Opprinnelsen til det sorte hullet. Svart hull. Hva det er? Det minste sorte hullet

Et sort hull er et område av rom-tid hvis gravitasjonsattraksjon er så sterk at selv objekter som beveger seg med lysets hastighet, inkludert lysets kvanta, ikke kan forlate det. Grensen til denne regionen kalles hendelseshorisonten, og dens karakteristiske størrelse kalles gravitasjonsradius.

Ideen om et "svart hull" dukket først opp i 1916, da fysikeren Schwarzschild løste Einsteins ligninger. Matematikk har ført til den merkelige konklusjonen at det er kompakte objekter som en hendelseshorisont med interessante egenskaper dukker opp rundt. Men begrepet "svart hull" eksisterte ennå ikke. Hendelseshorisonten er et område av rom som omgir et sort hull, en gang der materie aldri vil kunne forlate denne regionen og falle inn i det sorte hullet. Lys kan fortsatt overvinne den enorme tyngdekraften, sende de siste strømmene fra den forsvinnende materien, men bare for en kort periode, inntil den fallende materien faller inn i den såkalte singularitetssonen, som det ikke lenger er Karl Schwarzschild for, en tysk astronom, en av grunnleggerne av teoretisk astrofysikk

På 1930-tallet oppdaget Chadwick nøytronet. Snart ble det fremsatt en hypotese om eksistensen av nøytrinostjerner, som ved store masser viser seg å være ustabile og er komprimert til en tilstand av kollaps. Begrepet "svart hull" eksisterte fortsatt ikke. Det var først på slutten av 1960-tallet at amerikaneren John Wheeler sa «svart hull». Dette er et punkt i rommet hvor materie og energi forsvinner under påvirkning av gravitasjonskrefter. På dette stedet er gravitasjonskreftene så sterke at alt i nærheten bokstavelig talt blir sugd inn. Selv lysstråler kan ikke slippe ut derfra, så det sorte hullet er helt usynlig. John Wheeler , amerikansk fysiker.

Et "svart hull" kan oppdages av den spesifikke røntgenstrålingen som produseres når den suger inn materie. På 1970-tallet registrerte den amerikanske satellitten "Uhuru" (i en av de afrikanske dialektene - "Frihet") spesifikk røntgenstråling. Siden den gang har det "svarte hullet" eksistert ikke bare i beregninger. Det var for disse studiene at Riccardo Giacconi mottok Nobelprisen i 2002. Riccardo Giacconi, amerikansk fysiker av italiensk opprinnelse, vinner av Nobelprisen i fysikk i 2002 "for opprettelsen av røntgenastronomi og oppfinnelsen av røntgenteleskopet"

For øyeblikket har forskere oppdaget rundt tusen gjenstander i universet som er klassifisert som sorte hull. Totalt, antyder forskere, er det titalls millioner slike gjenstander. For øyeblikket er den eneste pålitelige måten å skille et sort hull fra et objekt av en annen type å måle massen og størrelsen på objektet og sammenligne dets radius med gravitasjonsradiusen, som er gitt av formelen =, hvor G er gravitasjonskonstanten , M er massen til objektet, c er supermassive sorte hulls lyshastighet. Overgrodde veldig store sorte hull danner kjernene til de fleste galakser. Disse inkluderer det massive sorte hullet i kjernen av galaksen vår - Skytten A*, som er det nærmeste supermassive sorte hullet til Solen. For tiden anses eksistensen av sorte hull av stjerne- og galaktiske skalaer av de fleste forskere for å være pålitelig bevist av astronomiske observasjoner. Amerikanske astronomer har funnet ut at massene av supermassive sorte hull kan være betydelig undervurdert. Forskere har fastslått at for at stjerner skal bevege seg slik de nå er observert i M87-galaksen (som ligger 50 millioner lysår fra Jorden), må massen til det sentrale sorte hullet være like stor som Radio Galaxy Picos A, med en synlig røntgenstråle (blå) ) 300 tusen lysår lang, som kommer fra

Påvisning av supermassive sorte hull Det mest pålitelige beviset for eksistensen av supermassive sorte hull i de sentrale delene av galakser anses å være det mest pålitelige. I dag er oppløsningen til teleskoper ikke tilstrekkelig til å skille områder i rommet med en størrelse i størrelsesorden gravitasjonsradiusen til et sort hull. Det er mange måter å bestemme massen og omtrentlige dimensjoner til en supermassiv kropp, men de fleste av dem er basert på å måle egenskapene til banene til objekter som roterer rundt dem (stjerner, radiokilder, gassskiver). I det enkleste og ganske vanlige tilfellet skjer rotasjon langs keplerske baner, noe som fremgår av proporsjonaliteten til satellittens rotasjonshastighet til kvadratroten av banens halvhovedakse: . I dette tilfellet er massen til den sentrale kroppen funnet i henhold til den velkjente formelen.

Det er noen ganger en halvt spøkefull, noen ganger alvorlig debatt mellom franskmennene og britene: hvem bør betraktes som oppdageren av muligheten for eksistensen av usynlige stjerner - Franskmannen P. Laplace eller engelskmannen J. Michell? I 1973 siterte de berømte engelske teoretiske fysikerne S. Hawking og G. Ellis, i en bok viet moderne spesielle matematiske spørsmål om strukturen til rom og tid, arbeidet til franskmannen P. Laplace med bevis på muligheten for eksistens. av svarte stjerner; På det tidspunktet var arbeidet til J. Michell ennå ikke kjent. Høsten 1984 sa den berømte engelske astrofysikeren M. Rice, på en konferanse i Toulouse, at selv om det ikke er særlig praktisk å si på Frankrikes territorium, må han understreke at engelskmannen J. Michell var den første som forutsi usynlige stjerner, og viste et øyeblikksbilde av den første siden som tilsvarer arbeidet hans. Denne historiske bemerkningen ble møtt med applaus og smil fra de fremmøtte.

Hvordan kan man ikke huske diskusjonene mellom franskmennene og britene om hvem som forutså posisjonen til planeten Neptun fra forstyrrelser i Uranus bevegelse: franskmannen W. Le Verrier eller engelskmannen J. Adams? Som kjent indikerte begge forskerne uavhengig posisjonen korrekt ny planet. Da var franskmannen W. Le Verrier heldigere. Dette er skjebnen til mange funn. De gjøres ofte nesten samtidig og uavhengig forskjellige folk Vanligvis prioriteres de som har trengt dypere inn i essensen av problemet, men noen ganger er dette rett og slett lykkens luner.

Men spådommen til P. Laplace og J. Michell var ennå ikke en reell spådom om et svart hull. Hvorfor?

Faktum er at på P. Laplaces tid var det ennå ikke kjent at ingenting i naturen kunne bevege seg raskere enn lyset. Det er umulig å løpe fra lyset i tomhet! Dette ble etablert av Einstein i den spesielle relativitetsteorien allerede i vårt århundre. Derfor, for P. Laplace, var stjernen han vurderte bare svart (ikke-lysende), og han kunne ikke vite at en slik stjerne ville miste evnen til å "kommunisere" med omverdenen på noen måte, til å "rapportere" alt til fjerne verdener om hendelsene som finner sted på den. Med andre ord, han visste ennå ikke at dette ikke bare var et "svart", men også et "hull" som du kunne falle ned i, men det var umulig å komme seg ut. Nå vet vi at hvis lys ikke kan komme ut av et område i rommet, betyr det at ingenting i det hele tatt kan komme ut, og vi kaller et slikt objekt et sort hull.

En annen grunn til at P. Laplaces resonnement ikke kan betraktes som strengt, er at han vurderte garvitasjonsfelt med enorm styrke, der fallende kropper akselereres til lysets hastighet, og selve lyset som kommer ut kan forsinkes, og anvendte tyngdeloven Newton.

A. Einstein viste at Newtons gravitasjonsteori er uanvendelig for slike felt, og skapte en ny teori som er gyldig for supersterke felt, så vel som for raskt skiftende felt (som Newtons teori også er ubrukelig for!), osv. kalte det den generelle relativitetsteorien. Det er konklusjonene av denne teorien som bør brukes til å bevise muligheten for eksistensen av sorte hull og for å studere deres egenskaper.

Generell relativitetsteori er en fantastisk teori. Hun er så dyp og slank at hun vekker en følelse av estetisk nytelse hos alle som blir kjent med henne. De sovjetiske fysikerne L. Landau og E. Lifshitz kalte den i sin lærebok «Field Theory» «den vakreste av alle eksisterende fysiske teorier». Den tyske fysikeren Max Born sa om oppdagelsen av relativitetsteorien: "Jeg beundrer den som et kunstverk." Og den sovjetiske fysikeren V. Ginzburg skrev at det fremkaller "...en følelse... som ligner den man opplever når man ser på de mest fremragende mesterverkene innen maleri, skulptur eller arkitektur."

Tallrike forsøk på populær presentasjon av Einsteins teori kan selvsagt gi et generelt inntrykk av den. Men ærlig talt ligner det like lite på gleden av å kjenne selve teorien som kjennskap til en reproduksjon av den "sixtinske madonna" skiller seg fra opplevelsen som oppstår når man ser på originalen skapt av Rafaels geni.

Og likevel, når det ikke er anledning til å beundre originalen, kan (og bør!) du gjøre deg kjent med tilgjengelige reproduksjoner, gjerne gode (og det finnes alle slags).

Novikov I.D.

Historien om sorte hull

Alexey Levin

Vitenskapelig tenkning konstruerer noen ganger objekter med så paradoksale egenskaper at selv de mest innsiktsfulle vitenskapsmenn i utgangspunktet nekter å gjenkjenne dem. Historiens mest åpenbare eksempel siste fysikk- en langsiktig mangel på interesse for sorte hull, ekstreme tilstander i gravitasjonsfeltet forutsagt for nesten 90 år siden. Lenge ble de ansett som en rent teoretisk abstraksjon, og først på 1960-70-tallet trodde folk på deres virkelighet. Imidlertid ble den grunnleggende ligningen for teorien om sorte hull utledet for over to hundre år siden.

John Michells innsikt

Navnet til John Michell, fysiker, astronom og geolog, professor ved Cambridge University og pastor i den anglikanske kirken, gikk helt ufortjent tapt blant stjernene i engelsk vitenskap på 1700-tallet. Michell la grunnlaget for seismologi - vitenskapen om jordskjelv, utførte utmerket forskning på magnetisme og, lenge før Coulomb, oppfant torsjonsbalansen, som han brukte til gravimetriske målinger. I 1783 forsøkte han å kombinere Newtons to store kreasjoner – mekanikk og optikk. Newton anså lys for å være en strøm av bittesmå partikler. Michell foreslo at lette blodlegemer, som vanlig materie, adlyder mekanikkens lover. Konsekvensen av denne hypotesen viste seg å være veldig ikke-triviell - himmellegemer kan bli til feller for lys.

Hvordan resonerte Michell? En kanonkule avfyrt fra overflaten av en planet vil fullstendig overvinne tyngdekraften bare hvis dens starthastighet overstiger det som nå kalles den andre rømningshastigheten. Hvis planetens tyngdekraft er så sterk at rømningshastigheten overstiger lysets hastighet, vil ikke lyslegemer som slippes ut i senit kunne gå til det uendelige. Det samme vil skje med reflektert lys. Følgelig vil planeten være usynlig for en svært fjern observatør. Michell beregnet den kritiske verdien av radiusen til en slik planet R cr avhengig av dens masse M redusert til massen til solen vår M s: R cr = 3 km x M/M s.

John Michell trodde på formlene hans og antok at dypet av verdensrommet skjuler mange stjerner som ikke kan sees fra jorden med noe teleskop. Senere kom den store franske matematikeren, astronomen og fysikeren Pierre Simon Laplace til samme konklusjon, som inkluderte den i både den første (1796) og andre (1799) utgaven av hans "Exposition of the World System". Men den tredje utgaven ble utgitt i 1808, da de fleste fysikere allerede anså lys for å være vibrasjoner av eteren. Eksistensen av "usynlige" stjerner var i strid med bølgeteorien om lys, og Laplace anså det som best rett og slett ikke å nevne dem. I påfølgende tider ble denne ideen ansett som en kuriositet, verdig å presenteres bare i verk om fysikkens historie.

Schwarzschild modell

I november 1915 publiserte Albert Einstein en gravitasjonsteori, som han kalte den generelle relativitetsteorien (GR). Dette arbeidet fant umiddelbart en takknemlig leser i personen til hans kollega ved Berlins vitenskapsakademi, Karl Schwarzschild. Det var Schwarzschild som var den første i verden til å bruke generell relativitet til å løse et spesifikt astrofysisk problem, ved å beregne rom-tidsmetrikken utenfor og inne i en ikke-roterende sfærisk kropp (for spesifisitet vil vi kalle det en stjerne).

Fra Schwarzschilds beregninger følger det at tyngdekraften til en stjerne ikke forvrenger den newtonske strukturen av rom og tid for mye bare hvis radiusen er mye større enn verdien som John Michell beregnet! Denne parameteren ble først kalt Schwarzschild-radius, og kalles nå gravitasjonsradius. I følge generell relativitetsteori påvirker ikke tyngdekraften lysets hastighet, men reduserer frekvensen av lysvibrasjoner i samme proporsjon som den bremser tiden. Hvis radiusen til en stjerne er 4 ganger større enn gravitasjonsradiusen, reduseres tidsstrømmen på overflaten med 15 %, og rommet får merkbar krumning. Når den overskrides to ganger, bøyer den sterkere, og tiden bremses med 41 %. Når gravitasjonsradiusen er nådd, stopper tiden på overflaten av stjernen helt (alle frekvenser går til null, strålingen fryser, og stjernen slukner), men krumningen av rommet der er fortsatt begrenset. Langt fra stjernen forblir geometrien fortsatt euklidisk, og tiden endrer ikke hastigheten.

Til tross for at gravitasjonsradiusverdiene til Michell og Schwarzschild faller sammen, har modellene i seg selv ingenting til felles. For Michell endres ikke rom og tid, men lyset bremser ned. En stjerne hvis dimensjoner er mindre enn gravitasjonsradiusen fortsetter å skinne, men den er bare synlig for en ikke altfor fjern observatør. For Schwarzschild er lysets hastighet absolutt, men strukturen i rom og tid avhenger av tyngdekraften. En stjerne som har falt under gravitasjonsradiusen forsvinner for enhver observatør, uansett hvor han er (mer presist kan den oppdages ved gravitasjonseffekter, men ikke ved stråling).

Fra vantro til bekreftelse

Schwarzschild og hans samtidige mente at slike merkelige romobjekter ikke fantes i naturen. Einstein selv holdt seg ikke bare til dette synspunktet, men trodde også feilaktig at han hadde lykkes i å underbygge sin mening matematisk.

På 1930-tallet beviste den unge indiske astrofysikeren Chandrasekhar at en stjerne som har konsumert sitt kjernebrensel, kaster skallet og blir til en sakte avkjølende hvit dverg bare hvis massen er mindre enn 1,4 solmasser. Snart innså amerikaneren Fritz Zwicky at supernovaeksplosjoner produserer ekstremt tette kropper av nøytronmateriale; Senere kom Lev Landau til samme konklusjon. Etter Chandrasekhars arbeid var det åpenbart at bare stjerner med en masse større enn 1,4 solmasser kunne gjennomgå en slik utvikling. Så et naturlig spørsmål oppsto: er det en øvre grense for massen av supernovaer som nøytronstjerner etterlater seg?

På slutten av 30-tallet, den fremtidige faren til amerikanske atombombe Robert Oppenheimer slo fast at en slik grense faktisk eksisterer og ikke overskrider flere solmasser. Det var da ikke mulig å gi en mer nøyaktig vurdering; Det er nå kjent at massene til nøytronstjerner må være i området 1,5–3 M s. Men selv fra de grove beregningene til Oppenheimer og hans doktorgradsstudent George Volkow, fulgte det at de mest massive etterkommerne av supernovaer ikke blir nøytronstjerner, men forvandles til en annen tilstand. I 1939 brukte Oppenheimer og Hartland Snyder en idealisert modell for å bevise at en massiv kollapsende stjerne er trukket sammen til sin gravitasjonsradius. Av formlene deres følger det faktisk at stjernen ikke stopper der, men medforfatterne avsto fra en så radikal konklusjon.

Det endelige svaret ble funnet i andre halvdel av det 20. århundre gjennom innsatsen til en hel galakse av strålende teoretiske fysikere, inkludert sovjetiske. Det viste seg at en slik kollaps Alltid komprimerer stjernen "hele veien", og ødelegger saken fullstendig. Som et resultat oppstår en singularitet, et "superkonsentrat" ​​av gravitasjonsfeltet, lukket i et uendelig lite volum. For et stasjonært hull er det en spiss, for et roterende hull er det en ring. Krumningen av rom-tid og derfor tyngdekraften nær singulariteten har en tendens til uendelig. På slutten av 1967 var den amerikanske fysikeren John Archibald Wheeler den første som kalte en slik endelig stjernekollaps et svart hull. Det nye begrepet ble elsket av fysikere og glade journalister, som spredte det over hele verden (selv om franskmennene ikke likte det til å begynne med, siden uttrykket trou noir antydet tvilsomme assosiasjoner).

Der, bortenfor horisonten

Et sort hull er verken materie eller stråling. Med litt figurativitet kan vi si at dette er et selvopprettholdende gravitasjonsfelt konsentrert i et sterkt buet område av rom-tid. Dens ytre grense er definert av en lukket overflate, hendelseshorisonten. Hvis stjernen ikke roterte før kollapsen, viser denne overflaten seg å være en vanlig kule, hvis radius faller sammen med Schwarzschild-radiusen.

Den fysiske betydningen av horisonten er veldig tydelig. Et lyssignal som sendes fra dens ytre nærhet kan reise en uendelig lang avstand. Men signaler sendt fra den indre regionen vil ikke bare ikke krysse horisonten, men vil uunngåelig "falle" inn i singulariteten. Horisonten er den romlige grensen mellom hendelser som kan bli kjent for terrestriske (og andre) astronomer, og hendelser, informasjon som under ingen omstendigheter vil komme ut.

Som forventet "ifølge Schwarzschild," langt fra horisonten er tiltrekningen av et hull omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden, så for en fjern observatør manifesterer den seg som en vanlig tung kropp. I tillegg til masse, arver hullet treghetsmomentet til den kollapsede stjernen og dens elektriske ladning. Og alle andre egenskaper til forgjengerstjernen (struktur, sammensetning, spektraltype, etc.) forsvinner i glemselen.

La oss sende en sonde til hullet med en radiostasjon som sender et signal en gang i sekundet i henhold til ombordtiden. For en fjernobservatør, når sonden nærmer seg horisonten, vil tidsintervallene mellom signalene øke – i prinsippet ubegrenset. Så snart skipet krysser den usynlige horisonten, vil det bli helt stille for "over-the-hole"-verdenen. Denne forsvinningen vil imidlertid ikke være uten spor, siden sonden vil gi fra seg masse, ladning og dreiemoment til hullet.

Sort hull stråling

Alle tidligere modeller ble bygget utelukkende på grunnlag av generell relativitetsteori. Imidlertid er vår verden styrt av kvantemekanikkens lover, som ikke ignorerer sorte hull. Disse lovene tillater oss ikke å betrakte den sentrale singulariteten som et matematisk poeng. I en kvantesammenheng er diameteren gitt av Planck-Wheeler-lengden, omtrent lik 10–33 centimeter. I dette området slutter vanlig plass å eksistere. Det er generelt akseptert at midten av hullet er fylt med forskjellige topologiske strukturer som vises og dør i samsvar med kvantesannsynlighetslover. Egenskapene til et slikt boblende kvasi-rom, som Wheeler kalte kvanteskum, er fortsatt dårlig forstått.

Tilstedeværelsen av en kvantesingularitet har direkte betydning for skjebnen til materielle kropper som faller ned i dypet av et svart hull. Når man nærmer seg midten av hullet, vil enhver gjenstand laget av for tiden kjente materialer bli knust og revet i stykker av tidevannskrefter. Men selv om fremtidige ingeniører og teknologer lager noen supersterke legeringer og kompositter med for tiden enestående egenskaper, er de alle fortsatt dømt til å forsvinne: tross alt, i singularitetssonen er det verken den vanlige tiden eller det vanlige rommet.

La oss nå se på horisonten til hullet gjennom en kvantemekanisk linse. Tomt rom – et fysisk vakuum – er faktisk ikke tomt i det hele tatt. På grunn av kvantesvingninger av forskjellige felt i et vakuum, blir mange virtuelle partikler kontinuerlig født og døde. Siden tyngdekraften nær horisonten er veldig sterk, skaper svingningene ekstremt sterke gravitasjonsutbrudd. Når de akselereres i slike felt, får nyfødte "virtuelle" ekstra energi og blir noen ganger normale partikler med lang levetid.

Virtuelle partikler blir alltid født i par som beveger seg i motsatte retninger (dette kreves av loven om bevaring av momentum). Hvis en gravitasjonssvingning trekker ut et par partikler fra vakuumet, kan det hende at en av dem materialiserer seg utenfor horisonten, og den andre (antipartikkelen til den første) inne. Den "interne" partikkelen vil falle ned i hullet, men den "ytre" partikkelen kan unnslippe under gunstige forhold. Som et resultat blir hullet til en strålingskilde og mister derfor energi og følgelig masse. Derfor er sorte hull i prinsippet ikke stabile.

Dette fenomenet kalles Hawking-effekten, etter den bemerkelsesverdige engelske teoretiske fysikeren som oppdaget det på midten av 1970-tallet. Spesielt Stephen Hawking beviste at horisonten til et sort hull sender ut fotoner på nøyaktig samme måte som et absolutt svart legeme oppvarmet til en temperatur på T = 0,5 x 10 –7 x M s /M. Det følger at når hullet blir tynnere, øker temperaturen, og "fordampningen" intensiveres naturlig. Denne prosessen er ekstremt langsom, og levetiden til et hull med masse M er omtrent 10 65 x (M/M s) 3 år. Når størrelsen blir lik Planck-Wheeler-lengden, mister hullet stabilitet og eksploderer, og frigjør den samme energien som den samtidige eksplosjonen av en million ti-megatonn hydrogenbomber. Interessant nok er massen av hullet i øyeblikket det forsvinner fortsatt ganske stor, 22 mikrogram. I følge noen modeller forsvinner ikke hullet sporløst, men etterlater seg en stabil relikvie av samme masse, den såkalte maximon.

Maximon ble født for 40 år siden – som et begrep og som en fysisk idé. I 1965 foreslo akademiker M.A. Markov at det er en øvre grense for massen av elementærpartikler. Han foreslo å betrakte denne grenseverdien som dimensjonen til massen, som kan kombineres fra tre grunnleggende fysiske konstanter - Plancks konstant h, lyshastigheten C og gravitasjonskonstanten G (for de som liker detaljer: for å gjøre dette, trenger du for å gange h og C, del resultatet på G og trekk ut Kvadratrot). Dette er de samme 22 mikrogrammene som er nevnt i artikkelen; denne verdien kalles Planck-massen. Fra de samme konstantene kan man konstruere en størrelse med lengdedimensjonen (Planck-Wheeler-lengden kommer ut til å være 10–33 cm) og med tidsdimensjonen (10–43 sek).
Markov gikk videre i sin resonnement. I følge hypotesene hans fører fordampningen av et svart hull til dannelsen av en "tørr rest" - en maksimon. Markov kalte slike strukturer elementære sorte hull. I hvilken grad denne teorien samsvarer med virkeligheten er fortsatt et åpent spørsmål. I alle fall har analoger av Markov-maksimoner blitt gjenopplivet i noen modeller av sorte hull basert på superstrengteori.

Dybder av rom

Svarte hull er ikke forbudt av fysikkens lover, men finnes de i naturen? Absolutt strenge bevis på tilstedeværelsen av minst ett slikt objekt i verdensrommet er ennå ikke funnet. Imidlertid er det svært sannsynlig at i noen binære systemer er kildene til røntgenstråling sorte hull av stjerneopprinnelse. Denne strålingen skal oppstå som et resultat av at atmosfæren til en vanlig stjerne blir sugd bort av gravitasjonsfeltet til et nabohull. Når gassen beveger seg mot hendelseshorisonten, blir den veldig varm og sender ut røntgenkvanter. Minst to dusin røntgenkilder anses nå som egnede kandidater for rollen som sorte hull. Dessuten antyder stjernestatistikk at det i vår galakse alene er omtrent ti millioner hull med stjerneopprinnelse.

Sorte hull kan også dannes under gravitasjonskondensering av materie i galaktiske kjerner. Slik oppstår det gigantiske hull med en masse på millioner og milliarder av solmasser, som etter all sannsynlighet finnes i mange galakser. Tilsynelatende, i sentrum av Melkeveien, skjult av støvskyer, er det et hull med en masse på 3-4 millioner solmasser.

Stephen Hawking kom til den konklusjon at sorte hull med vilkårlig masse kunne bli født umiddelbart etter Det store smellet, som ga opphav til vårt univers. Primære hull som veier opp til en milliard tonn har allerede fordampet, men tyngre kan fortsatt gjemme seg i dypet av verdensrommet og, med tiden, sette av kosmisk fyrverkeri i form kraftige bluss gammastråling. Slike eksplosjoner har imidlertid aldri blitt observert før nå.

Svart hull fabrikk

Er det mulig å akselerere partikler i en akselerator til så høy energi at kollisjonen deres skaper et sort hull? Ved første øyekast er denne ideen rett og slett gal - eksplosjonen av et hull vil ødelegge alt liv på jorden. Dessuten er det teknisk umulig. Hvis minimumsmassen til et hull faktisk er 22 mikrogram, er den i energienheter 10 28 elektronvolt. Denne terskelen er 15 størrelsesordener høyere enn egenskapene til verdens kraftigste akselerator, Large Hadron Collider (LHC), som vil bli lansert på CERN i 2007.

Det er imidlertid mulig at standardestimatet for hullets minstemasse er betydelig overvurdert. I alle fall er dette det fysikere sier, og utvikler teorien om superstrenger, som inkluderer kvanteteorien om tyngdekraften (selv om den er langt fra komplett). I følge denne teorien har rommet ikke tre dimensjoner, men minst ni. Vi legger ikke merke til de ekstra dimensjonene fordi de er loopet i så liten skala at instrumentene våre ikke oppfatter dem. Tyngdekraften er imidlertid allestedsnærværende, den trenger inn i skjulte dimensjoner. I tredimensjonalt rom er tyngdekraften omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden, og i nidimensjonalt rom er den proporsjonal med åttende potens. Derfor, i en flerdimensjonal verden, øker intensiteten til gravitasjonsfeltet mye raskere når avstanden minker enn i den tredimensjonale verden. I dette tilfellet øker Planck-lengden mange ganger, og minimumsmassen til hullet synker kraftig.

Strengteori forutsier at et sort hull med en masse på bare 10–20 g kan bli født i nidimensjonalt rom.Den beregnede relativistiske massen av protoner akselerert i Cern-superakseleratoren er omtrent den samme. I følge det mest optimistiske scenariet vil den kunne produsere ett hull hvert sekund, som vil overleve i omtrent 10–26 sekunder. I prosessen med fordampningen vil alle slags elementære partikler bli født, som ikke vil være vanskelig å registrere. Forsvinningen av hullet vil føre til frigjøring av energi, som ikke vil være nok engang til å varme ett mikrogram vann med en tusendel av en grad. Derfor er det håp om at LHC vil bli en fabrikk av ufarlige sorte hull. Hvis disse modellene er riktige, vil ny generasjon orbitale kosmiske stråledetektorer kunne oppdage slike hull.

Alt det ovennevnte gjelder for stasjonære sorte hull. I mellomtiden er det også roterende hull som har en haug med interessante egenskaper. Resultatene av den teoretiske analysen av sorte hulls stråling førte også til en seriøs nytenkning av begrepet entropi, som også fortjener en egen diskusjon.

Space supersvinghjul

De statiske elektrisk nøytrale sorte hullene vi snakket om er helt atypiske for den virkelige verden. Kollapserte stjerner roterer vanligvis og kan også ha en elektrisk ladning.

Skallethetsteorem

Gigantiske hull i galaktiske kjerner er mest sannsynlig dannet fra primære sentre for gravitasjonskondensasjon - et enkelt "post-stellar" hull eller flere hull som slo seg sammen som et resultat av kollisjoner. Slike frøhull svelger nærliggende stjerner og interstellar gass og øker dermed massen mange ganger. Materien som faller under horisonten igjen har både en elektrisk ladning (kosmiske gass- og støvpartikler ioniseres lett) og et rotasjonsmoment (fallet skjer med en vridning, i en spiral). I noen fysisk prosess treghetsmomentet og ladningen er bevart, og derfor er det naturlig å anta at dannelsen av sorte hull ikke er noe unntak.

Men et enda sterkere utsagn er også sant, et spesielt tilfelle av dette ble formulert i første del av artikkelen (se A. Levin, The Amazing History of Black Holes, Popular Mechanics No. 11, 2005). Uansett forfedrene til et makroskopisk sort hull, mottar det bare masse, dreiemoment og elektrisk ladning fra dem. I følge John Wheeler har "et svart hull ikke noe hår." Det ville være mer riktig å si at ikke mer enn tre "hår" henger fra horisonten til et hull, noe som ble bevist av den samlede innsatsen fra flere teoretiske fysikere på 1970-tallet. Riktignok må en magnetisk ladning også bevares i hullet, hvis hypotetiske bærere, magnetiske monopoler, ble spådd av Paul Dirac i 1931. Imidlertid er disse partiklene ennå ikke oppdaget, og det er for tidlig å snakke om det fjerde "håret". I prinsippet kan det være flere "hår" knyttet til kvantefelt, men i et makroskopisk hull er de helt usynlige.

Og likevel spinner de

Hvis en statisk stjerne lades opp, vil romtidsberegningen endres, men hendelseshorisonten vil fortsatt forbli sfærisk. Av en rekke årsaker kan imidlertid ikke stjerne- og galaktiske sorte hull bære en stor ladning, så fra astrofysikkens synspunkt er ikke denne saken veldig interessant. Men rotasjonen av hullet medfører mer alvorlige konsekvenser. For det første endres formen på horisonten. Sentrifugalkrefter komprimerer den langs rotasjonsaksen og strekker den i ekvatorialplanet, slik at sfæren forvandles til noe som ligner en ellipsoide. I hovedsak skjer det samme med horisonten som med enhver roterende kropp, spesielt med planeten vår - tross alt er jordens ekvatorialradius 21,5 km lengre enn den polare. For det andre reduserer rotasjon de lineære dimensjonene til horisonten. Husk at horisonten er grensesnittet mellom hendelser som kanskje sender signaler til fjerne verdener. Hvis hullets tyngdekraft fengsler lyskvanter, bidrar sentrifugalkrefter tvert i mot at de slipper ut i verdensrommet. Derfor bør horisonten til et roterende hull være plassert nærmere sentrum enn horisonten til en statisk stjerne med samme masse.

Men det er ikke alt. Hullet i sin rotasjon bærer bort det omkringliggende rommet. I umiddelbar nærhet av hullet er medrivingen fullstendig, i periferien svekkes den gradvis. Derfor er hullets horisont nedsenket i et spesielt område av rommet - ergosfæren. Ergosfærens grense berører horisonten ved polene og beveger seg lengst bort fra den i ekvatorialplanet. På denne overflaten er hastigheten på rommedriving lik lyshastighet; inne i den er den større enn lysets hastighet, og utenfor er den mindre. Derfor evt materiell kropp, det være seg et gassmolekyl, en partikkel av kosmisk støv eller en rekognoseringssonde, når den kommer inn i ergosfæren, begynner den helt sikkert å rotere rundt hullet, og i samme retning som seg selv.

Stellar Generatorer

Tilstedeværelsen av en ergosfære gjør i prinsippet at hullet kan brukes som en energikilde og. La en gjenstand trenge inn i ergosfæren og bryte opp der i to fragmenter. Det kan vise seg at en av dem vil falle under horisonten, og den andre vil forlate ergosfæren, og dens kinetiske energi vil overstige den første energien til hele kroppen! Ergosfæren har også evnen til å forsterke elektromagnetisk stråling som faller på den og igjen blir spredt ut i rommet (dette fenomenet kalles superstråling).

Loven om bevaring av energi er imidlertid urokkelig - evighetsmaskiner eksisterer ikke. Når et hull mater energi til partikler eller stråling, reduseres dets egen rotasjonsenergi. Det kosmiske supersvinghjulet bremser gradvis ned, og til slutt kan det til og med stoppe opp. Det er beregnet at på denne måten kan opptil 29 % av hullets masse omdannes til energi. Den eneste mer effektive prosessen enn dette er utslettelse av materie og antimaterie, siden massen i dette tilfellet blir fullstendig omdannet til stråling. Men termonukleært solenergibrensel brenner ut med en mye lavere effektivitet - omtrent 0,6%.

Følgelig er et raskt roterende sort hull nesten en ideell energigenerator for kosmiske supersivilisasjoner (hvis det selvfølgelig eksisterer slike). Uansett har naturen brukt denne ressursen i uminnelige tider. Kvasarer, de kraftigste rom-"radiostasjonene" (kilder til elektromagnetiske bølger), drives av energien fra gigantiske roterende hull i kjernene til galakser. Denne hypotesen ble fremsatt av Edwin Salpeter og Yakov Zeldovich tilbake i 1964, og siden har den blitt allment akseptert. Materialet som nærmer seg hullet danner en ringformet struktur, den såkalte akkresjonsskiven. Siden rommet nær hullet er sterkt vridd av dets rotasjon, holdes den indre sonen av skiven i ekvatorialplanet og legger seg sakte mot hendelseshorisonten. Gassen i denne sonen er sterkt oppvarmet av indre friksjon og genererer infrarød, lys, ultrafiolett og røntgenstråling, og noen ganger til og med gammastråler. Kvasarer sender også ut ikke-termisk radiostråling, som hovedsakelig skyldes synkrotroneffekten.

Veldig grunn entropi

Skallet hull-teoremet skjuler en veldig lumsk fallgruve. En kollapsende stjerne er en klump supervarm gass komprimert av gravitasjonskrefter. Jo høyere tetthet og temperatur på stjerneplasma, jo mindre orden og mer kaos inneholder det. Graden av kaos uttrykkes ved en veldig spesifikk fysisk størrelse - entropi. Over tid øker entropien til ethvert isolert objekt - dette er essensen av termodynamikkens andre lov. Entropien til stjernen før kollapsen begynner er uoverkommelig høy, og entropien til hullet ser ut til å være ekstremt liten, siden det bare trengs tre parametere for entydig å beskrive hullet. Er termodynamikkens andre lov brutt under gravitasjonskollaps?

Er det mulig å anta at når en stjerne blir til en supernova, blir dens entropi ført bort sammen med det utkastede skallet? Dessverre ikke. For det første kan massen til skallet ikke sammenlignes med massen til stjernen, derfor vil tapet av entropi være lite. For det andre er det ikke vanskelig å komme med en enda mer overbevisende mental "gjenbevisning" av termodynamikkens andre lov. La en kropp med ikke-null temperatur, som har en slags entropi, falle inn i tiltrekningssonen til et ferdig hull. Etter å ha falt under hendelseshorisonten, vil den forsvinne sammen med entropireservene, og entropien til hullet vil tilsynelatende ikke øke i det hele tatt. Det er fristende å hevde at romvesenets entropi ikke forsvinner, men overføres til innsiden av hullet, men dette er bare et verbalt triks. Fysikkens lover er oppfylt i verden som er tilgjengelig for oss og instrumentene våre, og regionen under hendelseshorisonten for enhver ekstern observatør er terra incognita.

Dette paradokset ble løst av Wheelers doktorgradsstudent Jacob Bekenstein. Termodynamikk har en veldig kraftig intellektuell ressurs - den teoretiske studien av ideelle varmemotorer. Bekenstein kom opp med en mental enhet som forvandler varme til nyttig arbeid, ved å bruke et sort hull som varmeapparat. Ved å bruke denne modellen beregnet han entropien til et svart hull, som viste seg å være proporsjonal med området av hendelseshorisonten. Dette området er proporsjonalt med kvadratet av hullets radius, som, husker du, er proporsjonal med massen. Når du fanger et eksternt objekt, øker massen til hullet, radiusen forlenges, horisontens område øker, og følgelig øker entropien. Beregninger har vist at entropien til et hull som har svelget en fremmed gjenstand overstiger den totale entropien til denne gjenstanden og hullet før de møttes. På samme måte er entropien til en kollapsende stjerne mange størrelsesordener mindre enn entropien til etterfølgerhullet. Faktisk, fra Bekensteins resonnement følger det at overflaten av hullet har en temperatur som ikke er null, og derfor er ganske enkelt forpliktet til å sende ut termiske fotoner (og, hvis de varmes opp nok, andre partikler). Bekenstein turte imidlertid ikke å gå så langt (Stephen Hawking tok dette steget).

Hva har vi kommet til? Å tenke på sorte hull etterlater ikke bare termodynamikkens andre lov intakt, men lar oss også berike begrepet entropi. Entropien til en vanlig fysisk kropp er mer eller mindre proporsjonal med volumet, og entropien til et hull er proporsjonal med overflaten av horisonten. Det kan være strengt bevist at det er større enn entropien til ethvert materiell objekt med de samme lineære dimensjonene. Det betyr at maksimum Entropien til et lukket romområde bestemmes utelukkende av arealet av dens ytre grense! Som vi ser, lar en teoretisk analyse av egenskapene til sorte hull oss trekke veldig dype konklusjoner av generell fysisk natur.

Ser inn i dypet av universet

Hvordan utføres letingen etter sorte hull i verdensdypet? Popular Mechanics stilte dette spørsmålet til den berømte astrofysikeren og Harvard University-professoren Ramesh Narayan.

"Oppdagelsen av sorte hull bør betraktes som en av de største prestasjonene innen moderne astronomi og astrofysikk. De siste tiårene har tusenvis av kilder blitt identifisert i verdensrommet røntgenstråling, som hver består av en normal stjerne og et veldig lite ikke-lysende objekt omgitt av en akkresjonsskive. Mørke legemer med masser fra halvannen til tre solmasser er mest sannsynlig nøytronstjerner. Men blant disse usynlige gjenstandene er det minst to dusin nesten hundre prosent kandidater til rollen som et sort hull. I tillegg har forskere kommet til enighet om at minst to gigantiske sorte hull er skjult i galaktiske kjerner. En av dem ligger i sentrum av galaksen vår; ifølge en publikasjon i fjor av astronomer fra USA og Tyskland, er dens masse 3,7 millioner solmasser (M s). For flere år siden ga mine Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics-kolleger James Moran og Lincoln Greenhill store bidrag til å veie hullet i sentrum av Seyfert-galaksen NGC 4258, som trakk inn på 35 millioner M s. Etter all sannsynlighet er det i kjernene til mange galakser hull med en masse på fra en million til flere milliarder M s.

Det er ennå ikke mulig å oppdage fra jorden den virkelig unike signaturen til et sort hull - tilstedeværelsen av en hendelseshorisont. Imidlertid vet vi allerede hvordan vi kan bekrefte fraværet. Radien til en nøytronstjerne er 10 kilometer; samme størrelsesorden er radiusen til hullene født som et resultat av stjernekollaps. Imidlertid har en nøytronstjerne en solid overflate, mens et hull ikke har det. Fallet av materie på overflaten av en nøytronstjerne medfører termonukleære eksplosjoner, som genererer periodiske røntgenutbrudd som varer et sekund. Og når gassen når horisonten til det sorte hullet, går den under det og manifesterer seg ikke som noen stråling. Derfor er fraværet av korte røntgenblink en kraftig bekreftelse på objektets hullnatur. Alle to dusin binære systemer som visstnok inneholder sorte hull sender ikke ut slike bluss.

Det må innrømmes at nå er vi tvunget til å nøye oss med negative bevis på eksistensen av sorte hull. Objektene som vi erklærer å være hull kan ikke være noe annet sett fra allment aksepterte teoretiske modellers synspunkt. For å si det annerledes, vi anser dem som hull utelukkende fordi vi ikke med rimelighet kan betrakte dem som noe annet. Jeg håper at de neste generasjonene av astronomer vil ha litt bedre hell.»

Til ordene til professor Narayan kan vi legge til at astronomer har trodd på virkeligheten av eksistensen av sorte hull i ganske lang tid. Historisk sett var den første pålitelige kandidaten for denne posisjonen den mørke satellitten til den svært knallblå supergiganten HDE 226868, 6500 lysår unna. Den ble oppdaget på begynnelsen av 1970-tallet i den binære røntgenstrålen Cygnus X-1. I følge de siste dataene er massen omtrent 20 M s. Det er verdt å merke seg at den 20. september i år ble det publisert data som nesten fullstendig fjernet tvil om virkeligheten til et annet hull med galaktiske proporsjoner, eksistensen som astronomer først mistenkte for 17 år siden. Den ligger i sentrum av M31-galaksen, bedre kjent som Andromedatåken. Galaxy M31 er veldig gammel, omtrent 12 milliarder år gammel. Hullet er også ganske stort – 140 millioner solmasser. Høsten 2005 var astronomer og astrofysikere endelig overbevist om eksistensen av tre supermassive sorte hull og et par dusin flere av deres mer beskjedne følgesvenner.

Teoretikernes dom

Popular Mechanics klarte også å snakke med to av de mest autoritative ekspertene på gravitasjonsteorien, som har viet flere tiår til forskning innen svarte hull. Vi ba dem liste opp de viktigste prestasjonene på dette området. Her er hva professor i teoretisk fysikk i Caltech Kip Thorne fortalte oss:

"Hvis vi snakker om makroskopiske sorte hull, som er godt beskrevet av likningene til generell relativitet, så ble hovedresultatene oppnådd på 60-80-tallet av det 20. århundre innen deres teori. Når det gjelder nyere arbeid, gjorde det mest interessante av dem det mulig å bedre forstå prosessene som skjer inne i et svart hull når det eldes. I i fjor Betydelig oppmerksomhet rettes mot modeller av sorte hull i flerdimensjonale rom, som naturlig forekommer i strengteori. Men disse studiene forholder seg ikke lenger til klassiske, men til kvantehull som ennå ikke er oppdaget. Hovedresultatet fra de siste årene er en svært overbevisende astrofysisk bekreftelse av virkeligheten av eksistensen av hull med en masse på flere solmasser, så vel som supermassive hull i sentrum av galakser. I dag er det ikke lenger noen tvil om at disse hullene virkelig eksisterer, og at vi godt forstår prosessene for dannelsen deres.»

Valery Frolov, en student av akademiker Markov og professor ved universitetet i den kanadiske provinsen Alberta, svarte på det samme spørsmålet:

"Først av alt vil jeg nevne oppdagelsen av et svart hull i sentrum av galaksen vår. Teoretiske studier av hull i rom med tilleggsdimensjoner er også veldig interessante, hvorfra følger muligheten for fødselen av minihull i eksperimenter med kolliderende akseleratorer og i prosessene for interaksjon av kosmiske stråler med terrestrisk materie. Stephen Hawking sendte nylig ut et forhåndstrykk av et papir som viser at termisk stråling fra et sort hull er fullstendig returnert til ytre verden informasjon om tilstanden til objekter som har falt under horisonten. Tidligere trodde han at denne informasjonen irreversibelt forsvant, men nå kom han til motsatt konklusjon. Det må imidlertid understrekes at dette problemet til slutt bare kan løses på grunnlag av kvanteteorien om gravitasjon, som ennå ikke er konstruert.»

Hawkings arbeid fortjener en egen kommentar. Fra de generelle prinsippene for kvantemekanikk følger det at ingen informasjon forsvinner sporløst, men bare blir til en mindre "lesbar" form. Imidlertid ødelegger sorte hull irreversibelt materie og håndterer tilsynelatende informasjon like hardt. I 1976 publiserte Hawking en artikkel der denne konklusjonen ble støttet av matematiske apparater. Noen teoretikere var enige med ham, noen ikke; spesielt mente strengteoretikere at informasjon var uforgjengelig. I fjor sommer, på en konferanse i Dublin, sa Hawking at informasjon fortsatt er bevart og forlater overflaten av det fordampende hullet sammen med termisk stråling. På dette møtet presenterte Hawking bare et diagram over sine nye beregninger, og lovet å publisere dem i sin helhet over tid. Og nå, som Valery Frolov sa, har dette verket blitt tilgjengelig i form av et forhåndstrykk.

Til slutt ba vi professor Frolov forklare hvorfor han anser svarte hull som en av de mest fantastiske oppfinnelsene innen menneskelig intelligens.

"Astronomer har lenge oppdaget objekter som ikke krevde vesentlig nye fysiske ideer for å forstå. Dette gjelder ikke bare planeter, stjerner og galakser, men også eksotiske kropper som hvite dverger og nøytronstjerner. Men et sort hull er noe helt annet, det er et gjennombrudd inn i det ukjente. Noen sa at innsiden er det beste stedet å plassere underverdenen. Studiet av hull, spesielt singulariteter, tvinger ganske enkelt frem bruken av slike ikke-standardiserte konsepter og modeller som inntil nylig praktisk talt ikke ble diskutert i fysikk - for eksempel kvantetyngdekraft og strengteori. Mange problemer oppstår her som er uvanlige for fysikk, til og med smertefulle, men, som det nå er klart, absolutt ekte. Derfor krever studiet av hull hele tiden fundamentalt nye teoretiske tilnærminger, inkludert de som er på kanten av vår kunnskap om den fysiske verden.»

Ifølge en nylig uttalelse fra astronomer fra Ohio University, er den uvanlige dobbeltkjernen i Andromeda-galaksen forklart av en klynge stjerner som roterer i elliptiske baner rundt et massivt objekt, mest sannsynlig et svart hull. Disse konklusjonene ble gjort basert på data innhentet ved hjelp av Hubble-romteleskopet. Andromedas binære kjerne ble først oppdaget på 70-tallet, men det var først på midten av 90-tallet at teorien om sorte hull ble fremmet.

Ideen om at det finnes sorte hull i kjernene til galakser er ikke ny.

Det er til og med all grunn til å tro at Melkeveien – galaksen som Jorden tilhører – har et stort sort hull i kjernen, hvis masse er 3 millioner ganger større enn solens masse. Å utforske kjernen til Andromeda-galaksen, som ligger i en avstand på 2 millioner lysår, er imidlertid lettere enn kjernen i galaksen vår, som lyset reiser til bare 30 tusen år - du kan ikke se skogen for trærne.

Forskere simulerer kollisjoner med sorte hull

Anvendelse av numerisk simulering på superdatamaskiner for å klargjøre arten og oppførselen til sorte hull, studie av gravitasjonsbølger.

For første gang simulerte forskere fra Institute of Gravitational Physics (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik), også kjent som Albert Einstein Institute og lokalisert i Golm, en forstad til Potsdam (Tyskland), sammenslåingen av to sorte hull. Den planlagte deteksjonen av gravitasjonsbølger som sendes ut av to sammenslående sorte hull krever fulle 3D-simuleringer på superdatamaskiner.

Sorte hull er så tette at de ikke reflekterer eller sender ut noe lys – det er derfor de er så vanskelige å oppdage. Men om noen år håper forskerne på et betydelig skifte på dette området.

Gravitasjonsbølger, som bokstavelig talt fyller verdensrommet, kan bli oppdaget ved hjelp av nye midler i begynnelsen av neste århundre.

Forskere ledet av professor Ed Seidel forbereder numeriske simuleringer for slike studier, som vil gi observatører en pålitelig måte å oppdage bølgene produsert av sorte hull. "Kollisjoner av sorte hull er en av hovedkildene til gravitasjonsbølger," sa professor Seidel, som de siste årene har utført vellykket forskning på å simulere gravitasjonsbølger som oppstår når sorte hull kollapser i direkte kollisjoner.

Imidlertid er samspillet mellom to spiralformede sorte hull og deres sammenslåing mer vanlig enn direkte kollisjoner og er av større betydning i astronomi. Slike tangentielle kollisjoner ble først beregnet av Bernd Brugman, som jobbet ved Albert Einstein Institute.

På grunn av mangel på datakraft på den tiden, klarte han imidlertid ikke å beregne avgjørende detaljer som eksakt spor av gravitasjonsbølgene som ble sendt ut, som inneholder viktig informasjon om oppførselen til sorte hull under en kollisjon. Brugman publiserte de siste resultatene i International Journal of Modern Physics.

I sine første beregninger brukte Brugman instituttets server Origin 2000. Den inkluderer 32 separate prosessorer som kjører parallelt med en total toppytelse på 3 milliarder operasjoner per sekund. Og i juni i år jobbet et internasjonalt team bestående av Brugman, Seidel og andre forskere allerede med en mye kraftigere 256-prosessor Origin 2000 superdatamaskin ved National Center for Supercomputing Applications (NCSA). Gruppen inkluderte også forskere fra

St. Louis University (USA) og fra forskningssenteret Konrad-Zuse-Zentrum i Berlin. Denne superdatamaskinen ga den første detaljerte simuleringen av tangentielle kollisjoner av sorte hull med ulik masse, samt deres rotasjoner, som Brugman tidligere hadde studert. Werner Benger fra Konrad-Zuse-Zentrum klarte til og med å gjengi et fantastisk bilde av kollisjonsprosessen. Det ble demonstrert hvordan "svarte monstre" med masser fra én til flere hundre millioner solmasser slo seg sammen, og skapte utbrudd av gravitasjonsbølger som snart kunne oppdages med spesielle midler.

Et av de viktigste resultatene av dette forskningsarbeid var oppdagelsen av enorm energi som ble sendt ut under kollisjonen av sorte hull i form av gravitasjonsbølger. Hvis to objekter med masser tilsvarende 10 og 15 solmasser kommer innenfor 30 miles fra hverandre og kolliderer, tilsvarer mengden gravitasjonsenergi 1 % av massen deres. "Dette er tusen ganger mer enn all energien som er frigjort av vår sol de siste fem milliarder årene." - Noterte Brugman. Siden de fleste store kollisjoner i universet skjer veldig langt fra jorden, bør signalene bli svært svake i det øyeblikket de når jorden.

Bygging av flere høypresisjonsdetektorer har begynt rundt om i verden.

En av dem, konstruert av Max Planck Institute som en del av det tysk-britiske Geo 600-prosjektet, er et laserinterferometer 0,7 miles langt. Forskere håper å måle de korte gravitasjonsforstyrrelsene som oppstår under sorte hull-kollisjoner, men de forventer bare én slik kollisjon per år, og i en avstand på rundt 600 millioner lysår. Datamodeller er nødvendige for å gi observatører pålitelig informasjon om å oppdage bølger produsert av sorte hull. Takket være forbedringer i superdatamaskinsimuleringsevner, er forskere på randen av en ny type eksperimentell fysikk.

Astronomer sier de vet hvor mange tusen sorte hull befinner seg, men vi er ikke i stand til å gjøre noen eksperimenter med dem på jorden. "Bare i ett tilfelle vil vi være i stand til å studere detaljene og konstruere en numerisk modell av dem i datamaskinene våre og observere den," forklarte professor Bernard Schutz, direktør for Albert Einstein Institute. "Jeg tror at studiet av sorte hull vil være et sentralt forskningstema for astronomer i det første tiåret av neste århundre."

Følgestjernen lar deg se støvet fra supernovaen.

Sorte hull kan ikke sees direkte, men astronomer kan se bevis på deres eksistens når gasser spyr ut på en ledsagerstjerne.

Hvis dynamitt detoneres, vil bittesmå fragmenter av eksplosiv legge seg dypt inn i gjenstander i nærheten, og dermed etterlate permanente bevis på eksplosjonen.

Astronomer har funnet et lignende avtrykk på en stjerne som går i bane rundt et sort hull, og tror ikke urimelig at det sorte hullet – en tidligere stjerne som kollapset så ille at ikke engang lys kan overvinne gravitasjonskraften – ble skapt av en supernovaeksplosjon.

Lyset i mørket.

På dette tidspunktet hadde astronomer observert supernovaeksplosjoner og oppdaget flekkete objekter på stedet deres, som etter deres mening var sorte hull. Den nye oppdagelsen er det første virkelige beviset på en sammenheng mellom en hendelse og en annen. (Sorte hull kan ikke sees direkte, men deres tilstedeværelse kan noen ganger utledes av effekten av gravitasjonsfeltet deres på objekter i nærheten.

Stjerne-og-svart-hull-systemet, betegnet GRO J1655-40, ligger omtrent 10 000 lysår unna i vår galakse Melkeveien. Oppdaget i 1994, vakte den oppmerksomheten til astronomer med sine sterke bluss. røntgenstråler og en byge av radiobølger da det sorte hullet presset gasser mot sin følgestjerne 7,4 millioner miles unna.

Forskere fra Spania og Amerika begynte å se nærmere på følgestjernen, og trodde at den kunne beholde noen spor som indikerer prosessen med dannelsen av et svart hull.

Sorte hull på størrelse med stjerne antas å være kroppene til store stjerner som ganske enkelt krympet til den størrelsen etter å ha brukt opp alt hydrogendrivstoffet sitt. Men av grunner som fortsatt er uklare, forvandles den døende stjernen til en supernova før den eksploderer.

Observasjoner av GRO J1655-40 i august og september 1994 viste at den utkastede gassen strømmet med hastigheter opp til 92 % av lysets hastighet, noe som ga delvis bevis på tilstedeværelsen av et sort hull.

Stjernestøv.

Hvis forskerne ikke tar feil, ble noen av de eksploderende stjernene, som sannsynligvis var 25-40 ganger større enn vår sol, til overlevende satellitter.

Dette er nøyaktig dataene astronomene oppdaget.

Atmosfæren til følgestjernen inneholdt høyere enn normalt konsentrasjoner av oksygen, magnesium, silisium og svovel – tunge grunnstoffer som bare kan skapes i store mengder ved multimilliardgraders temperaturer som nås under en supernovaeksplosjon. Dette var det første beviset som virkelig støttet teorien om at noen sorte hull først dukket opp som supernovaer, siden det som ble sett ikke kunne ha blitt født fra stjernen som astronomer observerte.

Konseptet med et sort hull er kjent for alle - fra skolebarn til eldre; det brukes i vitenskapelige og fantastisk litteratur, i tabloidmedia og på vitenskapelige konferanser. Men nøyaktig hva slike hull er er ikke kjent for alle.

Fra historien til sorte hull

1783 Den første hypotesen om eksistensen av et slikt fenomen som et sort hull ble fremsatt i 1783 av den engelske vitenskapsmannen John Michell. I sin teori kombinerte han to av Newtons kreasjoner - optikk og mekanikk. Michells idé var denne: Hvis lys er en strøm av bittesmå partikler, bør partiklene, som alle andre legemer, oppleve tiltrekningen av et gravitasjonsfelt. Det viser seg at jo mer massiv stjernen er, desto vanskeligere er det for lys å motstå tiltrekningen. 13 år etter Michell la den franske astronomen og matematikeren Laplace frem (mest sannsynlig uavhengig av sin britiske kollega) en lignende teori.

1915 Alle verkene deres forble imidlertid uavhentede frem til begynnelsen av 1900-tallet. I 1915 publiserte Albert Einstein den generelle relativitetsteorien og viste at tyngdekraften er krumningen av romtiden forårsaket av materie, og noen måneder senere brukte den tyske astronomen og teoretiske fysikeren Karl Schwarzschild den til å løse et spesifikt astronomisk problem. Han utforsket strukturen til buet romtid rundt solen og gjenoppdaget fenomenet sorte hull.

(John Wheeler laget begrepet "svarte hull")

1967 Den amerikanske fysikeren John Wheeler skisserte et rom som kan krølles sammen, som et stykke papir, til et uendelig lite punkt og betegnet det med begrepet "Black Hole".

1974 Den britiske fysikeren Stephen Hawking beviste at sorte hull, selv om de absorberer materie uten retur, kan sende ut stråling og til slutt fordampe. Dette fenomenet kalles "Hawking-stråling".

2013 Den siste forskningen på pulsarer og kvasarer, samt oppdagelsen av kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling, har endelig gjort det mulig å beskrive selve konseptet med sorte hull. I 2013 kom gasskyen G2 svært nær det sorte hullet og vil mest sannsynlig bli absorbert av det, observasjon av en unik prosess gir enorme muligheter for nye oppdagelser av egenskapene til sorte hull.

(Det massive objektet Sagittarius A*, dens masse er 4 millioner ganger større enn solen, noe som innebærer en klynge stjerner og dannelsen av et svart hull)

2017. En gruppe forskere fra flerlandssamarbeidet Event Horizon Telescope, som forbinder åtte teleskoper fra forskjellige punkter på jordens kontinenter, observerte et svart hull, som er et supermassivt objekt som ligger i M87-galaksen, stjernebildet Jomfruen. Massen til objektet er 6,5 milliarder (!) solmasser, gigantiske ganger større enn det massive objektet Skytten A*, til sammenligning, med en diameter litt mindre enn avstanden fra Solen til Pluto.

Observasjonene ble utført i flere etapper, med start våren 2017 og gjennom periodene i 2018. Mengden av informasjon utgjorde petabyte, som deretter måtte dekrypteres og et ekte bilde av et ultrafjernt objekt oppnås. Derfor tok det ytterligere to hele år å behandle alle dataene grundig og kombinere dem til en helhet.

2019 Dataene ble vellykket dekryptert og vist, og produserte det første bildet noensinne av et svart hull.

(Det første bildet noensinne av et svart hull i M87-galaksen i stjernebildet Jomfruen)

Bildeoppløsningen lar deg se skyggen av punktet uten retur i midten av objektet. Bildet ble oppnådd som et resultat av ultralange interferometriske observasjoner ved baseline. Dette er såkalte synkrone observasjoner av ett objekt fra flere radioteleskoper sammenkoblet av et nettverk og plassert i forskjellige deler kloden, rettet i én retning.

Hva sorte hull egentlig er

En lakonisk forklaring på fenomenet er slik.

Et svart hull er et rom-tid-område hvis gravitasjonsattraksjon er så sterk at ingen gjenstand, inkludert lyskvanter, kan forlate det.

Det sorte hullet var en gang en massiv stjerne. Så lenge termonukleære reaksjoner opprettholder høyt trykk i dypet, forblir alt normalt. Men over tid tømmes energiforsyningen og himmelsk kropp, under påvirkning av sin egen tyngdekraft, begynner å komprimere. Det siste stadiet av denne prosessen er kollapsen av stjernekjernen og dannelsen av et svart hull.

• 1. Et svart hull sender ut en jetstråle i høy hastighet


• 2. En skive av materie vokser til et sort hull


• 3. Svart hull


• 4. Detaljert diagram over området med svart hull


• 5. Størrelse på nye observasjoner funnet

Den vanligste teorien er at lignende fenomener finnes i hver galakse, inkludert sentrum av Melkeveien vår. Hullets enorme gravitasjonskraft er i stand til å holde flere galakser rundt seg, og hindrer dem i å bevege seg bort fra hverandre. "Dekningsområdet" kan være annerledes, alt avhenger av massen til stjernen som ble til et svart hull, og kan være tusenvis av lysår.

Schwarzschild radius

Hovedegenskapen til et sort hull er at ethvert stoff som faller ned i det, aldri kan komme tilbake. Det samme gjelder lys. I kjernen er hull kropper som fullstendig absorberer alt lys som faller på dem og ikke avgir noe av sitt eget. Slike gjenstander kan visuelt fremstå som klumper av absolutt mørke.

• 1. Flytte materie med halve lysets hastighet


• 2. Fotonring


• 3. Indre fotonring


• 4. Hendelseshorisont i et svart hull

Starter fra Generell teori I følge Einsteins relativitetsteori, hvis en kropp nærmer seg en kritisk avstand til midten av hullet, vil den ikke lenger kunne returnere. Denne avstanden kalles Schwarzschild-radius. Hva som nøyaktig skjer innenfor denne radiusen er ikke kjent med sikkerhet, men det er den vanligste teorien. Det antas at alt stoffet i et sort hull er konsentrert i et uendelig lite punkt, og i midten er det et objekt med uendelig tetthet, som forskerne kaller en enestående forstyrrelse.

Hvordan skjer det å falle i et svart hull?

(På bildet ser det sorte hullet Sagittarius A* ut som en ekstremt lys klynge av lys)

For ikke så lenge siden, i 2011, oppdaget forskere en gassky, og ga den det enkle navnet G2, som avgir uvanlig lys. Denne gløden kan skyldes friksjon i gassen og støvet forårsaket av det sorte hullet Sagittarius A*, som går i bane rundt det som en akkresjonsskive. Dermed blir vi observatører av det fantastiske fenomenet absorpsjon av en gassky av et supermassivt sort hull.

I følge nyere studier vil den nærmeste tilnærmingen til det sorte hullet skje i mars 2014. Vi kan gjenskape et bilde av hvordan dette spennende opptoget vil foregå.

• 1. Når den først vises i dataene, ligner en gassky en enorm ball av gass og støv.


• 2. Nå, fra juni 2013, er skyen titalls milliarder kilometer fra det sorte hullet. Den faller ned i den med en hastighet på 2500 km/s.


• 3. Skyen forventes å passere det sorte hullet, men tidevannskrefter forårsaket av forskjellen i tyngdekraften som virker på skyens for- og bakkant vil føre til at den får en stadig mer langstrakt form.


• 4. Etter at skyen er revet fra hverandre, vil mesteparten av den mest sannsynlig strømme inn i akkresjonsskiven rundt Skytten A*, og generere sjokkbølger i den. Temperaturen vil hoppe til flere millioner grader.


• 5. En del av skyen vil falle direkte ned i det sorte hullet. Ingen vet nøyaktig hva som vil skje med dette stoffet videre, men det forventes at når det faller vil det sende ut kraftige strømmer av røntgenstråler og aldri bli sett igjen.

Video: svart hull svelger en gasssky

(Datasimulering av hvor mye av G2-gassskyen som ville bli ødelagt og konsumert av det sorte hullet Skytten A*)

Hva er inne i et svart hull

Det er en teori som sier at et svart hull er praktisk talt tomt inni, og all massen er konsentrert i et utrolig lite punkt som ligger helt i sentrum - singulariteten.

Ifølge en annen teori, som har eksistert i et halvt århundre, går alt som faller inn i et sort hull inn i et annet univers som ligger i selve det sorte hullet. Nå er ikke denne teorien den viktigste.

Og det er en tredje, mest moderne og seig teori, ifølge hvilken alt som faller inn i et svart hull oppløses i vibrasjonene av strenger på overflaten, som er utpekt som hendelseshorisonten.

Så hva er en hendelseshorisont? Det er umulig å se inn i et sort hull selv med et superkraftig teleskop, siden selv lys som kommer inn i den gigantiske kosmiske trakten, ikke har noen sjanse til å komme tilbake. Alt som i det minste på en eller annen måte kan vurderes ligger i dens umiddelbare nærhet.

Hendelseshorisonten er en konvensjonell overflatelinje som ingenting (verken gass, støv, stjerner eller lys) kan unnslippe under. Og dette er det veldig mystiske punktet uten retur i de sorte hullene i universet.