиде на аплауз и насмевки кај присутните.

Како може да не се потсетиме на дискусиите меѓу Французите и Британците за тоа кој ја предвидел позицијата на планетата Нептун од нарушувања во движењето на Уран: Французинот В. Ле Верие или Англичанецот Ј. Адамс? Како што е познато, и двајцата научници независно правилно ја посочија позицијата нова планета. Тогаш повеќе среќа имаше Французинот В. Ле Верие. Ова е судбината на многу откритија. Тие често се прават речиси истовремено и независно различни луѓеОбично приоритет им се дава на оние кои навлегле подлабоко во суштината на проблемот, но понекогаш тоа се едноставно каприците на среќата.

Но, предвидувањето на П. Лаплас и Ј. Мишел сè уште не беше вистинско предвидување за црна дупка. Зошто?

Факт е дека во времето на П. Лаплас сè уште не се знаело дека ништо во природата не може да се движи побрзо од светлината. Невозможно е да се надмине светлината во празнината! Ова го воспостави Ајнштајн во специјалната теорија на релативноста веќе во нашиот век. Затоа, за П. Лаплас, ѕвездата што ја разгледувал била само црна (непрозрачна) и не можел да знае дека таква ѕвезда ќе ја изгуби способноста да „комуницира“ со надворешниот свет на кој било начин, да „извести“ нешто за далечните светови за настаните што се случуваат на него. Со други зборови, тој сè уште не знаеше дека ова не е само „црна“, туку и „дупка“ во која можеш да паднеш, но беше невозможно да се излезе. Сега знаеме дека ако светлината не може да излезе од некој регион на вселената, тогаш тоа значи дека ништо не може да излезе, а таков објект го нарекуваме црна дупка.

Друга причина зошто расудувањето на П. Лаплас не може да се смета за ригорозно е тоа што тој ги сметал гарвитационите полиња со огромна јачина, во кои телата што паѓаат се забрзуваат до брзината на светлината, а самата светлина што излегува може да се одложи и го применил законот за гравитација на Њутн.

А. Ајнштајн покажа дека Њутновата теорија за гравитација е неприменлива за такви полиња и создаде нова теорија која важи за суперсилни полиња, како и за полиња кои брзо се менуваат (за кои теоријата на Њутн е исто така неприменлива!) итн. ја нарече општата теорија на релативноста. Токму заклучоците од оваа теорија треба да се искористат за да се докаже можноста за постоење на црни дупки и да се проучат нивните својства.

Општата релативност е неверојатна теорија. Таа е толку длабока и витка што предизвикува чувство на естетско задоволство кај секој што ќе ја запознае. Советските физичари Л. Ландау и Е. Лифшиц во нивниот учебник „Теорија на терен“ ја нарекоа „најубавата од сите постоечки физички теории“. Германскиот физичар Макс Борн рече за откривањето на теоријата на релативноста: „Се восхитувам како уметничко дело“. И советскиот физичар В. Гинзбург напиша дека предизвикува „...чувство... слично на она што се доживува кога се гледаат најистакнатите ремек-дела на сликарството, скулптурата или архитектурата“.

Бројните обиди за популарно претставување на теоријата на Ајнштајн, се разбира, можат да дадат општ впечаток за неа. Но, искрено кажано, тоа е толку малку слично на задоволството од познавањето на самата теорија, колку што запознавањето со репродукцијата на „Систина Мадона“ се разликува од искуството што се јавува кога се гледа оригиналот создаден од генијот Рафаел.

А сепак, кога нема можност да му се восхитувате на оригиналот, можете (и треба!) да се запознаете со достапните репродукции, по можност добри (и ги има секакви).

Новиков И.Д.

Историја на црните дупки

Алексеј Левин

Научното размислување понекогаш конструира предмети со такви парадоксални својства што дури и најпроникливите научници првично одбиваат да ги препознаат. Најочигледен пример во историјата најнова физика- долгорочен недостаток на интерес за црните дупки, екстремни состојби на гравитационото поле предвидени пред речиси 90 години. Долго време тие се сметаа за чисто теоретска апстракција, а само во 1960-70-тите луѓето веруваа во нивната реалност. Сепак, основната равенка за теоријата на црните дупки е изведена пред повеќе од двесте години.

Увид на Џон Мишел

Името на Џон Мишел, физичар, астроном и геолог, професор на Универзитетот во Кембриџ и свештеник на Англиканската црква, беше сосема незаслужено изгубено меѓу ѕвездите на англиската наука од 18 век. Мишел ги постави темелите на сеизмологијата - науката за земјотресите, спроведе одлични истражувања за магнетизмот и, долго пред Кулон, го измисли торзиониот баланс, кој го користеше за гравиметриски мерења. Во 1783 година, тој се обиде да ги спои двете големи креации на Њутн - механиката и оптиката. Њутн сметал дека светлината е млаз од ситни честички. Мишел сугерираше дека лесните тела, како и обичната материја, ги почитуваат законите на механиката. Последиците од оваа хипотеза се покажаа како многу нетривијални - небесните тела можат да се претворат во стапици за светлина.

Како размислуваше Мишел? Топско ѓуле испукано од површината на планетата целосно ќе ја надмине нејзината гравитација само ако неговата почетна брзина ја надмине она што сега се нарекува втора брзина на бегство. Ако гравитацијата на планетата е толку силна што брзината на бегство ја надминува брзината на светлината, светлосните тела ослободени во зенитот нема да можат да одат до бесконечност. Истото ќе се случи и со рефлектираната светлина. Следствено, планетата ќе биде невидлива за многу далечен набљудувач. Мишел ја пресметал критичната вредност на радиусот на таквата планета R cr во зависност од нејзината маса M сведена на масата на нашето Сонце M s: R cr = 3 km x M/M s.

Џон Мишел верувал во неговите формули и претпоставил дека длабочините на вселената кријат многу ѕвезди кои не можат да се видат од Земјата со ниту еден телескоп. Подоцна, големиот француски математичар, астроном и физичар Пјер Симон Лаплас дошол до истиот заклучок, кој го вклучил и во првото (1796) и во второто (1799) издание на неговата „Изложба на светскиот систем“. Но, третото издание беше објавено во 1808 година, кога повеќето физичари веќе сметаа дека светлината е вибрации на етерот. Постоењето на „невидливи“ ѕвезди е во спротивност со теоријата на брановите на светлината, а Лаплас сметаше дека е најдобро едноставно да не ги спомнува. Во следните времиња, оваа идеја се сметаше за љубопитност, достојна за презентација само во делата за историјата на физиката.

Модел на Шварцшилд

Во ноември 1915 година, Алберт Ајнштајн објавил теорија за гравитација, која ја нарекол општа теорија на релативност (ГР). Ова дело веднаш најде благодарен читател во лицето на неговиот колега од Берлинската академија на науките, Карл Шварцшилд. Тоа беше Шварцшилд кој беше првиот во светот кој ја искористи општата релативност за да реши специфичен астрофизички проблем, пресметувајќи ја метриката простор-време надвор и внатре во сферично тело што не ротира (за специфичност, ќе го наречеме ѕвезда).

Од пресметките на Шварцшилд произлегува дека гравитацијата на ѕвездата не ја искривува премногу Њутновата структура на просторот и времето само ако нејзиниот радиус е многу поголем од самата вредност што ја пресметал Џон Мишел! Овој параметар најпрво бил наречен радиус на Шварцшилд, а сега се нарекува гравитациски радиус. Според општата релативност, гравитацијата не влијае на брзината на светлината, туку ја намалува фреквенцијата на светлосните вибрации во иста пропорција како што го забавува времето. Ако радиусот на ѕвездата е 4 пати поголем од гравитациониот радиус, тогаш текот на времето на нејзината површина се забавува за 15%, а просторот добива забележлива кривина. Кога ќе се надмине двапати, посилно се наведнува, а времето забавува за 41%. Кога ќе се достигне гравитациониот радиус, времето на површината на ѕвездата целосно застанува (сите фреквенции одат на нула, зрачењето замрзнува, а ѕвездата излегува), но закривеноста на просторот таму е сè уште конечна. Далеку од ѕвездата, геометријата сè уште останува Евклидова, а времето не ја менува нејзината брзина.

И покрај фактот дека вредностите на гравитациониот радиус на Мишел и Шварцшилд се совпаѓаат, самите модели немаат ништо заедничко. За Мишел, просторот и времето не се менуваат, туку светлината забавува. Ѕвезда чии димензии се помали од нејзиниот гравитациски радиус продолжува да свети, но е видлива само за не премногу далечен набљудувач. За Шварцшилд, брзината на светлината е апсолутна, но структурата на просторот и времето зависи од гравитацијата. Ѕвезда која паднала под гравитациониот радиус исчезнува за секој набљудувач, без разлика каде се наоѓа (поточно, може да се открие со гравитациски ефекти, но не и со зрачење).

Од неверување до потврда

Шварцшилд и неговите современици верувале дека такви чудни вселенски објекти не постојат во природата. Самиот Ајнштајн не само што се придржувал до оваа гледна точка, туку и погрешно верувал дека успеал математички да го поткрепи своето мислење.

Во 1930-тите, младиот индиски астрофизичар Чандрасехар докажа дека ѕвездата што го потрошила своето нуклеарно гориво ја отфрла својата обвивка и се претвора во бело џуџе кое полека се лади само ако нејзината маса е помала од 1,4 сончеви маси. Наскоро Американецот Фриц Цвики сфатил дека експлозиите на супернова произведуваат исклучително густи тела од неутронска материја; Подоцна до истиот заклучок дојде и Лев Ландау. По работата на Чандрасехар, беше очигледно дека само ѕвезди со маса поголема од 1,4 соларни маси може да претрпат таква еволуција. Така, се појави природно прашање: дали постои горна граница на масата на супернови што неутронските ѕвезди ја оставаат зад себе?

На крајот на 30-тите години, идниот татко на Американецот атомска бомбаРоберт Опенхајмер утврдил дека таквата граница всушност постои и не надминува неколку сончеви маси. Тогаш не беше можно да се даде попрецизна оценка; Сега е познато дека масата на неутронските ѕвезди мора да биде во опсег од 1,5–3 M s. Но, дури и од грубите пресметки на Опенхајмер и неговиот дипломиран студент Џорџ Волков, следеше дека најмасивните потомци на суперновите не стануваат неутронски ѕвезди, туку се трансформираат во некоја друга состојба. Во 1939 година, Опенхајмер и Хартланд Снајдер користеа идеализиран модел за да докажат дека масивна ѕвезда во колапс е намалена до нејзиниот гравитациски радиус. Од нивните формули всушност произлегува дека ѕвездата не застанува тука, но коавторите се воздржале од таков радикален заклучок.

Конечниот одговор беше пронајден во втората половина на 20 век преку напорите на цела галаксија брилијантни теоретски физичари, вклучувајќи ги и советските. Се испостави дека таков колапс Секогашја компресира ѕвездата „до крај“, целосно уништувајќи ја нејзината материја. Како резултат на тоа, се појавува сингуларност, „суперконцентрат“ на гравитационото поле, затворен во бесконечно мал волумен. За стационарна дупка тоа е точка, за ротирачка дупка е прстен. Заобленоста на простор-времето и, според тоа, силата на гравитацијата во близина на сингуларноста се стреми кон бесконечноста. На крајот на 1967 година, американскиот физичар Џон Арчибалд Вилер беше првиот што го нарече овој последен ѕвезден колапс црна дупка. Новиот термин го сакаа физичарите и ги воодушевија новинарите, кои го раширија низ светот (иако на Французите на почетокот не им се допадна, бидејќи изразот trou noir сугерираше сомнителни асоцијации).

Таму, надвор од хоризонтот

Црната дупка не е ниту материја ниту зрачење. Со одредена фигуративност, можеме да кажеме дека ова е самоодржливо гравитационо поле концентрирано во високо закривен регион на време-просторот. Нејзината надворешна граница е дефинирана со затворена површина, хоризонтот на настани. Ако ѕвездата не ротирала пред колапсот, оваа површина се покажува како правилна сфера, чиј радиус се совпаѓа со радиусот Шварцшилд.

Физичкото значење на хоризонтот е многу јасно. Светлосниот сигнал испратен од неговата надворешна близина може да патува бесконечно долго растојание. Но, сигналите испратени од внатрешниот регион не само што нема да го преминат хоризонтот, туку неизбежно ќе „паднат“ во сингуларноста. Хоризонтот е просторна граница помеѓу настаните што можат да им станат познати на копнените (и сите други) астрономи, и настаните за кои информации во никој случај нема да излезат.

Како што се очекуваше „според Шварцшилд“, далеку од хоризонтот привлекувањето на дупката е обратно пропорционално на квадратот на растојанието, така што за далечен набљудувач се манифестира како обично тешко тело. Освен масата, дупката го наследува моментот на инерција на пропаднатата ѕвезда и нејзиниот електричен полнеж. И сите други карактеристики на ѕвездата претходник (структура, состав, спектрален тип итн.) бледнеат во заборав.

Ајде да испратиме сонда до дупката со радио станица која испраќа сигнал еднаш во секунда според времето на одборот. За далечински набљудувач, како што сондата се приближува до хоризонтот, временските интервали помеѓу сигналите ќе се зголемуваат - во принцип, неограничено. Штом бродот ќе го премине невидливиот хоризонт, ќе стане целосно тивок за светот „над дупката“. Сепак, ова исчезнување нема да биде без трага, бидејќи сондата ќе се откаже од својата маса, полнење и вртежен момент до дупката.

Зрачењето на црната дупка

Сите претходни модели беа изградени исклучиво врз основа на општата релативност. Сепак, нашиот свет е управуван од законите на квантната механика, кои не ги игнорираат црните дупки. Овие закони не ни дозволуваат да ја сметаме централната сингуларност како математичка точка. Во квантен контекст, неговиот дијаметар е даден со должината на Планк-Вилер, приближно еднаква на 10-33 сантиметри. Во оваа област, обичниот простор престанува да постои. Општо е прифатено дека центарот на дупката е исполнет со различни тополошки структури кои се појавуваат и умираат во согласност со квантните веројатносни закони. Својствата на таквиот квази-простор кој клокоти, кој Вилер го нарече квантна пена, сè уште се слабо разбрани.

Присуството на квантна сингуларност има директно влијание врз судбината на материјалните тела кои паѓаат во длабочините на црната дупка. Кога се приближува до центарот на дупката, секој предмет направен од моментално познати материјали ќе биде смачкан и растргнат од плимните сили. Сепак, дури и ако идните инженери и технолози создадат некои суперсилни легури и композити со моментално невидени својства, сите тие се уште се осудени да исчезнат: на крајот на краиштата, во зоната на сингуларност нема ниту вообичаено време ниту вообичаен простор.

Сега да го погледнеме хоризонтот на дупката преку квантна механичка леќа. Празниот простор - физички вакуум - всушност воопшто не е празен. Поради квантните флуктуации на различни полиња во вакуум, многу виртуелни честички постојано се раѓаат и умираат. Бидејќи гравитацијата во близина на хоризонтот е многу силна, нејзините флуктуации создаваат исклучително силни гравитациски изливи. Кога се забрзуваат на такви полиња, новородените „виртуелни“ добиваат дополнителна енергија и понекогаш стануваат нормални долговечни честички.

Виртуелните честички секогаш се раѓаат во парови кои се движат во спротивни насоки (ова го бара законот за зачувување на импулсот). Ако гравитациската флуктуација извлече пар честички од вакуумот, може да се случи една од нив да се материјализира надвор од хоризонтот, а втората (античестичката на првата) внатре. „Внатрешната“ честичка ќе падне во дупката, но „надворешната“ честичка може да избега под поволни услови. Како резултат на тоа, дупката се претвора во извор на зрачење и затоа ја губи енергијата и, следствено, масата. Затоа, црните дупки во принцип не се стабилни.

Овој феномен се нарекува ефект на Хокинг, по извонредниот англиски теоретски физичар кој го открил во средината на 1970-тите. Стивен Хокинг, особено, докажа дека хоризонтот на црната дупка емитира фотони на ист начин како апсолутно црно тело загреано на температура од T = 0,5 x 10 –7 x M s /M. Следи дека како што дупката станува потенка, нејзината температура се зголемува, а „испарувањето“ природно се интензивира. Овој процес е исклучително бавен, а животниот век на дупка со маса М е околу 10 65 x (M/M s) 3 години. Кога нејзината големина станува еднаква на должината на Планк-Вилер, дупката ја губи стабилноста и експлодира, ослободувајќи ја истата енергија како симултаната експлозија на милион хидрогенски бомби од десет мегатони. Интересно е што масата на дупката во моментот на нејзиното исчезнување е сè уште прилично голема, 22 микрограми. Според некои модели, дупката не исчезнува без трага, туку зад себе остава стабилна реликвија со иста маса, таканаречениот максимон.

Максимоне роден пред 40 години - како поим и како физичка идеја. Во 1965 година, академик М.А. Марков сугерираше дека постои горна граница на масата на елементарните честички. Тој предложи оваа ограничувачка вредност да се смета како димензија на масата, која може да се комбинира од три основни физички константи - Планковата константа h, брзината на светлината C и гравитациската константа G (за оние кои сакаат детали: за да го направите ова, треба за множење на h и C, поделете го резултатот со G и извадете го Квадратен корен). Ова се истите 22 микрограми што се споменати во статијата; оваа вредност се нарекува Планкова маса. Од истите константи може да се конструира величина со димензија на должина (должината на Планк-Вилер излегува 10–33 cm) и со димензија на време (10–43 секунди).
Марков отиде понатаму во своето размислување. Според неговите хипотези, испарувањето на црната дупка доведува до формирање на „сув остаток“ - максимон. Марков таквите структури ги нарекол елементарни црни дупки. Колку оваа теорија кореспондира со реалноста е сè уште отворено прашање. Во секој случај, аналози на максимоните на Марков се оживеани во некои модели на црни дупки засновани на теоријата на супержици.

Длабочините на просторот

Црните дупки не се забранети со законите на физиката, но дали постојат во природата? Апсолутно ригорозни докази за присуство на барем еден таков објект во вселената сè уште не се пронајдени. Сепак, многу е веројатно дека во некои бинарни системи извори на емисија на Х-зраци се црните дупки со ѕвездено потекло. Ова зрачење треба да настане како резултат на атмосферата на обична ѕвезда која е вшмукувана од гравитационото поле на соседната дупка. Како што гасот се движи кон хоризонтот на настани, тој станува многу жежок и емитува кванти на Х-зраци. Најмалку дваесетина извори на Х-зраци сега се сметаат за соодветни кандидати за улогата на црни дупки. Згора на тоа, ѕвездената статистика сугерира дека само во нашата галаксија има околу десет милиони дупки со ѕвездено потекло.

Црните дупки може да се формираат и за време на гравитациската кондензација на материјата во галактичките јадра. Така се појавуваат гигантски дупки со маса од милиони и милијарди соларни маси, кои, најверојатно, постојат во многу галаксии. Очигледно, во центарот на Млечниот Пат, скриен од облаци од прашина, има дупка со маса од 3-4 милиони соларни маси.

Стивен Хокинг дошол до заклучок дека црните дупки со произволна маса може да се родат веднаш потоа Големата експлозија, што го роди нашиот Универзум. Примарните дупки тежи до милијарда тони веќе испариле, но потешките сè уште можат да се сокријат во длабочините на вселената и, во догледно време, да предизвикаат космички огномет во форма моќни ракетигама зрачење. Сепак, такви експлозии никогаш досега не биле забележани.

Фабрика за црни дупки

Дали е можно да се забрзаат честичките во забрзувачот до толку висока енергија, така што нивниот судар ќе создаде црна дупка? На прв поглед, оваа идеја е едноставно луда - експлозијата на дупка ќе го уништи целиот живот на Земјата. Покрај тоа, тоа е технички неизводливо. Ако минималната маса на дупка е навистина 22 микрограми, тогаш во енергетски единици таа е 10 28 електрон волти. Овој праг е за 15 реда по големина поголем од можностите на најмоќниот акцелератор на светот, Големиот хадронски судирач (LHC), кој ќе биде лансиран во ЦЕРН во 2007 година.

Сепак, можно е стандардната проценка на минималната маса на дупката да е значително преценета. Во секој случај, тоа е она што го велат физичарите, развивајќи ја теоријата за супержиците, која ја вклучува квантната теорија на гравитација (иако далеку од целосна). Според оваа теорија, просторот нема три димензии, туку најмалку девет. Не ги забележуваме дополнителните димензии бидејќи тие се обвиткани во толку мал обем што нашите инструменти не ги перцепираат. Сепак, гравитацијата е сеприсутна, таа продира во скриени димензии. Во тридимензионалниот простор, силата на гравитацијата е обратно пропорционална на квадратот на растојанието, а во девет-димензионалниот простор е пропорционална на осмата сила. Затоа, во повеќедимензионален свет, интензитетот на гравитационото поле се зголемува многу побрзо како што се намалува растојанието отколку во тридимензионалниот свет. Во овој случај, должината на Планк се зголемува многу пати, а минималната маса на дупката нагло паѓа.

Теоријата на струни предвидува дека црна дупка со маса од само 10-20 g може да се роди во девет-димензионален простор.Пресметаната релативистичка маса на протоните забрзани во суперзабрзувачот Церн е приближно иста. Според најоптимистичкото сценарио, ќе може да произведува по една дупка секоја секунда, која ќе преживее околу 10-26 секунди. Во процесот на неговото испарување ќе се родат секакви елементарни честички кои нема да биде тешко да се регистрираат. Исчезнувањето на дупката ќе доведе до ослободување на енергија, која нема да биде доволна ниту за загревање на еден микрограм вода за илјадати дел од степенот. Затоа, постои надеж дека LHC ќе се претвори во фабрика на безопасни црни дупки. Ако овие модели се точни, тогаш орбиталните детектори за космички зраци од новата генерација ќе можат да детектираат такви дупки.

Сето горенаведено се однесува на неподвижни црни дупки. Во меѓувреме, има и ротирачки дупки кои имаат куп интересни својства. Резултатите од теоретската анализа на зрачењето на црните дупки, исто така, доведоа до сериозно преиспитување на концептот на ентропија, што исто така заслужува посебна дискусија.

Вселенски суперзамаец

Статичките електрично неутрални црни дупки за кои зборувавме се целосно нетипични за реалниот свет. Пропаднатите ѕвезди обично ротираат и може да имаат и електричен полнеж.

Теорема за ќелавост

Џиновските дупки во галактичките јадра најверојатно се формирани од примарните центри на гравитациска кондензација - една „постѕвездена“ дупка или неколку дупки кои се споиле како резултат на судири. Таквите дупки од семето ги голтаат блиските ѕвезди и меѓуѕвездениот гас и со тоа многукратно ја зголемуваат нивната маса. Материјата што паѓа под хоризонтот повторно има и електричен полнеж (честичките на космичкиот гас и прашината лесно се јонизираат) и ротационен момент (падот се случува со пресврт, во спирала). Во било која физички процесмоментот на инерција и полнеж се зачувани, и затоа е природно да се претпостави дека формирањето на црни дупки не е исклучок.

Но, вистинита е и уште посилна изјава, чиј посебен случај беше формулиран во првиот дел од статијата (види А. Левин, Неверојатната историја на црните дупки, Популарна механика бр. 11, 2005 година). Без оглед на предците на макроскопската црна дупка, таа добива од нив само маса, вртежен момент и електричен полнеж. Според Џон Вилер, „црната дупка нема коса“. Би било поправилно да се каже дека не повеќе од три „влакна“ висат од хоризонтот на која било дупка, што беше докажано со комбинираните напори на неколку теоретски физичари во 1970-тите. Точно, во дупката мора да се зачува и магнетно полнење, чии хипотетички носители, магнетни монополи, ги предвидел Пол Дирак во 1931 година. Сепак, овие честички сè уште не се откриени, а рано е да се зборува за четвртата „коса“. Во принцип, може да има дополнителни „влакна“ поврзани со квантните полиња, но во макроскопската дупка тие се целосно невидливи.

А сепак се вртат

Ако статична ѕвезда се наполни, метриката на просторот ќе се промени, но хоризонтот на настани сè уште ќе остане сферичен. Сепак, од повеќе причини, ѕвездените и галактичките црни дупки не можат да носат голем полнеж, па од гледна точка на астрофизиката овој случај не е многу интересен. Но, ротацијата на дупката повлекува посериозни последици. Прво, обликот на хоризонтот се менува. Центрифугалните сили го притискаат по оската на ротација и го истегнуваат во екваторијалната рамнина, така што сферата се трансформира во нешто слично на елипсоид. Во суштина, истото се случува со хоризонтот како и со секое ротирачко тело, особено со нашата планета - на крајот на краиштата, екваторијалниот радиус на Земјата е 21,5 km подолг од поларниот. Второ, ротацијата ги намалува линеарните димензии на хоризонтот. Потсетете се дека хоризонтот е интерфејс помеѓу настаните кои може или не испраќаат сигнали до далечните светови. Ако гравитацијата на дупката плени светлосни кванти, тогаш центрифугалните сили, напротив, придонесуваат за нивното бегство во вселената. Затоа, хоризонтот на ротирачката дупка треба да се наоѓа поблиску до неговиот центар отколку хоризонтот на статична ѕвезда со иста маса.

Но, тоа не е се. Дупката во нејзината ротација го одзема околниот простор. Во непосредна близина на дупката, заградата е завршена, на периферијата постепено слабее. Затоа, хоризонтот на дупката е потопен во посебен регион на просторот - ергосферата. Границата на ергосферата го допира хоризонтот на половите и се оддалечува од него во екваторијалната рамнина. На оваа површина, брзината на вселувањето на просторот е еднаква на брзината на светлината; внатре во неа е поголема од брзината на светлината, а надвор е помала. Затоа било кој материјално тело, било да е молекула на гас, честичка од космичка прашина или сонда за извидување, кога ќе влезе во ергосферата, таа секако почнува да ротира околу дупката и во иста насока како и самата.

Ѕвездени генератори

Присуството на ергосфера, во принцип, овозможува дупката да се користи како извор на енергија и. Оставете некој предмет да навлезе во ергосферата и таму да се распадне на два фрагменти. Може да испадне дека еден од нив ќе падне под хоризонтот, а другиот ќе ја напушти ергосферата, а неговата кинетичка енергија ќе ја надмине почетната енергија на целото тело! Ергосферата исто така има способност да го засилува електромагнетното зрачење кое паѓа врз неа и повторно се расфрла во вселената (овој феномен се нарекува суперзрачење).

Сепак, законот за зачувување на енергијата е непоколеблив - машините за постојано движење не постојат. Кога дупката внесува енергија во честички или зрачење, нејзината сопствена ротациона енергија се намалува. Вселенскиот суперзамаец постепено се забавува, а на крајот може дури и да запре. Се пресметува дека на овој начин до 29% од масата на дупката може да се претвори во енергија. Единствениот поефикасен процес од ова е уништувањето на материјата и антиматеријата, бидејќи во овој случај масата целосно се претвора во зрачење. Но, сончевото термонуклеарно гориво изгорува со многу помала ефикасност - околу 0,6%.

Следствено, брзо ротирачката црна дупка е речиси идеален генератор на енергија за космичките суперцивилизации (ако, се разбира, постојат такви). Во секој случај, природата го користи овој ресурс уште од памтивек. Квазарите, најмоќните вселенски „радио станици“ (извори на електромагнетни бранови), се напојуваат од енергијата на огромните ротирачки дупки лоцирани во јадрата на галаксиите. Оваа хипотеза беше изнесена од Едвин Салпетер и Јаков Зелдович уште во 1964 година и оттогаш таа стана општо прифатена. Материјалот што се приближува до дупката формира структура во облик на прстен, таканаречен акреционен диск. Бидејќи просторот во близина на дупката е силно извиткан од неговата ротација, внатрешната зона на дискот се држи во екваторијалната рамнина и полека се сместува кон хоризонтот на настани. Гасот во оваа зона е многу загреан со внатрешно триење и генерира инфрацрвено, светло, ултравиолетово и рентген зрачење, а понекогаш дури и гама зраци. Квазарите исто така емитуваат нетермичка радио емисија, што главно се должи на ефектот на синхротрон.

Многу плитка ентропија

Теоремата за ќелавата дупка крие многу подмолна замка. Ѕвезда што колабира е куп супержежок гас компримиран од гравитационите сили. Колку е поголема густината и температурата на ѕвездената плазма, толку помалку ред и повеќе хаос содржи таа. Степенот на хаос се изразува со многу специфична физичка големина - ентропија. Со текот на времето, ентропијата на кој било изолиран објект се зголемува - ова е суштината на вториот закон на термодинамиката. Ентропијата на ѕвездата пред да започне колапсот е премногу висока, а ентропијата на дупката се чини дека е исклучително мала, бидејќи се потребни само три параметри за недвосмислено да се опише дупката. Дали е нарушен вториот закон за термодинамика при гравитациски колапс?

Дали е можно да се претпостави дека кога ѕвездата се претвора во супернова, нејзината ентропија се занесува заедно со исфрлената обвивка? За жал не. Прво, масата на школка не може да се спореди со масата на ѕвездата, затоа загубата на ентропија ќе биде мала. Второ, не е тешко да се дојде до уште поубедливо ментално „побивање“ на вториот закон на термодинамиката. Нека тело со температура не нула, кое поседува некаква ентропија, падне во зоната на привлекување на готова дупка. Откако падна под хоризонтот на настани, ќе исчезне заедно со резервите на ентропија, а ентропијата на дупката, очигледно, воопшто нема да се зголеми. Примамливо е да се тврди дека ентропијата на вонземјанинот не исчезнува, туку се пренесува во внатрешноста на дупката, но ова е само вербален трик. Законите на физиката се исполнети во светот достапен за нас и нашите инструменти, а регионот под хоризонтот на настани за секој надворешен набљудувач е тера инкогнита.

Овој парадокс го реши дипломираниот студент на Вилер, Џејкоб Бекенштајн. Термодинамиката има многу моќен интелектуален ресурс - теоретска студија за идеални топлински мотори. Бекенштајн смислил ментален уред кој ја трансформира топлината во корисна работа, користејќи црна дупка како грејач. Користејќи го овој модел, тој ја пресметал ентропијата на црната дупка, што се покажа пропорционално на површината на хоризонтот на настани. Оваа област е пропорционална на квадратот на радиусот на дупката, кој, да потсетиме, е пропорционален на нејзината маса. При фаќање на кој било надворешен објект, масата на дупката се зголемува, радиусот се издолжува, површината на хоризонтот се зголемува и, соодветно, се зголемува ентропијата. Пресметките покажаа дека ентропијата на дупка што проголтала вонземски објект ја надминува вкупната ентропија на овој објект и дупката пред да се сретнат. Слично на тоа, ентропијата на ѕвезда што се распаѓа е многу поредоци на големина помала од ентропијата на дупката следбеник. Всушност, од резонирањето на Бекенштајн произлегува дека површината на дупката има температура не нула и затоа е едноставно обврзана да емитува термални фотони (и, доколку доволно се загрее, други честички). Сепак, Бекенштајн не се осмели да оди толку далеку (Стивен Хокинг го направи овој чекор).

До што дојдовме? Размислувањето за црните дупки не само што го остава вториот закон на термодинамиката недопрен, туку ни овозможува и да го збогатиме концептот на ентропија. Ентропијата на обично физичко тело е повеќе или помалку пропорционална со неговиот волумен, а ентропијата на дупката е пропорционална на површината на хоризонтот. Може строго да се докаже дека е поголема од ентропијата на кој било материјален објект со исти линеарни димензии. Тоа значи дека максимумЕнтропијата на затворена област на просторот се определува исклучиво од областа на нејзината надворешна граница! Како што гледаме, теоретската анализа на својствата на црните дупки ни овозможува да извлечеме многу длабоки заклучоци од општа физичка природа.

Гледајќи во длабочините на универзумот

Како се врши потрагата по црни дупки во длабочините на вселената? Popular Mechanics му го постави ова прашање на познатиот астрофизичар и професор на Универзитетот Харвард Рамеш Нарајан.

„Откривањето на црните дупки треба да се смета за едно од најголемите достигнувања на модерната астрономија и астрофизика. Во последниве децении, илјадници извори се идентификувани во вселената рендгенско зрачење, од кои секоја се состои од нормална ѕвезда и многу мал несветлен објект опкружен со акреционен диск. Темните тела со маса кои се движат од една и пол до три соларни маси најверојатно се неутронски ѕвезди. Меѓутоа, меѓу овие невидливи објекти има најмалку дваесетина речиси сто проценти кандидати за улогата на црна дупка. Покрај тоа, научниците дошле до консензус дека најмалку две гигантски црни дупки се скриени во галактичките јадра. Еден од нив се наоѓа во центарот на нашата Галаксија; според минатогодишното издание на астрономи од Соединетите Американски Држави и Германија, неговата маса е 3,7 милиони соларни маси (M s). Пред неколку години, моите колеги од Харвард-Смитсонијан Центарот за астрофизика Џејмс Моран и Линколн Гринхил дадоа голем придонес во мерењето на дупката во центарот на галаксијата Сејферт NGC 4258, која се повлече на 35 милиони М с. Со голема веројатност, во јадрата на многу галаксии има дупки со маса од милион до неколку милијарди M s.

Сè уште не е можно да се открие од Земјата навистина единствениот потпис на црна дупка - присуството на хоризонт на настани. Сепак, веќе знаеме како да го потврдиме неговото отсуство. Радиусот на неутронската ѕвезда е 10 километри; истиот редослед на големина е радиусот на дупките настанати како резултат на ѕвездениот колапс. Меѓутоа, неутронската ѕвезда има цврста површина, додека дупката нема. Падот на материјата на површината на неутронската ѕвезда повлекува термонуклеарни експлозии, кои генерираат периодични експлозии на Х-зраци кои траат една секунда. И кога гасот ќе стигне до хоризонтот на црната дупка, тој оди под неа и не се манифестира како никакво зрачење. Затоа, отсуството на кратки рендгенски блесоци е моќна потврда за природата на дупката на објектот. Сите дваесетина бинарни системи кои наводно содржат црни дупки не испуштаат такви блесоци.

Мора да се признае дека сега сме принудени да се задоволиме со негативни докази за постоењето на црните дупки. Објектите што ги прогласуваме за дупки не можат да бидат ништо друго од гледна точка на општоприфатените теоретски модели. Поинаку кажано, ние ги сметаме за дупки само затоа што не можеме разумно да ги сметаме за нешто друго. Се надевам дека следните генерации астрономи ќе имаат малку подобра среќа“.

На зборовите на професорот Нарајан, можеме да додадеме дека астрономите веќе подолго време веруваат во реалноста на постоењето на црни дупки. Историски гледано, првиот сигурен кандидат за оваа позиција беше темниот сателит на многу светло синиот суперџин HDE 226868, оддалечен 6.500 светлосни години. Откриен е во раните 1970-ти во рендгенскиот бинарен Cygnus X-1. Според последните податоци, неговата маса е околу 20 M s. Вреди да се напомене дека на 20 септември оваа година беа објавени податоци кои речиси целосно ги отфрлија сомнежите за реалноста на уште една дупка со галактички размери, за чие постоење астрономите првпат се сомневаа пред 17 години. Се наоѓа во центарот на галаксијата М31, попозната како маглина Андромеда. Галакси М31 е многу стар, приближно 12 милијарди години. Дупката е исто така доста голема - 140 милиони соларни маси. До есента 2005 година, астрономите и астрофизичарите конечно беа убедени во постоењето на три супермасивни црни дупки и уште неколку десетици нивни поскромни придружници.

Пресуда на теоретичарите

Популарната механика успеа да разговара и со двајца од најавторитетните експерти за теоријата на гравитацијата, кои посветиле децении на истражување во областа на црните дупки. Ги замоливме да ги наведат најважните достигнувања во оваа област. Еве што ни кажа професорот по теоретска физика во Калтек, Кип Торн:

„Ако зборуваме за макроскопски црни дупки, кои се добро опишани со равенките на општата релативност, тогаш во областа на нивната теорија главните резултати се добиени уште во 60-80-тите години на 20 век. Што се однесува до неодамнешната работа, најинтересните од нив овозможија подобро разбирање на процесите што се случуваат внатре во црната дупка како што старее. ВО последните годиниЗначително внимание се посветува на моделите на црни дупки во повеќедимензионални простори, кои природно се појавуваат во теоријата на струни. Но, овие студии повеќе не се однесуваат на класичните, туку на квантните дупки кои сè уште не се откриени. Главниот резултат од последниве години е многу убедлива астрофизичка потврда на реалноста за постоење на дупки со маса од неколку соларни маси, како и супермасивни дупки во центрите на галаксиите. Денес веќе нема сомнеж дека овие дупки навистина постојат и дека добро ги разбираме процесите на нивното формирање“.

Валери Фролов, студент на академик Марков и професор на Универзитетот во канадската провинција Алберта, одговори на истото прашање:

„Најпрво, би го именувал откривањето на црна дупка во центарот на нашата галаксија. Мошне интересни се и теоретските проучувања на дупките во просторите со дополнителни димензии, од кои следи можноста за раѓање на минидупки во експериментите на забрзувачите на судирите и во процесите на заемодејство на космичките зраци со копнената материја. Стивен Хокинг неодамна испрати претходно печатење на хартија што покажува дека топлинското зрачење од црната дупка е целосно вратено во надворешниот светинформации за состојбата на предметите што паднале под неговиот хоризонт. Претходно веруваше дека оваа информација неповратно исчезнува, но сега дојде до спротивен заклучок. Сепак, мора да се нагласи дека овој проблем може конечно да се реши само врз основа на квантната теорија на гравитација, која сè уште не е конструирана“.

Делото на Хокинг заслужува посебен коментар. Од општите принципи на квантната механика произлегува дека ниту една информација не исчезнува без трага, туку само се претвора во помалку „читлива“ форма. Сепак, црните дупки неповратно ја уништуваат материјата и, очигледно, исто толку грубо се справуваат со информациите. Во 1976 година, Хокинг објави статија во која овој заклучок беше поддржан од математички апарати. Некои теоретичари се согласија со него, некои не; особено, теоретичарите на струни верувале дека информацијата е неуништлива. Минатото лето, на конференција во Даблин, Хокинг рече дека информациите се уште се зачувани и ја напуштаат површината на испарувачката дупка заедно со топлинското зрачење. На овој состанок, Хокинг претстави само дијаграм од неговите нови пресметки, ветувајќи дека ќе ги објави во целост со текот на времето. И сега, како што рече Валери Фролов, ова дело стана достапно во форма на претходно печатење.

Конечно, побаравме од професорот Фролов да објасни зошто црните дупки ги смета за еден од најфантастичните изуми на човечката интелигенција.

„Астрономите долго време открија објекти за кои не беа потребни значително нови физички идеи за да се разберат. Ова не се однесува само на планетите, ѕвездите и галаксиите, туку и на таквите егзотични тела како што се белите џуџиња и неутронските ѕвезди. Но, црната дупка е нешто сосема друго, тоа е пробив во непознатото. Некој рече дека неговата внатрешност е најдоброто место за сместување на подземјето. Проучувањето на дупките, особено сингуларитетите, едноставно принудува употреба на такви нестандардни концепти и модели кои до неодамна практично не беа дискутирани во физиката - на пример, квантната гравитација и теоријата на струни. Овде се појавуваат многу проблеми кои се невообичаени за физиката, дури и болни, но, како што сега е јасно, апсолутно реални. Затоа, проучувањето на дупките постојано бара фундаментално нови теоретски пристапи, вклучувајќи ги и оние кои се на работ на нашето знаење за физичкиот свет“.

Според неодамнешната изјава на астрономите од Универзитетот во Охајо, необичното двојно јадро во галаксијата Андромеда се објаснува со кластер од ѕвезди кои ротираат во елиптични орбити околу некој масивен објект, најверојатно црна дупка. Овие заклучоци се направени врз основа на податоците добиени со помош на вселенскиот телескоп Хабл. Бинарното јадро на Андромеда за прв пат беше откриено во 70-тите, но дури во средината на 90-тите беше изнесена теоријата за црните дупки.

Идејата дека црните дупки постојат во јадрата на галаксиите не е нова.

Постојат дури и сите причини да се верува дека Млечниот пат - галаксијата на која и припаѓа Земјата - има голема црна дупка во неговото јадро, чија маса е 3 милиони пати поголема од масата на Сонцето. Меѓутоа, истражувањето на јадрото на галаксијата Андромеда, кое се наоѓа на растојание од 2 милиони светлосни години, е полесно од јадрото на нашата галаксија, до кое светлината патува само 30 илјади години - не можете да ја видите шумата за дрвјата.

Научниците симулираат судири на црни дупки

Примена на нумеричка симулација на суперкомпјутери за појаснување на природата и однесувањето на црните дупки, проучување на гравитационите бранови.

За прв пат, научниците од Институтот за гравитациона физика (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik), познат и како Институтот Алберт Ајнштајн и лоциран во Голм, предградие на Потсдам (Германија), симулираа спојување на две црни дупки. Планираното откривање на гравитационите бранови емитирани од две споени црни дупки бара целосни 3D симулации на суперкомпјутери.

Црните дупки се толку густи што не рефлектираат или испуштаат никаква светлина - поради што е толку тешко да се детектираат. Сепак, за неколку години, научниците се надеваат на значителна промена во оваа област.

Гравитационите бранови, кои буквално го исполнуваат вселената, може да бидат откриени со помош на нови средства на почетокот на следниот век.

Научниците предводени од професорот Ед Зајдел подготвуваат нумерички симулации за вакви студии, кои на набљудувачите ќе им овозможат сигурен начин да ги детектираат брановите произведени од црните дупки. „Судирите на црните дупки се еден од главните извори на гравитационите бранови“, рече професорот Зајдел, кој во последниве години спроведе успешно истражување во симулирање на гравитациони бранови што се појавуваат кога црните дупки колабираат при директни судири.

Меѓутоа, интеракцијата на две спирални црни дупки и нивното спојување се почести од директните судири и се од поголемо значење во астрономијата. Ваквите тангенцијални судири прв ги пресметал Бернд Бругман, кој работел во Институтот Алберт Ајнштајн.

Меѓутоа, поради недостаток на компјутерска моќ во тоа време, тој не можеше да пресмета клучни детали како што е точната трага на емитираните гравитациски бранови, која содржи важни информации за однесувањето на црните дупки за време на судир. Бругман ги објави најновите резултати во International Journal of Modern Physics.

Во своите први пресметки, Бругман го користел серверот на институтот Origin 2000. Тој вклучува 32 одделни процесори кои работат паралелно со вкупна максимална изведба од 3 милијарди операции во секунда. И во јуни оваа година, меѓународен тим составен од Бругман, Зајдел и други научници веќе работеше со многу помоќен суперкомпјутер Origin 2000 со 256 процесори во Националниот центар за суперкомпјутерски апликации (NCSA). Во групата беа вклучени и научници од

Универзитетот Сент Луис (САД) и од истражувачкиот центар Конрад-Зузе-Зентрум во Берлин. Овој суперкомпјутер ја обезбеди првата детална симулација на тангенцијални судири на црни дупки со нееднаква маса, како и нивните ротации, кои Бригман претходно ги проучувал. Вернер Бенгер од Konrad-Zuse-Zentrum дури успеа да репродуцира неверојатна слика од процесот на судир. Беше докажано како „црните чудовишта“ со маса од една до неколку стотици милиони сончеви маси се споија, создавајќи изливи на гравитациони бранови кои наскоро би можеле да бидат откриени со специјални средства.

Еден од најважните резултати од ова истражувачка работабеше откривањето на огромна енергија испуштена за време на судирот на црните дупки во форма на гравитациски бранови. Ако два објекти со маса еквивалентна на 10 и 15 соларни маси се приближат на 30 милји еден од друг и се судрат, количината на гравитациона енергија одговара на 1% од нивната маса. „Ова е илјада пати повеќе од целата енергија ослободена од нашето Сонце во изминатите пет милијарди години“. – забележа Бругман. Бидејќи повеќето големи судири во универзумот се случуваат многу далеку од Земјата, сигналите треба да станат многу слаби во моментот кога ќе стигнат до Земјата.

Низ светот започна изградбата на неколку детектори со висока прецизност.

Еден од нив, конструиран од Институтот Макс Планк како дел од германско-британскиот проект Гео 600, е ласерски интерферометар долг 0,7 милји. Научниците се надеваат дека ќе ги измерат кратките гравитациски пертурбации кои се случуваат при судири на црни дупки, но очекуваат само еден таков судир годишно, и тоа на растојание од околу 600 милиони светлосни години. Потребни се компјутерски модели за да се обезбедат веродостојни информации на набљудувачите за откривање на бранови произведени од црните дупки. Благодарение на подобрувањата во способностите за симулација на суперкомпјутер, научниците се на работ на нов тип на експериментална физика.

Астрономите велат дека ја знаат локацијата на илјадници црни дупки, но ние не сме во можност да правиме никакви експерименти со нив на земјата. „Само во еден случај ќе можеме да ги проучуваме деталите и да изградиме нумерички модел од нив во нашите компјутери и да го набљудуваме“, објасни професорот Бернард Шуц, директор на Институтот Алберт Ајнштајн. „Верувам дека проучувањето на црните дупки ќе биде клучна истражувачка тема за астрономите во првата деценија на следниот век.

Придружната ѕвезда ви овозможува да ја видите прашината од суперновата.

Црните дупки не можат директно да се видат, но астрономите можат да видат докази за нивното постоење кога гасовите ќе исфрлат на придружна ѕвезда.

Доколку се детонира динамит, ситни фрагменти од експлозив ќе се вметнат длабоко во блиските објекти, со што ќе останат трајни докази за експлозијата.

Астрономите пронајдоа сличен отпечаток на ѕвезда која орбитира околу црна дупка, не неразумно верувајќи дека црната дупка - поранешна ѕвезда која се урна толку силно што ниту светлината не може да го надмине нејзиното гравитациско влијание - е создадена од експлозија на супернова.

Светлината во темнината.

Во тоа време, астрономите набљудувале експлозии на супернова и на нивно место откриле забележани објекти, кои, според нивното мислење, биле црни дупки. Новото откритие е првиот вистински доказ за поврзаноста на еден со друг настан. (Црните дупки не можат директно да се видат, но нивното присуство понекогаш може да се заклучи со ефектот на нивното гравитационо поле на блиските објекти.

Системот на ѕвезди и црни дупки, означен GRO J1655-40, се наоѓа на приближно 10.000 светлосни години во нашата галаксија млечен пат. Откриен во 1994 година, го привлече вниманието на астрономите со своите силни блесоци. х-зрации низа радио бранови додека црната дупка турка гасови кон својата придружна ѕвезда оддалечена 7,4 милиони милји.

Истражувачите од Шпанија и Америка почнаа повнимателно да ја разгледуваат придружничката ѕвезда, верувајќи дека таа може да задржи некоја трага што укажува на процесот на формирање на црна дупка.

Се смета дека црните дупки со големина на ѕвезда се тела на големи ѕвезди кои едноставно се намалиле до таа големина откако го искористиле целото нивно водородно гориво. Но, од сè уште нејасни причини, ѕвездата што умира се трансформира во супернова пред да експлодира.

Набљудувањата на GRO J1655-40 во август и септември 1994 година покажаа дека исфрлениот гас тече со брзина до 92% од брзината на светлината, обезбедувајќи делумен доказ за присуството на црна дупка.

Ѕвездена прашина.

Ако научниците не се лажат, тогаш некои од ѕвездите кои експлодираа, кои веројатно беа 25-40 пати поголеми од нашето Сонце, се претворија во преживеани сателити.

Токму овие податоци ги открија астрономите.

Атмосферата на придружната ѕвезда содржела повисоки од вообичаените концентрации на кислород, магнезиум, силициум и сулфур - тешки елементи кои можат да се создадат само во големи количини на температури од повеќе милијарди степени постигнати за време на експлозија на супернова. Ова беше првиот доказ кој навистина ја поддржа теоријата дека некои црни дупки првпат се појавиле како супернови, бидејќи она што било видено не можело да се роди од ѕвездата што ја набљудувале астрономите.

Концептот на црна дупка е познат на сите - од ученици до постари лица; се користи во научни и фантастична литература, во таблоидните медиуми и на научни конференции. Но, што точно се такви дупки не е познато на сите.

Од историјата на црните дупки

1783 годинаПрвата хипотеза за постоење на таков феномен како црна дупка беше изнесена во 1783 година од англискиот научник Џон Мишел. Во својата теорија, тој комбинираше две креации на Њутн - оптика и механика. Идејата на Мишел беше следнава: ако светлината е млаз од ситни честички, тогаш, како и сите други тела, честичките треба да доживеат привлекување на гравитациско поле. Излегува дека колку е помасивна ѕвездата, толку потешко и е на светлината да се спротивстави на нејзината привлечност. 13 години по Мишел, францускиот астроном и математичар Лаплас изнесе (најверојатно независно од неговиот британски колега) слична теорија.

1915 годинаСепак, сите нивни дела останале неподигнати до почетокот на 20 век. Во 1915 година, Алберт Ајнштајн ја објавил Општата теорија на релативноста и покажал дека гравитацијата е искривување на време-просторот предизвикано од материјата, а неколку месеци подоцна, германскиот астроном и теоретски физичар Карл Шварцшилд ја искористил за да реши специфичен астрономски проблем. Тој ја истражувал структурата на закривеното време-простор околу Сонцето и повторно го открил феноменот на црните дупки.

(Џон Вилер го измисли терминот „Црни дупки“)

1967 годинаАмериканскиот физичар Џон Вилер истакна простор што може да се стутка, како парче хартија, во бесконечно мала точка и го означи со терминот „Црна дупка“.

1974 годинаБританскиот физичар Стивен Хокинг докажа дека црните дупки, иако ја апсорбираат материја без враќање, можат да испуштаат радијација и на крајот да испарат. Овој феномен се нарекува „Хокингово зрачење“.

2013 годинаНајновото истражување за пулсарите и квазарите, како и откривањето на космичкото микробранова позадинско зрачење, конечно овозможи да се опише самиот концепт на црни дупки. Во 2013 година, гасниот облак G2 дојде многу блиску до црната дупка и најверојатно ќе биде апсорбиран од неа, набљудувањето на уникатен процес дава огромни можности за нови откритија на карактеристиките на црните дупки.

(Масивниот објект Стрелец А*, неговата маса е 4 милиони пати поголема од Сонцето, што подразбира кластер од ѕвезди и формирање на црна дупка)

2017 година. Група научници од телескопот Event Horizon за соработка со повеќе земји, поврзувајќи осум телескопи од различни точки на континентите на Земјата, забележаа црна дупка, која е супермасивен објект лоциран во галаксијата M87, соѕвездието Девица. Масата на објектот е 6,5 милијарди (!) Сончеви маси, гигантски пати поголема од масивниот објект Стрелец А*, за споредба, со дијаметар нешто помал од растојанието од Сонцето до Плутон.

Набљудувањата беа спроведени во неколку фази, почнувајќи од пролетта 2017 година и низ периодите од 2018 година. Обемот на информации изнесуваше петабајти, кои потоа требаше да се дешифрираат и да се добие вистинска слика на ултра далечен објект. Затоа, беа потребни уште две цели години за темелно да се обработат сите податоци и да се спојат во една целина.

2019 годинаПодатоците беа успешно дешифрирани и прикажани, создавајќи ја првата слика на црна дупка.

(Првата слика на црна дупка во галаксијата М87 во соѕвездието Девица)

Резолуцијата на сликата ви овозможува да ја видите сенката на точката без враќање во центарот на објектот. Сликата е добиена како резултат на ултра долги основни интерферометриски набљудувања. Ова се таканаречени синхрони набљудувања на еден објект од неколку радио телескопи меѓусебно поврзани со мрежа и лоцирани во различни делови глобус, насочени во една насока.

Што всушност се црните дупки

Лаконското објаснување на феноменот оди вака.

Црната дупка е простор-временски регион чија гравитациска привлечност е толку силна што ниту еден објект, вклучувајќи ги и светлосните кванти, не може да го напушти.

Црната дупка некогаш била масивна ѕвезда. Сè додека термонуклеарните реакции одржуваат висок притисок во нејзините длабочини, сè останува нормално. Но, со текот на времето, снабдувањето со енергија е исцрпено и небесно тело, под влијание на сопствената гравитација, почнува да се компресира. Последната фаза од овој процес е колапсот на ѕвезденото јадро и формирањето на црна дупка.

• 1. Црна дупка исфрла млаз со голема брзина


• 2. Дискот од материја прераснува во црна дупка


• 3. Црна дупка


• 4. Детален дијаграм на регионот на црната дупка


• 5. Големината на пронајдените нови набљудувања

Најчеста теорија е дека слични феномени постојат во секоја галаксија, вклучувајќи го и центарот на нашиот Млечен Пат. Огромната гравитациска сила на дупката е способна да држи неколку галаксии околу неа, спречувајќи ги да се оддалечат една од друга. „Областа на покривање“ може да биде различна, се зависи од масата на ѕвездата што се претворила во црна дупка и може да биде илјадници светлосни години.

Шварцшилдов радиус

Главното својство на црната дупка е дека секоја супстанција што ќе падне во неа никогаш не може да се врати. Истото важи и за светлината. Во нивното јадро, дупките се тела кои целосно ја апсорбираат целата светлина што паѓа врз нив и не испуштаат ништо од нив. Таквите предмети може визуелно да се појават како згрутчување на апсолутна темнина.

• 1. Движење на материјата со половина од брзината на светлината


• 2. Фотонски прстен


• 3. Внатрешен фотонски прстен


• 4. Хоризонт на настани во црна дупка

Почнувајќи од Општа теоријаСпоред релативноста на Ајнштајн, ако телото се приближи на критично растојание до центарот на дупката, тоа повеќе нема да може да се врати. Ова растојание се нарекува радиус на Шварцшилд. Што точно се случува во овој радиус не е сигурно познато, но постои најчестата теорија. Се верува дека целата материја на црната дупка е концентрирана во бесконечно мала точка, а во нејзиниот центар има објект со бесконечна густина, што научниците го нарекуваат сингуларна пертурбација.

Како се случува паѓањето во црна дупка?

(На сликата, црната дупка Стрелец А* изгледа како екстремно светло јато светлина)

Не толку одамна, во 2011 година, научниците открија облак со гас, давајќи му едноставно име G2, кој испушта необична светлина. Овој сјај може да се должи на триењето во гасот и прашината предизвикани од црната дупка Sagittarius A*, која орбитира околу неа како акреционен диск. Така, стануваме набљудувачи на неверојатниот феномен на апсорпција на гасен облак од супермасивна црна дупка.

Според неодамнешните студии, најблискиот пристап до црната дупка ќе се случи во март 2014 година. Можеме да создадеме слика за тоа како ќе се случи овој возбудлив спектакл.

• 1. Кога првпат се појавува во податоците, гасниот облак наликува на огромна топка од гас и прашина.


• 2. Сега, од јуни 2013 година, облакот е на десетици милијарди километри од црната дупка. Во него паѓа со брзина од 2500 km/s.


• 3. Се очекува облакот да помине покрај црната дупка, но плимните сили предизвикани од разликата во гравитацијата што делуваат на предните и задните рабови на облакот ќе предизвикаат тој да добива сè поиздолжена форма.


• 4. Откако облакот ќе се распарчи, поголемиот дел од него најверојатно ќе тече во акрецискиот диск околу Стрелец А*, генерирајќи ударни бранови во него. Температурата ќе скокне до неколку милиони степени.


• 5. Дел од облакот ќе падне директно во црната дупка. Никој не знае точно што ќе се случи понатаму со оваа супстанца, но се очекува дека додека паѓа ќе испушта моќни струи на рендген и никогаш повеќе нема да се види.

Видео: црна дупка голта облак од гас

(Компјутерска симулација за тоа колку од гасниот облак G2 би бил уништен и потрошен од црната дупка Стрелец А*)

Што е внатре во црна дупка

Постои теорија која вели дека црната дупка е практично празна внатре, а целата нејзина маса е концентрирана во неверојатно мала точка лоцирана во самиот нејзин центар - сингуларноста.

Според друга теорија, која постои веќе половина век, се што паѓа во црна дупка поминува во друг универзум кој се наоѓа во самата црна дупка. Сега оваа теорија не е главната.

И постои трета, најмодерна и најжилава теорија, според која сè што паѓа во црна дупка се раствора во вибрациите на жиците на нејзината површина, која е означена како хоризонт на настани.

Значи, што е хоризонт на настани? Невозможно е да се погледне во црна дупка дури и со супермоќен телескоп, бидејќи дури и светлината, која влегува во џиновската космичка инка, нема шанси да се појави назад. Сè што може барем некако да се разгледа се наоѓа во негова непосредна близина.

Хоризонтот на настани е конвенционална површинска линија од која ништо (ниту гас, ниту прашина, ниту ѕвезди, ниту светлина) не може да избега. И ова е многу мистериозната точка од која нема враќање во црните дупки на Универзумот.