Tieteellinen ajattelu rakentaa toisinaan esineitä, joilla on niin paradoksaalisia ominaisuuksia, että jopa älykkäimmät tiedemiehet kieltäytyvät aluksi tunnistamasta niitä. Ilmeisin esimerkki modernin fysiikan historiasta on pitkäaikainen kiinnostuksen puute mustia aukkoja kohtaan, eli lähes 90 vuotta sitten ennustettuihin gravitaatiokentän ääritiloihin. Pitkään niitä pidettiin puhtaasti teoreettisina abstraktioina, ja vasta 1960- ja 70-luvuilla he uskoivat niiden todellisuuteen. Kuitenkin mustien aukkojen teorian perusyhtälö johdettiin yli kaksisataa vuotta sitten.

John Michellin näkemys

Fyysikon, tähtitieteilijän ja geologin, Cambridgen yliopiston professorin ja Englannin kirkon pastori John Michellin nimi katosi täysin ansaitsemattomasti englantilaisen tieteen tähtien joukkoon 1700-luvulla. Michell loi perustan seismologialle, maanjäristystieteelle, suoritti erinomaisen tutkimuksen magnetismista ja kauan ennen kuin Coulomb keksi vääntötasapainon, jota hän käytti gravimetrisiin mittauksiin. Vuonna 1783 hän yritti yhdistää Newtonin kaksi suurta luomusta, mekaniikka ja optiikka. Newton piti valoa pienten hiukkasten virtana. Michell ehdotti, että kevytsolut, kuten tavallinen aine, noudattavat mekaniikan lakeja. Tämän hypoteesin seuraus osoittautui erittäin ei-triviaaliksi - taivaankappaleet voivat muuttua valon ansoiksi.

Miten Michell ajatteli? Planeetan pinnasta ammuttu kanuunankuula voittaa painovoimansa täysin vain, jos sen alkunopeus ylittää nykyisen toisen avaruuden nopeuden ja pakonopeuden. Jos planeetan painovoima on niin voimakas, että pakonopeus ylittää valonnopeuden, zeniittiin ammutut valokapselit eivät pääse pakoon äärettömyyteen. Sama tapahtuu heijastuneen valon kanssa. Siksi hyvin kaukaiselle tarkkailijalle planeetta on näkymätön. Michell laski tällaisen planeetan säteen kriittisen arvon, Rcr, riippuen sen massasta, M, vähennettynä aurinkomme massaan, Ms: Rcr = 3 km x M/Ms.

John Michell uskoi kaavoihinsa ja oletti, että avaruuden syvyydet kätkevät monia tähtiä, joita ei voida nähdä maasta millään kaukoputkella. Myöhemmin suuri ranskalainen matemaatikko, tähtitieteilijä ja fyysikko Pierre Simon Laplace tuli samaan johtopäätökseen ja sisällytti sen sekä ensimmäiseen (1796) että toiseen (1799) painokseensa Exposition of the World of the World -julkaisussa. Mutta kolmas painos julkaistiin vuonna 1808, jolloin useimmat fyysikot pitivät valoa jo eetterin värähtelyinä. "Näkymättömien" tähtien olemassaolo oli ristiriidassa valon aaltoteorian kanssa, ja Laplace piti parasta olla mainitsematta niitä. Myöhemmin tätä ajatusta pidettiin uteliaisuutena, joka ansaitsi esittelyn vain fysiikan historiaa koskevissa teoksissa.

Schwarzschildin malli

Marraskuussa 1915 Albert Einstein julkaisi painovoimateorian, jota hän kutsui yleiseksi suhteellisuusteoriaksi (GR). Tämä teos sai välittömästi arvostavan lukijan Berliinin tiedeakatemian kollegansa Karl Schwarzschildin henkilönä. Schwarzschild oli ensimmäinen maailmassa, joka sovelsi yleistä suhteellisuusteoriaa tietyn astrofysikaalisen ongelman ratkaisemiseen, avaruus-aikametriikan laskemiseen pyörimättömän pallomaisen kappaleen ulkopuolella ja sisällä (konkreettisuuden vuoksi kutsumme sitä tähdeksi).

Schwarzschildin laskelmista seuraa, että tähden painovoima ei suuresti vääristä Newtonin avaruuden ja ajan rakennetta vain, jos sen säde on paljon suurempi kuin John Michellin laskema arvo! Tätä parametria kutsuttiin ensin Schwarzschildin säteeksi, ja nyt sitä kutsutaan gravitaatiosäteeksi. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan painovoima ei vaikuta valon nopeuteen, vaan vähentää valon värähtelyjen taajuutta samassa suhteessa, jossa se hidastaa aikaa. Jos tähden säde on 4 kertaa suurempi kuin gravitaatiosäde, niin ajan virtaus sen pinnalla hidastuu 15% ja avaruus saa huomattavan kaarevuuden. Kaksinkertaisella ylimäärällä se taipuu enemmän ja aika hidastaa sen juoksua 41%. Kun gravitaatiosäde saavutetaan, aika tähden pinnalla pysähtyy kokonaan (kaikki taajuudet nollataan, säteily jäätyy ja tähti sammuu), mutta avaruuden kaarevuus siellä on edelleen rajallinen. Kaukana auringosta geometria pysyy edelleen euklidisena, eikä aika muuta nopeuttaan.

Huolimatta siitä, että Michellin ja Schwarzschildin gravitaatiosäteen arvot ovat samat, itse malleilla ei ole mitään yhteistä. Michellille tila ja aika eivät muutu, mutta valo hidastuu. Tähti, jonka mitat ovat pienempiä kuin sen gravitaatiosäde, jatkaa loistamistaan, mutta se on nähtävissä vain ei liian kaukana olevalle tarkkailijalle. Schwarzschildille valon nopeus on absoluuttinen, mutta tilan ja ajan rakenne riippuu painovoimasta. Gravitaatiosäteen alle pudonnut tähti katoaa kenelle tahansa havainnoijalle riippumatta siitä, missä hän on (tarkemmin sanottuna se voidaan havaita painovoiman vaikutuksilla, mutta ei suinkaan säteilyllä).

Epäuskosta väittämiseen

Schwarzschild ja hänen aikalaisensa uskoivat, että tällaisia ​​outoja kosmisia esineitä ei ole luonnossa. Einstein itse ei vain noudattanut tätä näkemystä, vaan myös uskoi virheellisesti, että hän onnistui perustelemaan mielipiteensä matemaattisesti.

Nuori intialainen astrofyysikko Chandrasekhar osoitti 1930-luvulla, että ydinpolttoaineensa käyttänyt tähti vuotaa kuorensa ja muuttuu hitaasti jäähtyväksi valkoiseksi kääpiöksi vain, jos sen massa on alle 1,4 Auringon massaa. Pian amerikkalainen Fritz Zwicky arvasi, että supernovaräjähdyksissä syntyy erittäin tiheitä neutroniainekappaleita; Myöhemmin Lev Landau tuli samaan johtopäätökseen. Chandrasekharin työn jälkeen oli ilmeistä, että vain tähdet, joiden massa on yli 1,4 aurinkomassaa, voivat käydä läpi tällaisen evoluution. Siksi heräsi luonnollinen kysymys - onko neutronitähtien jättämille supernovalle ylämassarajaa?

1930-luvun lopulla amerikkalaisen atomipommin tuleva isä Robert Oppenheimer totesi, että tällainen raja todellakin on olemassa, eikä se ylitä useita auringon massoja. Silloin ei ollut mahdollista antaa tarkempaa arviota; nyt tiedetään, että neutronitähtien massojen on oltava välillä 1,5-3 Ms. Mutta jopa Oppenheimerin ja hänen jatko-opiskelijansa George Volkovin likimääräisistä laskelmista seurasi, että supernovaen massiivisimmista jälkeläisistä ei tule neutronitähtiä, vaan ne siirtyvät johonkin muuhun tilaan. Vuonna 1939 Oppenheimer ja Hartland Snyder osoittivat idealisoidussa mallissa, että massiivinen romahtava tähti supistuu gravitaatiosäteensä mukaan. Heidän kaavoistaan ​​itse asiassa seuraa, että tähti ei pysähdy tähän, mutta kirjoittajat pidättyivät tällaisesta radikaalista johtopäätöksestä.

Lopullinen vastaus löydettiin 1900-luvun jälkipuoliskolla loistavien teoreettisten fyysikkojen galaksin ponnisteluilla, mukaan lukien Neuvostoliiton fyysikot. Kävi ilmi, että tällainen romahdus aina puristaa tähden "pysähdykseen", tuhoten sen aineen kokonaan. Tämän seurauksena syntyy singulaarisuus, gravitaatiokentän "superkonsentraatti", joka on suljettu äärettömän pieneen tilavuuteen. Kiinteällä reiällä tämä on piste, pyörivässä reiässä se on rengas. Aika-avaruuden kaarevuus ja siten painovoima lähellä singuliteettia pyrkivät äärettömään. Vuoden 1967 lopulla amerikkalainen fyysikko John Archibald Wheeler kutsui ensimmäisenä tällaista lopullista tähtien romahtamista mustaksi aukoksi. Uusi termi rakastui fyysikoihin ja ilahdutti toimittajia, jotka levittivät sitä ympäri maailmaa (vaikka ranskalaiset eivät pitäneet siitä aluksi, koska ilmaisu trou noir ehdotti kyseenalaisia ​​assosiaatioita).

Siellä, horisontin takana

Musta aukko ei ole ainetta eikä säteilyä. Pienellä kuvaannollisuudella voimme sanoa, että tämä on itseään ylläpitävä gravitaatiokenttä, joka on keskittynyt aika-avaruuden erittäin kaarevalle alueelle. Sen ulkorajan määrittää suljettu pinta, tapahtumahorisontti. Jos tähti ei pyörinyt ennen romahtamista, tämä pinta osoittautuu säännölliseksi palloksi, jonka säde on sama kuin Schwarzschildin säde.

Horisontin fyysinen merkitys on hyvin selvä. Sen ulkonaapurista lähetetty valosignaali voi kulkea äärettömän matkan. Mutta sisäalueelta lähetetyt signaalit eivät vain ylitä horisonttia, vaan väistämättä "putoavat" singulaarisuuteen. Horisontti on spatiaalinen raja sellaisten tapahtumien välillä, jotka voivat tulla maanpäällisten (ja muiden) tähtitieteilijöiden tiedoksi, ja tapahtumien välillä, joista ei tule tietoa missään olosuhteissa.

Kuten sen pitäisi olla "Schwarzschildin mukaan", kaukana horisontista, reiän vetovoima on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön, joten kaukaiselle tarkkailijalle se ilmenee tavallisena raskaana kappaleena. Massan lisäksi reikä perii romahtaneen tähden hitausmomentin ja sen sähkövarauksen. Ja kaikki muut edeltäjätähden ominaisuudet (rakenne, koostumus, spektrityyppi jne.) unohdetaan.

Lähetetään reikään luotain radioasemalla, joka lähettää signaalin kerran sekunnissa laiva-ajan mukaan. Kaukana olevalle tarkkailijalle, kun luotain lähestyy horisonttia, signaalien väliset aikavälit kasvavat - periaatteessa loputtomasti. Heti kun alus ylittää näkymätön horisontin, se on täysin hiljaa "reiän yli" -maailmalle. Tämä katoaminen ei kuitenkaan jää jäljettömäksi, koska koetin antaa reiän massan, varauksen ja vääntömomentin.

mustan aukon säteilyä

Kaikki aiemmat mallit rakennettiin yksinomaan yleisen suhteellisuusteorian perusteella. Maailmaamme hallitsevat kuitenkin kvanttimekaniikan lait, jotka eivät jätä huomiotta mustia aukkoja. Nämä lait eivät salli meidän pitää keskeistä singulaarisuutta matemaattisena pisteenä. Kvanttikontekstissa sen halkaisija saadaan Planck-Wheeler-pituudella, joka on suunnilleen 10-33 senttimetriä. Tällä alueella tavallinen avaruus lakkaa olemasta. On yleisesti hyväksyttyä, että reiän keskusta on täytetty erilaisilla topologisilla rakenteilla, jotka syntyvät ja kuolevat kvanttitodennäköisyyslakien mukaisesti. Tällaisen kuplivan näennäisavaruuden, jota Wheeler kutsui kvanttivaahdoksi, ominaisuuksia ymmärretään vielä huonosti.

Kvanttisingulaarisuuden esiintyminen liittyy suoraan syvälle mustaan ​​aukkoon putoavien aineellisten kappaleiden kohtaloon. Kun lähestyt reiän keskustaa, mikä tahansa tällä hetkellä tunnetuista materiaaleista valmistettu esine murskautuu ja repeytyy vuorovesivoimien vaikutuksesta. Vaikka tulevat insinöörit ja teknikot luovatkin supervahvoja metalliseoksia ja komposiitteja, joilla on nykyään ennenkuulumattomia ominaisuuksia, ne ovat joka tapauksessa tuomittuja katoamaan: loppujen lopuksi singulariteettivyöhykkeellä ei ole tuttua aikaa eikä tuttua tilaa.

Katsotaan nyt reiän horisonttia kvanttimekaanisen linssin läpi. Tyhjä tila - fyysinen tyhjiö - ei itse asiassa ole missään nimessä tyhjä. Tyhjiössä eri kenttien kvanttivaihteluista johtuen monet virtuaalipartikkelit syntyvät ja kuolevat jatkuvasti. Koska painovoima lähellä horisonttia on erittäin voimakasta, sen heilahtelut aiheuttavat erittäin voimakkaita gravitaatiopurkauksia. Kun vastasyntyneet "virtuaalit" kiihdytetään tällaisilla kentillä, ne hankkivat lisäenergiaa ja joskus niistä tulee normaaleja pitkäikäisiä hiukkasia.

Virtuaalihiukkaset syntyvät aina pareittain, jotka liikkuvat vastakkaisiin suuntiin (tätä vaatii liikemäärän säilymislaki). Jos gravitaatioheilahtelu erottaa tyhjiöstä parin hiukkasia, voi käydä niin, että yksi niistä materialisoituu horisontin ulkopuolelle ja toinen (ensimmäisen antihiukkanen) sisälle. "Sisäinen" hiukkanen putoaa reikään, mutta "ulkoinen" hiukkanen voi paeta suotuisissa olosuhteissa. Tämän seurauksena reikä muuttuu säteilyn lähteeksi ja menettää siksi energiaa ja siten massaa. Siksi mustat aukot ovat pohjimmiltaan epävakaita.

Tätä ilmiötä kutsutaan Hawking-ilmiöksi sen 1970-luvun puolivälissä löytäneen huomattavan englantilaisen teoreettisen fyysikon mukaan. Erityisesti Stephen Hawking osoitti, että mustan aukon horisontti lähettää fotoneja täsmälleen samalla tavalla kuin absoluuttisen musta kappale, joka on kuumennettu lämpötilaan T = 0,5 x 10 -7 x M s /M. Tästä seuraa, että kun reikä ohenee, sen lämpötila nousee ja "haihtuminen" tietysti kasvaa. Tämä prosessi on erittäin hidas ja M-massaisen reiän elinikä on noin 10 65 x (M/M s) 3 vuotta. Kun sen koko on yhtä suuri kuin Planck-Wheelerin pituus, reikä menettää vakauden ja räjähtää vapauttaen saman energian kuin miljoonan kymmenen megatonnnin vetypommin samanaikainen räjähdys. Kummallista kyllä, reiän massa sen katoamishetkellä on edelleen melko suuri, 22 mikrogrammaa. Joidenkin mallien mukaan reikä ei katoa jälkiä jättämättä, vaan jättää jälkeensä saman massaisen vakaan jäännöksen, niin sanotun maksimonin.

Maximon syntyi 40 vuotta sitten - terminä ja fyysisenä ideana. Vuonna 1965 akateemikko M. A. Markov ehdotti, että alkuainehiukkasten massalla on yläraja. Hän ehdotti, että tätä raja-arvoa pidettäisiin massan mittana, joka voidaan yhdistää kolmesta fysikaalisesta perusvakiosta - Planckin vakiosta h, valon nopeudesta C ja gravitaatiovakiosta G (yksityiskohtien ystäville: tätä varten sinun on kerro h ja C, jaa tulos G:llä ja ota neliöjuuri). Nämä ovat samat 22 mikrogrammaa, jotka mainitaan artikkelissa, tätä arvoa kutsutaan Planck-massaksi. Samoista vakioista voidaan muodostaa arvo pituusmitalla (Planck-Wheeler-pituus tulee ulos, 10 -33 cm) ja aikamittauksella (10 -43 s).
Markov meni perusteluissaan pidemmälle. Hänen hypoteesinsa mukaan mustan aukon haihtuminen johtaa "kuivan jäännöksen" - maksimonin - muodostumiseen. Markov kutsui tällaisia ​​rakenteita alkeellisiksi mustiksi aukoiksi. Se, missä määrin tämä teoria vastaa todellisuutta, on edelleen avoin kysymys. Joka tapauksessa Markovin maksimonien analogit on herätetty henkiin joissakin supermerkkijonoteoriaan perustuvissa mustien aukkojen malleissa.

Avaruuden syvyydet

Mustat aukot eivät ole fysiikan lakien mukaan kiellettyjä, mutta onko niitä luonnossa? Ehdottomasti tiukkaa todistetta ainakin yhden tällaisen esineen läsnäolosta avaruudessa ei ole vielä löydetty. On kuitenkin erittäin todennäköistä, että joissakin binäärijärjestelmissä röntgenlähteet ovat tähtien alkuperää olevia mustia aukkoja. Tämän säteilyn pitäisi syntyä tavallisen tähden ilmakehän imemisen seurauksena viereisen reiän gravitaatiokentän vaikutuksesta. Kaasu kuumenee voimakkaasti tapahtumahorisonttiin siirtymisensä aikana ja emittoi röntgenkvantteja. Ainakin kahta tusinaa röntgenlähdettä pidetään nyt sopivina ehdokkaina mustien aukkojen rooliin. Lisäksi tähtitilastot viittaavat siihen, että pelkästään galaksissamme on noin kymmenen miljoonaa tähtiperäistä reikää.

Mustia aukkoja voi muodostua myös aineen ggalaktisissa ytimissä. Näin syntyy jättimäisiä reikiä, joiden massa on miljoonia ja miljardeja aurinkomassoja, joita löytyy mitä todennäköisimmin monista galakseista. Ilmeisesti Linnunradan keskellä pölypilvien peitossa on reikä, jonka massa on 3-4 miljoonaa aurinkomassaa.

Stephen Hawking tuli siihen tulokseen, että mielivaltaisen massan mustia aukkoja saattoi syntyä heti alkuräjähdyksen jälkeen, joka synnytti universumimme. Ensisijaiset jopa miljardi tonnia painavat reiät ovat jo haihtuneet, mutta raskaammat voivat silti piiloutua avaruuden syvyyksiin ja aikanaan luoda kosmisia ilotulitteita voimakkaiden gammasäteilyn välähdysten muodossa. Tällaisia ​​räjähdyksiä ei kuitenkaan ole toistaiseksi havaittu.

mustan aukon tehdas

Onko mahdollista kiihdyttää kiihdyttimen hiukkasia niin suureen energiaan, että niiden törmäys johtaisi mustan aukon syntymiseen? Ensi silmäyksellä tämä ajatus on yksinkertaisesti hullu - reiän räjähdys tuhoaa kaiken elämän maan päällä. Lisäksi se on teknisesti mahdotonta. Jos reiän minimimassa on todellakin 22 mikrogrammaa, niin energiayksiköissä se on 10 28 elektronivolttia. Tämä kynnys on 15 suuruusluokkaa korkeampi kuin maailman tehokkain kiihdytin, Large Hadron Collider (LHC), joka lanseerataan CERNissä vuonna 2007.

On kuitenkin mahdollista, että reiän vähimmäismassan standardiarvio on merkittävästi yliarvioitu. Joka tapauksessa näin sanovat fyysikot, jotka kehittävät supermerkkijonoteoriaa, joka sisältää painovoiman kvanttiteorian (vaikkakaan kaukana täydellisestä). Tämän teorian mukaan avaruudessa on vähintään kolme ulottuvuutta, mutta vähintään yhdeksän. Emme huomaa ylimääräisiä mittasuhteita, koska ne on silmukattu niin pienessä mittakaavassa, että soittimemme eivät havaitse niitä. Painovoima on kuitenkin kaikkialla läsnä, se tunkeutuu piilotettuihin ulottuvuuksiin. Kolmessa ulottuvuudessa painovoima on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön, ja yhdeksässä ulottuvuudessa se on kahdeksas teho. Siksi moniulotteisessa maailmassa gravitaatiokentän intensiteetti kasvaa paljon nopeammin etäisyyden pienentyessä kuin kolmiulotteisessa maailmassa. Tässä tapauksessa Planckin pituus kasvaa monta kertaa ja reiän vähimmäismassa putoaa jyrkästi.

Kieleteoria ennustaa, että yhdeksänulotteisessa avaruudessa voi syntyä musta aukko, jonka massa on vain 10 -20 g.Zern-superkiihdyttimessä kiihdytettyjen protonien laskennallinen relativistinen massa on suunnilleen sama. Optimistisimman skenaarion mukaan hän pystyy tuottamaan yhden reiän joka sekunti, joka kestää noin 10 -26 sekuntia. Sen haihtumisprosessissa syntyy kaikenlaisia ​​alkuainehiukkasia, jotka on helppo rekisteröidä. Reiän katoaminen johtaa energian vapautumiseen, joka ei riitä edes lämmittämään mikrogrammaa vettä asteen tuhannesosaa kohden. Siksi on toivoa, että LHC muuttuu vaarattomien mustien aukkojen tehtaaksi. Jos nämä mallit ovat oikeita, uuden sukupolven orbitaaliset kosmisen säteilyn ilmaisimet pystyvät myös havaitsemaan tällaisia ​​​​reikiä.

Kaikki yllä oleva koskee paikallaan olevia mustia aukkoja. Samaan aikaan on pyöriviä reikiä, joilla on joukko mielenkiintoisia ominaisuuksia. Mustan aukon säteilyn teoreettisen analyysin tulokset johtivat myös entropian käsitteen vakavaan uudelleen miettimiseen, mikä ansaitsee myös erillisen keskustelun. Siitä lisää seuraavassa numerossa.

Hypoteesi mustien aukkojen olemassaolosta esitti ensimmäisen kerran englantilainen tähtitieteilijä J. Michell vuonna 1783 valonkorpuskulaarisen teorian ja newtonilaisen painovoimateorian pohjalta. Tuolloin Huygensin aaltoteoria ja hänen kuuluisa aaltoperiaate yksinkertaisesti unohdettiin. Aaltoteoriaa ei auttanut joidenkin kunnioitettujen tiedemiesten tuki, erityisesti kuuluisat Pietarin akateemikot M.V. Lomonosov ja L. Euler. Päättelylogiikka, joka johti Michellin mustan aukon käsitteeseen, on hyvin yksinkertainen: jos valo koostuu valoeetterin hiukkasista-hiukkasista, niin näiden hiukkasten, kuten muidenkin kappaleiden, on koettava vetovoimaa gravitaatiokentästä. Näin ollen, mitä massiivisempi tähti (tai planeetta), sitä suurempi vetovoima sen kyljestä on soluihin ja sitä vaikeampaa valon on poistua tällaisen kappaleen pinnalta.

Lisälogiikka viittaa siihen, että luonnossa voi olla sellaisia ​​massiivisia tähtiä, joiden vetovoimaa solut eivät enää voi voittaa, ja ne näyttävät aina mustilta ulkopuoliselle tarkkailijalle, vaikka ne itse voivat hehkua häikäisevällä kirkkaudella, kuten aurinko. Fyysisesti tämä tarkoittaa, että toisen kosmisen nopeuden tällaisen tähden pinnalla ei saa olla pienempi kuin valon nopeus. Michellin laskelmat osoittavat, että valo ei koskaan lähde tähdestä, jos sen säde keskimääräisellä auringon tiheydellä on 500 aurinkoa. Tällaista tähteä voidaan jo kutsua mustaksi aukoksi.

13 vuoden kuluttua ranskalainen matemaatikko ja tähtitieteilijä P.S. Laplace esitti todennäköisimmin Michellistä riippumatta samanlaisen hypoteesin tällaisten eksoottisten esineiden olemassaolosta. Laplace löysi hankalalla laskentamenetelmällä pallon säteen tietylle tiheydelle, jonka pinnalla parabolinen nopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus. Laplacen mukaan valokapselit, jotka ovat gravitaatiohiukkasia, tulisi viivästyttää massiivisilla valoa säteilevillä tähdillä, joiden tiheys on yhtä suuri kuin maan tiheys ja jonka säde on 250 kertaa suurempi kuin auringon.

Tämä Laplacen teoria sisältyi vain hänen kuuluisan kirjansa "Exposition of the System of the World" kahteen ensimmäiseen elinaikaiseen painokseen, joka julkaistiin vuosina 1796 ja 1799. Kyllä, ehkä jopa itävaltalainen tähtitieteilijä F.K. von Zach kiinnostui Laplacen teoriasta ja julkaisi sen vuonna 1798 otsikolla "Todiste lauseesta, että raskaan kappaleen vetovoima voi olla niin suuri, ettei valo voi virrata siitä ulos".

Tässä vaiheessa mustien aukkojen tutkimuksen historia pysähtyi yli 100 vuodeksi. Näyttää siltä, ​​että Laplace itse hiljaa hylkäsi tällaisen ylellisen hypoteesin, koska hän sulki sen pois kaikista muista vuosina 1808, 1813 ja 1824 ilmestyneen kirjansa elinaikaisista painoksista. Ehkä Laplace ei halunnut toistaa lähes fantastista hypoteesia jättimäisistä tähdistä, jotka eivät enää säteile valoa. Ehkä hänet pysäytti uudet tähtitieteelliset tiedot valon poikkeaman suuruuden muuttumattomuudesta eri tähdissä, mikä oli ristiriidassa joidenkin hänen teoriansa päätelmien kanssa, joihin hän perustui laskelmansa. Mutta todennäköisin syy siihen, miksi kaikki unohtivat Michell-Laplacen salaperäiset hypoteettiset esineet, on valon aaltoteorian voitto, jonka voittokulkue alkoi 1800-luvun ensimmäisiltä vuosilta.

Tämän voiton alun loi englantilaisen fyysikon T. Jungin Bookerin luento "Valon ja värin teoria", joka julkaistiin vuonna 1801, jossa Jung rohkeasti, toisin kuin Newton ja muut kuuluisat korpuskulaariteorian kannattajat (mukaan lukien Laplace) , hahmotteli valon aaltoteorian olemuksen sanoen, että säteilevä valo koostuu valopitoisen eetterin aaltomaisista liikkeistä. Valon polarisaation löydön innoittamana Laplace alkoi "pelastaa" soluja rakentamalla teorian valon kaksinkertaisesta taittamisesta kiteissä, joka perustuu kidemolekyylien kaksoisvaikutukseen valokapseleihin. Mutta fyysikkojen myöhemmät työt O.Zh. Fresnel, F.D. Aragon, J. Fraunhofer ja muut eivät jättäneet kiveä kääntämättä korpuskulaarisessa teoriassa, joka muistettiin vakavasti vasta vuosisataa myöhemmin, kvanttien löytämisen jälkeen. Kaikki perustelut mustista aukoista valon aaltoteorian puitteissa näyttivät tuolloin naurettavalta.

Mustat aukot eivät jääneet heti mieleen korpuskulaarisen valoteorian "kuntoutuksen" jälkeen, kun niistä alettiin puhua uudella laadullisella tasolla kvanttien (1900) ja fotonien (1905) hypoteesin ansiosta. Mustat aukot löydettiin uudelleen toisen kerran vasta yleisen suhteellisuusteorian luomisen jälkeen vuonna 1916, jolloin saksalainen teoreettinen fyysikko ja tähtitieteilijä K. Schwarzschild käytti niitä muutama kuukausi Einsteinin yhtälöiden julkaisemisen jälkeen tutkiessaan kaarevan aika-avaruuden rakennetta. Auringon läheisyydessä. Tämän seurauksena hän löysi mustien aukkojen ilmiön uudelleen, mutta syvemmällä tasolla.

Lopullinen teoreettinen mustien aukkojen löytö tapahtui vuonna 1939, jolloin Oppenheimer ja Snyder suorittivat ensimmäisen eksplisiittisen ratkaisun Einsteinin yhtälöihin kuvaillessaan mustan aukon muodostumista romahtavasta pölypilvestä. Itse termin "musta aukko" esitti tieteessä ensimmäisen kerran amerikkalainen fyysikko J. Wheeler vuonna 1968, vuosina 1968, jolloin kiinnostus yleiseen suhteellisuusteoriaan, kosmologiaan ja astrofysiikkaan heräsi nopeasti ilmakehän ulkopuolisten (erityisesti) saavutusten vuoksi. , röntgen) tähtitiede, kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn, pulsareiden ja kvasaarien löytäminen.

Koska kiinnostus avaruustutkimusta käsitteleviin populaaritieteellisiin elokuviin on lisääntynyt suhteellisen hiljattain, nykyajan katsoja on kuullut paljon sellaisista ilmiöistä kuin singulaarisuus tai musta aukko. Elokuvat eivät kuitenkaan ilmeisesti paljasta näiden ilmiöiden koko luonnetta, ja joskus jopa vääristävät rakennettuja tieteellisiä teorioita tehokkuuden lisäämiseksi. Tästä syystä monien nykyajan ihmisten käsitys näistä ilmiöistä on joko täysin pinnallinen tai täysin virheellinen. Yksi ratkaisu nousseen ongelmaan on tämä artikkeli, jossa yritämme ymmärtää olemassa olevia tutkimustuloksia ja vastata kysymykseen - mikä on musta aukko?

Vuonna 1784 englantilainen pappi ja luonnontieteilijä John Michell mainitsi ensimmäisen kerran Royal Societylle lähettämässään kirjeessä hypoteettisen massiivisen kappaleen, jolla on niin voimakas vetovoima, että sen toinen kosminen nopeus ylittäisi valon nopeuden. Toinen pakonopeus on nopeus, jonka suhteellisen pieni esine tarvitsisi voittaakseen taivaankappaleen vetovoiman ja poistuakseen suljetulta kiertoradalta tämän kappaleen ympäriltä. Hänen laskelmiensa mukaan Auringon tiheyden omaavan kappaleen, jonka säde on 500 auringon säteen, pinnalla on toinen kosminen nopeus, joka on yhtä suuri kuin valon nopeus. Tässä tapauksessa edes valo ei poistu tällaisen kappaleen pinnalta, ja siksi tämä kappale absorboi vain tulevan valon ja pysyy havaitsijalle näkymättömänä - eräänlainen musta täplä pimeän avaruuden taustalla.

Michellin ehdottama supermassiivisen kappaleen käsite ei kuitenkaan herättänyt paljon kiinnostusta ennen Einsteinin työtä. Muista, että jälkimmäinen määritteli valonnopeuden rajoittavaksi tiedonsiirron nopeudeksi. Lisäksi Einstein laajensi painovoimateoriaa nopeuksille, jotka ovat lähellä valonnopeutta (). Tämän seurauksena ei ollut enää relevanttia soveltaa Newtonin teoriaa mustiin aukkoihin.

Einsteinin yhtälö

Yleisen suhteellisuusteorian soveltamisen mustiin aukkoihin ja Einsteinin yhtälöiden ratkaisemisen tuloksena paljastettiin mustan aukon pääparametrit, joita on vain kolme: massa, sähkövaraus ja kulmamomentti. On huomattava intialaisen astrofyysikon Subramanyan Chandrasekharin merkittävä panos, joka loi perustavanlaatuisen monografian: "The Mathematical Theory of Black Holes".

Siten Einstein-yhtälöiden ratkaisua edustaa neljä vaihtoehtoa neljälle mahdolliselle mustan aukon tyypille:

• Musta aukko ilman pyöritystä ja ilman varausta - Schwarzschildin ratkaisu. Yksi ensimmäisistä mustan aukon kuvauksista (1916) käyttäen Einsteinin yhtälöitä, mutta ottamatta huomioon kahta kehon kolmesta parametrista. Saksalaisen fyysikon Karl Schwarzschildin ratkaisulla voit laskea pallomaisen massiivisen kappaleen ulkoisen gravitaatiokentän. Saksalaisen tiedemiehen mustien aukkojen käsitteen piirre on tapahtumahorisontin ja sen takana olevan tapahtumahorisontin läsnäolo. Schwarzschild myös laski ensin painovoimasäteen, joka sai nimensä ja joka määrittää sen pallon säteen, jolla tapahtumahorisontti sijaitsisi tietyn massan omaaville kappaleille.
• Musta aukko ilman pyörimistä latauksella - Reisner-Nordströmin ratkaisu. Vuosina 1916-1918 esitetty ratkaisu, jossa huomioidaan mustan aukon mahdollinen sähkövaraus. Tämä varaus ei voi olla mielivaltaisen suuri, ja se on rajoitettu tuloksena olevan sähköisen hylkimisen vuoksi. Jälkimmäinen on kompensoitava painovoiman vetovoimalla.
• Musta aukko pyörivällä ja ilman varausta - Kerrin ratkaisu (1963). Pyörivä Kerr-musta aukko eroaa staattisesta aukosta niin sanotun ergosfäärin läsnäololla (lue tästä ja muista mustan aukon komponenteista).
• BH pyörivällä ja latauksella - Kerr-Newman-ratkaisu. Tämä ratkaisu laskettiin vuonna 1965 ja on tällä hetkellä täydellisin, koska se ottaa huomioon kaikki kolme BH-parametria. Kuitenkin oletetaan edelleen, että luonnon mustilla aukoilla on merkityksetön varaus.

Mustan aukon muodostuminen

Mustan aukon muodostumisesta ja ilmestymisestä on useita teorioita, joista tunnetuin on riittävän massaisen tähden ilmaantuminen painovoiman romahtamisen seurauksena. Tällainen puristus voi lopettaa sellaisten tähtien kehityksen, joiden massa on yli kolme aurinkomassaa. Tällaisten tähtien sisällä tapahtuvien lämpöydinreaktioiden päätyttyä ne alkavat nopeasti kutistua supertiheäksi. Jos neutronitähden kaasun paine ei pysty kompensoimaan gravitaatiovoimia, eli tähden massa voittaa ns. Oppenheimer-Volkov-raja, sitten romahdus jatkuu, jonka seurauksena aine puristuu mustaksi aukoksi.

Toinen mustan aukon syntyä kuvaava skenaario on protogalaktisen kaasun, eli tähtienvälisen kaasun, joka on muuttumisvaiheessa galaksiksi tai jonkinlaiseksi klusteriksi, puristaminen. Jos sisäinen paine ei riitä kompensoimaan samoja gravitaatiovoimia, voi syntyä musta aukko.

Kaksi muuta skenaariota jää hypoteettiseksi:

• Tämän seurauksena mustan aukon syntyminen - ns. alkuperäisiä mustia aukkoja.
• Esiintyminen korkean energian ydinreaktioiden seurauksena. Esimerkki tällaisista reaktioista on kokeet törmäyskoneilla.

Mustien aukkojen rakenne ja fysiikka

Schwarzschildin mukaan mustan aukon rakenne sisältää vain kaksi aiemmin mainittua elementtiä: mustan aukon singulaarisuuden ja tapahtumahorisontin. Lyhyesti singulaarisuudesta puhuttaessa voidaan todeta, että sen läpi on mahdotonta vetää suoraa viivaa, ja myös, että suurin osa olemassa olevista fysikaalisista teorioista ei toimi sen sisällä. Siten singulaarisuuden fysiikka on edelleen mysteeri tutkijoille tänään. musta aukko - tämä on eräänlainen raja, jonka ylittäessä fyysinen esine menettää kyvyn palata takaisin sen taakse ja yksiselitteisesti "pudota" mustan aukon singulaarisuuteen.

Mustan aukon rakenne muuttuu hieman monimutkaisemmaksi Kerr-ratkaisun tapauksessa, nimittäin BH-rotaatiossa. Kerrin ratkaisu tarkoittaa, että reiässä on ergosfääri. Ergosfääri - tietty tapahtumahorisontin ulkopuolella sijaitseva alue, jonka sisällä kaikki kappaleet liikkuvat mustan aukon pyörimissuunnassa. Tämä alue ei ole vielä jännittävä ja siitä on mahdollista lähteä, toisin kuin tapahtumahorisontissa. Ergosfääri on luultavasti eräänlainen akkretion kiekon analogi, joka edustaa pyörivää ainetta massiivisten kappaleiden ympärillä. Jos staattinen Schwarzschildin musta aukko esitetään mustana pallona, ​​niin Kerryn musta aukko on ergosfäärin läsnäolon vuoksi litteän ellipsoidin muotoinen, jonka muodossa näimme usein mustia aukkoja piirustuksissa, vanhoissa elokuvia tai videopelejä.

• Kuinka paljon musta aukko painaa? - Suurin teoreettinen materiaali mustan aukon ilmestymisestä on saatavilla skenaarioon sen ilmaantumisesta tähden romahduksen seurauksena. Tässä tapauksessa neutronitähden maksimimassa ja mustan aukon vähimmäismassa määräytyy Oppenheimer-Volkov-rajan mukaan, jonka mukaan BH-massan alaraja on 2,5 - 3 auringon massaa. Raskaimmalla koskaan löydetyllä mustalla aukolla (galaksissa NGC 4889) on 21 miljardin auringon massa. Ei kuitenkaan pidä unohtaa mustia aukkoja, jotka ovat hypoteettisesti seurausta ydinreaktioista suurilla energioilla, kuten törmäyskoneissa. Tällaisten kvanttimustien aukkojen, toisin sanoen "Planckin mustien aukkojen" massa on suuruusluokkaa 2 10 −5 g.
• Mustan aukon koko. Pienin BH-säde voidaan laskea minimimassasta (2,5 - 3 auringon massaa). Jos Auringon gravitaatiosäde, eli alue, jossa tapahtumahorisontti olisi, on noin 2,95 km, niin 3 aurinkomassan BH:n vähimmäissäde on noin yhdeksän kilometriä. Tällaiset suhteellisen pienet koot eivät mahdu päähän, kun on kyse massiivisista esineistä, jotka houkuttelevat kaikkea ympärillä. Kvanttimustien aukkojen säde on kuitenkin -10 −35 m.
• Mustan aukon keskimääräinen tiheys riippuu kahdesta parametrista: massasta ja säteestä. Noin kolmen aurinkomassan omaavan mustan aukon tiheys on noin 6 10 26 kg/m³, kun taas veden tiheys on 1000 kg/m³. Tutkijat eivät kuitenkaan ole löytäneet tällaisia ​​pieniä mustia aukkoja. Useimpien havaittujen BH:iden massa on yli 105 auringon massaa. On olemassa mielenkiintoinen kuvio, jonka mukaan mitä massiivisempi musta aukko on, sitä pienempi sen tiheys. Tässä tapauksessa massan muutos 11 suuruusluokalla merkitsee 22 suuruusluokan muutosta tiheydessä. Näin ollen mustan aukon, jonka massa on 1 ·10 9 aurinkomassaa, tiheys on 18,5 kg/m³, mikä on yhden vähemmän kuin kullan tiheys. Ja mustien aukkojen, joiden massa on yli 10 10 aurinkomassaa, keskimääräinen tiheys voi olla pienempi kuin ilman tiheys. Näiden laskelmien perusteella on loogista olettaa, että mustan aukon muodostuminen ei tapahdu aineen puristumisesta, vaan suuren aineen määrän kertymisen seurauksena tiettyyn tilavuuteen. Kvanttimustien aukkojen tapauksessa niiden tiheys voi olla noin 10 94 kg/m³.
• Mustan aukon lämpötila on myös kääntäen verrannollinen sen massaan. Tämä lämpötila liittyy suoraan . Tämän säteilyn spektri on sama kuin täysin mustan kappaleen spektri, toisin sanoen kappale, joka absorboi kaiken tulevan säteilyn. Mustan kappaleen säteilyspektri riippuu vain sen lämpötilasta, jolloin mustan aukon lämpötila voidaan määrittää Hawkingin säteilyspektristä. Kuten edellä mainittiin, tämä säteily on sitä voimakkaampaa, mitä pienempi on musta aukko. Samaan aikaan Hawkingin säteily pysyy hypoteettisena, koska tähtitieteilijät eivät ole vielä havainneet sitä. Tästä seuraa, että jos Hawking-säteilyä on olemassa, niin havaittujen BH:iden lämpötila on niin alhainen, että se ei salli osoitettua säteilyä havaita. Laskelmien mukaan jopa Auringon massaluokkaa olevan reiän lämpötila on mitättömän pieni (1 ·10 -7 K tai -272°C). Kvanttimustien aukkojen lämpötila voi nousta noin 10 12 K:iin, ja nopealla haihtumisellaan (noin 1,5 min.) tällaiset BH:t voivat lähettää energiaa noin kymmenen miljoonan atomipommin luokkaa. Mutta onneksi tällaisten hypoteettisten esineiden luominen vaatii 10 14 kertaa enemmän energiaa kuin mitä nykyään saavutetaan suurella hadronitörmäyttimellä. Lisäksi tähtitieteilijät eivät ole koskaan havainneet tällaisia ​​​​ilmiöitä.

Mistä CHD on tehty?

Toinen kysymys huolestuttaa sekä tutkijoita että astrofysiikasta yksinkertaisesti pitäviä - mistä musta aukko koostuu? Tähän kysymykseen ei ole yhtä vastausta, koska ei ole mahdollista katsoa mitään mustaa aukkoa ympäröivän tapahtumahorisontin ulkopuolelle. Lisäksi, kuten aiemmin mainittiin, mustan aukon teoreettiset mallit tarjoavat vain kolme sen komponenttia: ergosfäärin, tapahtumahorisontin ja singulaarisuuden. On loogista olettaa, että ergosfäärissä on vain niitä esineitä, joita musta aukko veti puoleensa ja jotka nyt pyörivät sen ympärillä - erilaisia ​​kosmisia kappaleita ja kosmisia kaasuja. Tapahtumahorisontti on vain ohut implisiittinen raja, jonka jälkeen samat kosmiset kappaleet vetäytyvät peruuttamattomasti kohti mustan aukon viimeistä pääkomponenttia - singulaarisuutta. Singulariteetin luonnetta ei ole vielä tutkittu, ja sen koostumuksesta on liian aikaista puhua.

Joidenkin oletusten mukaan musta aukko voi koostua neutroneista. Jos seuraamme skenaariota mustan aukon syntymisestä tähden puristumisen seurauksena neutronitähdeksi ja sen myöhemmäksi puristukseksi, niin luultavasti suurin osa mustasta aukosta koostuu neutroneista, joista neutronitähti itse koostuu. Yksinkertaisesti sanottuna: kun tähti romahtaa, sen atomit puristuvat niin, että elektronit yhdistyvät protonien kanssa muodostaen siten neutroneja. Tällainen reaktio todellakin tapahtuu luonnossa, neutronin muodostuessa tapahtuu neutrinoemissio. Nämä ovat kuitenkin vain arvauksia.

Mitä tapahtuu, jos joudut mustaan ​​aukkoon?

Astrofysikaaliseen mustaan ​​aukkoon putoaminen johtaa kehon venymiseen. Ajatellaanpa hypoteettista itsemurha-astronauttia, joka on matkalla mustaan ​​aukkoon pukeutuneena vain avaruuspukuun, jalat edellä. Tapahtumahorisontin ylittäessä astronautti ei huomaa muutoksia, vaikka hänellä ei ole enää mahdollisuutta päästä takaisin. Jossain vaiheessa astronautti saavuttaa pisteen (hieman tapahtumahorisontin takana), jossa hänen kehonsa muodonmuutos alkaa tapahtua. Koska mustan aukon gravitaatiokenttä on epätasainen ja sitä edustaa keskustaa kohti kasvava voimagradientti, astronautin jalkoihin kohdistuu huomattavasti suurempi gravitaatiovaikutus kuin esimerkiksi päähän. Sitten painovoiman tai pikemminkin vuorovesivoimien takia jalat "pudottavat" nopeammin. Siten vartalo alkaa vähitellen venyä pituudeltaan. Tämän ilmiön kuvaamiseksi astrofyysikot ovat keksineet melko luovan termin - spagettifikaatio. Kehon venyminen edelleen hajoaa sen atomeiksi, jotka ennemmin tai myöhemmin saavuttavat singulaarisuuden. Voidaan vain arvailla, mitä ihminen tuntee tässä tilanteessa. On syytä huomata, että kehon venytyksen vaikutus on kääntäen verrannollinen mustan aukon massaan. Toisin sanoen, jos kolmen auringon massainen BH venyttää/murtaa kehon välittömästi, supermassiivisella mustalla aukolla on pienemmät vuorovesivoimat ja on ehdotuksia, että jotkin fysikaaliset materiaalit voisivat "siedetä" tällaisen muodonmuutoksen menettämättä rakennettaan.

Kuten tiedätte, massiivisten esineiden lähellä aika kuluu hitaammin, mikä tarkoittaa, että itsemurha-astronautin aika kuluu paljon hitaammin kuin maan asukkaiden. Siinä tapauksessa hän ehkä eläisi kauemmin kuin ystävänsä, vaan myös itse maapallon. Laskelmia tarvitaan sen määrittämiseksi, kuinka paljon astronautin aika hidastuu, mutta edellä esitetyn perusteella voidaan olettaa, että astronautti putoaa mustaan ​​aukkoon hyvin hitaasti eikä välttämättä yksinkertaisesti näe hetkeä, jolloin hänen ruumiinsa alkaa muuttaa muotoaan.

On huomionarvoista, että ulkopuolisen tarkkailijan kannalta kaikki tapahtumahorisonttiin lentäneet kappaleet pysyvät tämän horisontin reunalla, kunnes niiden kuva katoaa. Syynä tähän ilmiöön on painovoiman punasiirtymä. Hieman yksinkertaistaen voidaan sanoa, että tapahtumahorisonttiin "jäätyneen" itsemurhaastronautin kehoon putoava valo muuttaa taajuuttaan hidastuneen ajan takia. Kun aika kuluu hitaammin, valon taajuus pienenee ja aallonpituus kasvaa. Tämän ilmiön seurauksena lähdössä, eli ulkoiselle tarkkailijalle, valo siirtyy vähitellen kohti matalataajuutta - punaista. Spektriä pitkin tapahtuu valon siirtymä, kun itsemurhaastronautti siirtyy yhä kauemmaksi havainnoijasta, vaikkakin melkein huomaamattomasti, ja hänen aikansa kuluu yhä hitaammin. Siten hänen kehonsa heijastama valo menee pian näkyvän spektrin ulkopuolelle (kuva katoaa), ja tulevaisuudessa astronautin ruumis voidaan havaita vain infrapuna-alueelta, myöhemmin radiotaajuusalueelta, ja sen seurauksena säteily on täysin käsittämätöntä.

Huolimatta siitä, mitä yllä on kirjoitettu, oletetaan, että erittäin suurissa supermassiivisissa mustissa aukoissa vuorovesivoimat eivät muutu niin paljon etäisyyden mukaan ja vaikuttavat putoavaan kappaleeseen lähes tasaisesti. Siinä tapauksessa putoava avaruusalus säilyttäisi rakenteensa. Herää järkevä kysymys - mihin musta aukko johtaa? Tähän kysymykseen voidaan vastata joidenkin tiedemiesten työllä, joka yhdistää kaksi sellaista ilmiötä, kuten madonreiät ja mustat aukot.

Jo vuonna 1935 Albert Einstein ja Nathan Rosen, ottaen huomioon, esittivät hypoteesin niin sanottujen madonreikien olemassaolosta, jotka yhdistävät kaksi aika-avaruuden pistettä paikoissa, joissa jälkimmäinen on merkittävä kaarevuus - Einstein-Rosen-silta. tai madonreikä. Tällaista voimakasta avaruuden kaarevuutta varten tarvitaan jättimäisen massan omaavia kappaleita, joiden roolissa mustat aukot selviäisivät täydellisesti.

Einstein-Rosenin siltaa pidetään läpäisemättömänä madonreikänä, koska se on pieni ja epävakaa.

Läpikulkukelpoinen madonreikä on mahdollista mustien ja valkoisten reikien teoriassa. Missä valkoinen aukko on mustaan ​​aukkoon pudonneen tiedon tulos. Valkoista aukkoa kuvataan yleisen suhteellisuusteorian puitteissa, mutta nykyään se on hypoteettinen eikä sitä ole löydetty. Amerikkalaiset tutkijat Kip Thorne ja hänen jatko-opiskelijansa Mike Morris ehdottivat toista madonreiän mallia, joka voi olla kelvollinen. Kuitenkin, kuten Morris-Thornen madonreiässä, niin myös mustien ja valkoisten aukkojen tapauksessa matkustamisen mahdollisuus edellyttää ns. eksoottisen aineen olemassaoloa, jolla on negatiivinen energia ja joka myös jää hypoteettiseksi.

Mustat aukot universumissa

Mustien aukkojen olemassaolo vahvistettiin suhteellisen äskettäin (syyskuussa 2015), mutta sitä ennen oli olemassa paljon teoreettista materiaalia mustien aukkojen luonteesta sekä monia ehdokkaita mustan aukon rooliin. Ensinnäkin on otettava huomioon mustan aukon mitat, koska ilmiön luonne riippuu niistä:

• tähtimassan musta aukko. Tällaiset esineet muodostuvat tähden romahtamisen seurauksena. Kuten aiemmin mainittiin, tällaisen mustan aukon muodostavan kappaleen vähimmäismassa on 2,5 - 3 auringon massaa.
• Keskimassaisia ​​mustia aukkoja. Ehdollinen välityyppi mustia aukkoja, jotka ovat lisääntyneet lähellä olevien esineiden, kuten kaasun kertymien, naapuritähden (kahden tähden järjestelmissä) ja muiden kosmisten kappaleiden absorption vuoksi.
• Supermassiivinen musta aukko. Kompaktit esineet, joissa on 10 5 - 10 10 auringon massaa. Tällaisten BH:iden erottuvia ominaisuuksia ovat paradoksaalisen alhainen tiheys sekä heikot vuorovesivoimat, joista keskusteltiin aiemmin. Se on tämä supermassiivinen musta aukko Linnunradan galaksimme (Sagittarius A*, Sgr A*) sekä useimpien muiden galaksiemme keskellä.

Ehdokkaat sepelvaltimotautiin

Lähin musta aukko tai pikemminkin ehdokas mustan aukon rooliin on esine (V616 Unicorn), joka sijaitsee 3000 valovuoden etäisyydellä Auringosta (galaksissamme). Se koostuu kahdesta osasta: tähdestä, jonka massa on puolet auringon massasta, sekä näkymättömästä pienestä kappaleesta, jonka massa on 3 - 5 auringon massaa. Jos tämä esine osoittautuu pieneksi mustaksi aukoksi, jonka massa on tähti, se on oikealla lähin musta aukko.

Tämän kohteen jälkeen toiseksi lähin musta aukko on Cyg X-1 (Cyg X-1), joka oli ensimmäinen ehdokas mustan aukon rooliin. Etäisyys siihen on noin 6070 valovuotta. Melko hyvin tutkittu: sen massa on 14,8 Auringon massaa ja tapahtumahorisontin säde on noin 26 km.

Joidenkin lähteiden mukaan toinen lähin ehdokas mustan aukon rooliin voi olla tähtijärjestelmän V4641 Sagittarii (V4641 Sgr) kappale, joka vuoden 1999 arvioiden mukaan sijaitsi 1600 valovuoden etäisyydellä. Myöhemmät tutkimukset kuitenkin lisäsivät tätä etäisyyttä vähintään 15 kertaa.

Kuinka monta mustaa aukkoa galaksissamme on?

Tähän kysymykseen ei ole tarkkaa vastausta, koska niitä on melko vaikea havaita, ja koko taivaan tutkimuksen aikana tiedemiehet onnistuivat havaitsemaan noin tusina mustaa aukkoa Linnunradan sisällä. Ilman laskelmia panemme merkille, että galaksissamme on noin 100 - 400 miljardia tähteä ja noin joka tuhannes tähdellä on tarpeeksi massaa mustan aukon muodostamiseksi. On todennäköistä, että miljoonia mustia aukkoja on voinut muodostua Linnunradan olemassaolon aikana. Koska valtavien mustien aukkojen rekisteröinti on helpompaa, on loogista olettaa, että suurin osa galaksissamme olevista mustista aukoista ei todennäköisesti ole supermassiivisia. On huomionarvoista, että NASA:n vuonna 2005 tekemä tutkimus viittaa siihen, että galaksin keskustaa kiertää kokonainen mustien aukkojen parvi (10-20 tuhatta). Lisäksi vuonna 2016 japanilaiset astrofyysikot löysivät kohteen läheltä massiivisen satelliitin * - mustan aukon, Linnunradan ytimen. Tämän kappaleen pienen säteen (0,15 valovuotta) ja sen valtavan massan (100 000 auringon massaa) vuoksi tutkijat ehdottavat, että tämä kohde on myös supermassiivinen musta aukko.

Galaksimme ydin, Linnunradan musta aukko (Jousimies A *, Sgr A * tai Sagittarius A *) on supermassiivinen ja sen massa on 4,31 10 6 auringon massaa ja säde 0,00071 valovuotta (6,25 valotuntia). eli 6,75 miljardia km). Sagittarius A*:n lämpötila yhdessä sitä ympäröivän klusterin kanssa on noin 1 10 7 K.

Suurin musta aukko

Universumin suurin musta aukko, jonka tutkijat ovat pystyneet havaitsemaan, on supermassiivinen musta aukko, FSRQ-blazar, joka sijaitsee galaksin S5 0014+81 keskustassa, 1,2·10 10 valovuoden etäisyydellä Maasta. Alustavien havaintojen mukaan Swift-avaruusobservatorion avulla mustan aukon massa oli 40 miljardia (40 10 9) auringon massaa ja sellaisen reiän Schwarzschildin säde oli 118,35 miljardia kilometriä (0,013 valovuotta). Lisäksi se syntyi laskelmien mukaan 12,1 miljardia vuotta sitten (1,6 miljardia vuotta alkuräjähdyksen jälkeen). Jos tämä jättimäinen musta aukko ei absorboi sitä ympäröivää ainetta, se elää näkemään mustien aukkojen aikakauden - yhden maailmankaikkeuden kehityksen aikakausista, jonka aikana mustat aukot hallitsevat sitä. Jos galaksin S5 0014+81 ydin jatkaa kasvuaan, siitä tulee yksi viimeisistä mustista aukoista, jotka ovat olemassa universumissa.

Kaksi muuta tunnettua mustaa aukkoa, vaikka niitä ei ole nimetty, ovat mustien aukkojen tutkimuksen kannalta merkittävimpiä, sillä ne vahvistivat olemassaolonsa kokeellisesti ja antoivat myös tärkeitä tuloksia painovoimatutkimukselle. Puhumme tapahtumasta GW150914, jota kutsutaan kahden mustan aukon törmäykseksi yhdeksi. Tämä tapahtuma salli rekisteröitymisen.

Mustien aukkojen havaitseminen

Ennen kuin harkitaan mustien aukkojen havaitsemismenetelmiä, on vastattava kysymykseen - miksi musta aukko on musta? - Vastaus siihen ei vaadi syvää astrofysiikan ja kosmologian tietämystä. Tosiasia on, että musta aukko absorboi kaiken siihen putoavan säteilyn eikä säteile ollenkaan, jos et ota huomioon hypoteettista. Jos tarkastellaan tätä ilmiötä yksityiskohtaisemmin, voimme olettaa, että mustien aukkojen sisällä ei ole prosesseja, jotka johtaisivat energian vapautumiseen sähkömagneettisen säteilyn muodossa. Sitten, jos musta aukko säteilee, se on Hawkingin spektrissä (joka on sama kuin lämmitetyn, täysin mustan kappaleen spektri). Kuten aiemmin mainittiin, tätä säteilyä ei kuitenkaan havaittu, mikä viittaa mustien aukkojen täysin alhaiseen lämpötilaan.

Toinen yleisesti hyväksytty teoria sanoo, että sähkömagneettinen säteily ei pysty poistumaan tapahtumahorisontista. Todennäköisimmin massiiviset esineet eivät houkuttele fotoneja (valohiukkasia), koska teorian mukaan niillä itsellään ei ole massaa. Musta aukko "vetää" kuitenkin edelleen valon fotoneja puoleensa aika-avaruuden vääristymisen kautta. Jos kuvittelemme avaruudessa olevan mustan aukon eräänlaisena syvennyksenä aika-avaruuden tasaiselle pinnalle, niin mustan aukon keskustasta on tietty etäisyys, jota lähestyttäessä valo ei enää pääse poistumaan siitä. Eli karkeasti sanottuna valo alkaa "pudota" "kuoppaan", jolla ei ole edes "pohjaa".

Lisäksi painovoiman punasiirtymän vaikutuksesta on mahdollista, että valo mustassa aukossa menettää taajuutensa ja siirtyy spektriä pitkin matalataajuisen pitkäaaltosäteilyn alueelle, kunnes se menettää energiansa kokonaan.

Joten musta aukko on musta ja siksi vaikea havaita avaruudessa.

Havaitsemismenetelmät

Harkitse menetelmiä, joita tähtitieteilijät käyttävät mustan aukon havaitsemiseen:

Edellä mainittujen menetelmien lisäksi tiedemiehet yhdistävät usein esineitä, kuten mustia aukkoja ja. Kvasaarit ovat kosmisten kappaleiden ja kaasujen kerääntymiä, jotka ovat maailmankaikkeuden kirkkaimpia tähtitieteellisiä kohteita. Koska niillä on korkea luminesenssin intensiteetti suhteellisen pienissä kooissa, on syytä uskoa, että näiden esineiden keskipiste on supermassiivinen musta aukko, joka houkuttelee ympäröivän aineen itseensä. Tällaisen voimakkaan painovoiman vetovoiman ansiosta houkutettu aine kuumenee niin paljon, että se säteilee voimakkaasti. Tällaisten kohteiden havaitsemista verrataan yleensä mustan aukon havaitsemiseen. Joskus kvasaarit voivat säteillä kuumennettua plasmaa kahteen suuntaan - relativistisiin suihkuihin. Syyt tällaisten suihkujen (jet) syntymiseen eivät ole täysin selviä, mutta ne johtuvat todennäköisesti mustan aukon ja akkrektiolevyn magneettikenttien vuorovaikutuksesta, eivätkä suora musta aukko säteile niitä.

Suihkukone M87-galaksissa, joka osuu mustan aukon keskeltä

Yhteenvetona edellä olevasta voidaan kuvitella läheltä: se on pallomainen musta esine, jonka ympärillä voimakkaasti kuumentunut aine pyörii muodostaen valovoimaisen akkretion kiekon.

Mustien aukkojen yhdistäminen ja törmäys

Yksi mielenkiintoisimmista astrofysiikan ilmiöistä on mustien aukkojen törmäys, joka mahdollistaa myös tällaisten massiivisten tähtitieteellisten kappaleiden havaitsemisen. Tällaiset prosessit eivät kiinnosta vain astrofyysikoita, koska ne johtavat ilmiöihin, joita fyysikot ovat tutkineet huonosti. Selkein esimerkki on aiemmin mainittu tapahtuma nimeltä GW150914, jolloin kaksi mustaa aukkoa lähestyivät niin paljon, että ne sulautuivat keskinäisen vetovoiman seurauksena yhdeksi. Tämän törmäyksen tärkeä seuraus oli gravitaatioaaltojen ilmaantuminen.

Gravitaatioaaltojen määritelmän mukaan nämä ovat gravitaatiokentän muutoksia, jotka etenevät aaltomaisesti massiivisista liikkuvista esineistä. Kun kaksi tällaista esinettä lähestyy toisiaan, ne alkavat pyöriä yhteisen painopisteen ympäri. Kun ne lähestyvät toisiaan, niiden pyöriminen oman akselinsa ympäri kasvaa. Tällaiset gravitaatiokentän vaihtelevat värähtelyt voivat jossain vaiheessa muodostaa yhden voimakkaan gravitaatioaallon, joka voi levitä avaruudessa miljoonia valovuosia. Joten 1,3 miljardin valovuoden etäisyydellä tapahtui kahden mustan aukon törmäys, joka muodosti voimakkaan gravitaatioaallon, joka saavutti Maan 14. syyskuuta 2015 ja jonka LIGO- ja VIRGO-ilmaisimet rekisteröivät.

Miten mustat aukot kuolevat?

On selvää, että mustan aukon täytyisi menettää koko massansa, jotta se lakkaa olemasta. Hänen määritelmänsä mukaan mikään ei kuitenkaan voi poistua mustasta aukosta, jos se on ylittänyt tapahtumahorisonttinsa. Tiedetään, että neuvostoliiton teoreettinen fyysikko Vladimir Gribov mainitsi ensimmäistä kertaa mahdollisen mustan aukon hiukkasten päästön keskustelussaan toisen neuvostotieteilijän Yakov Zel'dovichin kanssa. Hän väitti, että kvanttimekaniikan näkökulmasta musta aukko pystyy lähettämään hiukkasia tunneliilmiön kautta. Myöhemmin hän rakensi kvanttimekaniikan avulla oman, hieman erilaisen teoriansa, englantilaisen teoreettisen fyysikon Stephen Hawkingin. Voit lukea lisää tästä ilmiöstä. Lyhyesti sanottuna tyhjiössä on niin sanottuja virtuaalisia hiukkasia, jotka syntyvät jatkuvasti pareittain ja tuhoavat toisensa, mutta eivät ole vuorovaikutuksessa ulkomaailman kanssa. Mutta jos tällaiset parit syntyvät mustan aukon tapahtumahorisontissa, niin vahva painovoima kykenee hypoteettisesti erottamaan ne toisistaan, jolloin yksi hiukkanen putoaa mustaan ​​aukkoon ja toinen poistuu mustasta aukosta. Ja koska reiästä pois lentänyt hiukkanen voidaan havaita ja siksi sillä on positiivista energiaa, reikään pudonneella hiukkasella on oltava negatiivinen energia. Siten musta aukko menettää energiansa ja syntyy ilmiö nimeltä mustan aukon haihtuminen.

Käytettävissä olevien mustan aukon mallien mukaan, kuten aiemmin mainittiin, sen massan pienentyessä sen säteily voimistuu. Sitten mustan aukon olemassaolon viimeisessä vaiheessa, kun se saatetaan pienentää kvanttimustan aukon kokoiseksi, se vapauttaa valtavan määrän energiaa säteilyn muodossa, joka voi vastata tuhansia tai jopa miljoonia atomipommeja. Tämä tapahtuma muistuttaa jossain määrin mustan aukon räjähdystä, kuin sama pommi. Laskelmien mukaan alkuräjähdyksen seurauksena alkuperäisiä mustia aukkoja olisi voinut syntyä, ja niistä niiden, joiden massa on luokkaa 10 12 kg, olisi pitänyt haihtua ja räjähtää meidän aikanamme. Oli miten oli, tähtitieteilijät eivät ole koskaan nähneet tällaisia ​​räjähdyksiä.

Huolimatta Hawkingin ehdottamasta mustien aukkojen tuhoamismekanismista, Hawkingin säteilyn ominaisuudet aiheuttavat paradoksin kvanttimekaniikassa. Jos musta aukko imee jonkin kehon ja sitten menettää tämän kappaleen imeytymisestä johtuvan massan, niin kehon luonteesta riippumatta musta aukko ei eroa siitä, mikä se oli ennen kehon imeytymistä. Tässä tapauksessa tiedot kehosta menetetään ikuisesti. Teoreettisten laskelmien näkökulmasta alkuperäisen puhtaan tilan muuntaminen tuloksena olevaan sekatilaan ("termiseen") ei vastaa nykyistä kvanttimekaniikan teoriaa. Tätä paradoksia kutsutaan joskus tiedon katoamiseksi mustaan ​​aukkoon. Todellista ratkaisua tähän paradoksiin ei ole koskaan löydetty. Tunnetut vaihtoehdot paradoksin ratkaisemiseksi:

• Hawkingin teorian epäjohdonmukaisuus. Tämä merkitsee sitä, että mustaa aukkoa on mahdotonta tuhota ja sen jatkuva kasvu.
• Valkoisten reikien läsnäolo. Tässä tapauksessa imeytynyt tieto ei katoa, vaan se yksinkertaisesti heitetään ulos toiseen universumiin.
• Yleisesti hyväksytyn kvanttimekaniikan teorian epäjohdonmukaisuus.

Ratkaisematon mustan aukon fysiikan ongelma

Kaiken aiemmin kuvatun perusteella mustilla aukoilla, vaikka niitä on tutkittu suhteellisen pitkään, on edelleen monia ominaisuuksia, joiden mekanismeja tiedemiehet eivät vieläkään tunne.

• Vuonna 1970 englantilainen tiedemies muotoili ns. "kosmisen sensuurin periaate" - "Luonto inhoaa paljaata singulaarisuutta." Tämä tarkoittaa, että singulaarisuus muodostuu vain näkyviltä piilossa oleviin paikkoihin, kuten mustan aukon keskustaan. Tätä periaatetta ei kuitenkaan ole vielä todistettu. On myös teoreettisia laskelmia, joiden mukaan "alaston" singulaarisuus voi tapahtua.
• "No-hair-teoreemaa", jonka mukaan mustilla aukoilla on vain kolme parametria, ei myöskään ole todistettu.
• Täydellistä teoriaa mustan aukon magnetosfääristä ei ole kehitetty.
• Gravitaatiosingulariteetin luonnetta ja fysiikkaa ei ole tutkittu.
• Ei tiedetä varmasti, mitä mustan aukon olemassaolon viimeisessä vaiheessa tapahtuu ja mitä jää jäljelle sen kvanttihajoamisen jälkeen.

Mielenkiintoisia faktoja mustista aukoista

Yhteenvetona edellä olevasta voimme korostaa useita mielenkiintoisia ja epätavallisia mustien aukkojen luonteen piirteitä:

• Mustilla aukoilla on vain kolme parametria: massa, sähkövaraus ja kulmamomentti. Tämän kappaleen ominaisuuksien niin pienestä määrästä johtuen lausetta, joka ilmaisee tämän, kutsutaan "no-hair -lauseeksi". Tästä tuli myös ilmaus "mustalla aukolla ei ole hiuksia", mikä tarkoittaa, että kaksi mustaa aukkoa ovat täysin identtisiä, ja niiden kolme mainittua parametria ovat samat.
• Mustien aukkojen tiheys voi olla pienempi kuin ilman tiheys, ja lämpötila on lähellä absoluuttista nollaa. Tästä voimme olettaa, että mustan aukon muodostuminen ei tapahdu aineen puristumisesta, vaan suuren aineen määrän kertymisen seurauksena tiettyyn tilavuuteen.
• Mustien aukkojen absorboimien kappaleiden aika kuluu paljon hitaammin kuin ulkopuolisen tarkkailijan. Lisäksi imeytyneet kappaleet venyvät merkittävästi mustan aukon sisällä, jota tiedemiehet ovat kutsuneet spagettifikaatioksi.
• Galaksissamme voi olla noin miljoona mustaa aukkoa.
• Jokaisen galaksin keskellä on luultavasti supermassiivinen musta aukko.
• Tulevaisuudessa teoreettisen mallin mukaan universumi saavuttaa niin sanotun mustien aukkojen aikakauden, jolloin mustista aukoista tulee hallitsevia kappaleita universumissa.

Mustan aukon käsite on tuttu kaikille - koululaisista vanhuksiin, sitä käytetään tieteis- ja kaunokirjallisuudessa, keltaisessa mediassa ja tieteellisissä konferensseissa. Mutta kaikki eivät tiedä, mitä nämä reiät ovat.

Mustien aukkojen historiasta

1783 Ensimmäisen hypoteesin sellaisen ilmiön kuin mustan aukon olemassaolosta esitti vuonna 1783 englantilainen tiedemies John Michell. Teoriassaan hän yhdisti kaksi Newtonin luomusta - optiikkaa ja mekaniikkaa. Michellin idea oli tämä: jos valo on pienten hiukkasten virta, niin kaikkien muiden kappaleiden tavoin hiukkasten pitäisi kokea gravitaatiokentän vetovoima. Osoittautuu, että mitä massiivisempi tähti, sitä vaikeampi valon on vastustaa vetovoimaansa. 13 vuotta Michellin jälkeen ranskalainen tähtitieteilijä ja matemaatikko Laplace esitti (todennäköisimmin brittiläisestä vastineestaan ​​riippumatta) samanlaisen teorian.

1915 Kaikki heidän teoksensa pysyivät kuitenkin lunastamattomina 1900-luvun alkuun asti. Vuonna 1915 Albert Einstein julkaisi yleisen suhteellisuusteorian ja osoitti, että painovoima on aineen aiheuttama aika-avaruuden kaarevuus, ja muutamaa kuukautta myöhemmin saksalainen tähtitieteilijä ja teoreettinen fyysikko Karl Schwarzschild käytti sitä ratkaisemaan tietyn tähtitieteellisen ongelman. Hän tutki Auringon ympärillä olevan kaarevan aika-avaruuden rakennetta ja löysi uudelleen mustien aukkojen ilmiön.

(John Wheeler loi termin "mustat aukot")

1967 Amerikkalainen fyysikko John Wheeler hahmotteli tilan, joka voidaan rypistää, kuten paperinpala, äärettömän pieneksi pisteeksi ja nimesi termin "musta aukko".

1974 Brittiläinen fyysikko Stephen Hawking osoitti, että vaikka mustat aukot nielevät aineen ilman paluuta, ne voivat lähettää säteilyä ja lopulta haihtua. Tätä ilmiötä kutsutaan "Hawking-säteilyksi".

2013 Viimeisimmät pulsareista ja kvasaareista tehdyt tutkimukset sekä kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn löytäminen ovat vihdoin mahdollistaneet mustien aukkojen käsitteen kuvaamisen. Vuonna 2013 kaasupilvi G2 tuli hyvin lähelle mustaa aukkoa ja todennäköisesti absorboituu siihen. Ainutlaatuisen prosessin tarkkaileminen tarjoaa loistavat mahdollisuudet uusille mustan aukon ominaisuuksien löydöille.

(Massiivinen esine Jousimies A*, sen massa on 4 miljoonaa kertaa suurempi kuin Auringon, mikä viittaa tähtijoukkoon ja mustan aukon muodostumiseen)

2017. Ryhmä tutkijoita useiden maiden Event Horizon Telescope -yhteistyöstä, joka yhdistää kahdeksan kaukoputkea eri kohdista Maan mantereilta, suoritti havaintoja mustasta aukosta, joka on supermassiivinen kohde ja sijaitsee M87-galaksissa, Neitsyt tähdistössä. Esineen massa on 6,5 miljardia (!) Auringon massaa, jättimäisiä kertoja suurempi kuin massiivinen Jousimies A *, vertailun vuoksi halkaisija on hieman pienempi kuin etäisyys Auringosta Plutoon.

Havainnot tehtiin useassa vaiheessa keväästä 2017 alkaen ja jaksoilla 2018. Tiedon määrä laskettiin petatavuina, jotka sitten piti purkaa ja saada aito kuva erittäin kaukaisesta kohteesta. Siksi kaikkien tietojen esiskannaus ja niiden yhdistäminen yhdeksi kokonaisuudeksi kesti vielä kaksi kokonaista vuotta.

2019 Tiedot purettiin onnistuneesti ja tuotiin näkyviin, jolloin saatiin ensimmäinen kuva mustasta aukosta.

(Ensimmäinen kuva mustasta aukosta M87-galaksissa Neitsyt tähdistössä)

Kuvan resoluution avulla voit nähdä ei-paluupisteen varjon kohteen keskellä. Kuva saatiin interferometristen havaintojen tuloksena erittäin pitkällä perusviivalla. Nämä ovat ns. synkronisia havaintoja yhdestä kohteesta useista radioteleskoopeista, jotka on yhdistetty toisiinsa verkon kautta ja sijaitsevat eri puolilla maapalloa, yhteen suuntaan.

Mitä mustat aukot oikein ovat?

Lakoninen selitys ilmiölle kuulostaa tältä.

Musta aukko on aika-avaruusalue, jonka vetovoima on niin voimakas, ettei mikään esine, mukaan lukien valokvantit, pääse poistumaan siitä.

Musta aukko oli kerran massiivinen tähti. Niin kauan kuin lämpöydinreaktiot ylläpitävät korkeaa painetta sen suolistossa, kaikki pysyy normaalina. Mutta ajan myötä energiavarasto ehtyy ja taivaankappale alkaa oman painovoimansa vaikutuksesta kutistua. Tämän prosessin viimeinen vaihe on tähden ytimen romahtaminen ja mustan aukon muodostuminen.

• 1. Mustan aukon suihkutus suurella nopeudella


• 2. Ainekiekko kasvaa mustaksi aukoksi


• 3. Musta aukko


• 4. Yksityiskohtainen kaavio mustan aukon alueesta


• 5. Löytyneiden uusien havaintojen koko

Yleisin teoria sanoo, että samanlaisia ​​ilmiöitä on joka galaksissa, myös Linnunradamme keskustassa. Reiän valtava painovoima pystyy pitämään useita galakseja ympärillään, estäen niitä siirtymästä poispäin toisistaan. "Peittoalue" voi olla erilainen, kaikki riippuu mustaksi aukoksi muuttuneen tähden massasta ja voi olla tuhansia valovuosia.

Schwarzschildin säde

Mustan aukon tärkein ominaisuus on, että mikään siihen joutunut aine ei voi koskaan palata. Sama koskee valoa. Pohjimmiltaan reiät ovat kappaleita, jotka imevät kokonaan kaiken niihin putoavan valon eivätkä säteile omaansa. Tällaiset esineet voivat visuaalisesti näyttää absoluuttisen pimeyden hyytymiltä.

• 1. Liikkuu ainetta puolella valon nopeudella


• 2. Fotonirengas


• 3. Sisäinen fotonirengas


• 4. Tapahtumahorisontti mustassa aukossa

Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian perusteella, jos kappale lähestyy kriittistä etäisyyttä reiän keskustasta, se ei voi enää palata. Tätä etäisyyttä kutsutaan Schwarzschildin säteeksi. Mitä tällä säteellä tarkalleen tapahtuu, ei tiedetä varmasti, mutta yleisin teoria on olemassa. Uskotaan, että koko mustan aukon aine on keskittynyt äärettömän pieneen pisteeseen, ja sen keskustassa on äärettömän tiheyden omaava esine, jota tiedemiehet kutsuvat singulaariseksi häiriöksi.

Kuinka se putoaa mustaan ​​aukkoon

(Kuvassa Jousimies A *:n musta aukko näyttää erittäin kirkkaalta valojoukolta)

Ei niin kauan sitten, vuonna 2011, tutkijat löysivät kaasupilven ja antoivat sille yksinkertaisen nimen G2, joka säteilee epätavallista valoa. Tällainen hehku voi aiheuttaa kitkaa kaasussa ja pölyssä, joka johtuu mustan aukon Jousimies A * vaikutuksesta ja jotka pyörivät sen ympärillä akkretion kiekon muodossa. Siten meistä tulee tarkkailijoita hämmästyttävälle ilmiölle, joka liittyy kaasupilven imeytymiseen supermassiiviseen mustaan ​​aukkoon.

Viimeaikaisten tutkimusten mukaan lähimpänä mustaa aukkoa lähestytään maaliskuussa 2014. Voimme luoda kuvan siitä, kuinka tämä jännittävä spektaakkeli tulee toteutumaan.

• 1. Kun kaasupilvi ilmestyy dataan ensimmäisen kerran, se muistuttaa valtavaa kaasu- ja pölypalloa.


• 2. Nyt, kesäkuussa 2013, pilvi on kymmenien miljardien kilometrien päässä mustasta aukosta. Se putoaa siihen nopeudella 2500 km / s.


• 3. Pilven odotetaan ohittavan mustan aukon, mutta pilven etu- ja takareunoihin vaikuttavan vetovoimaeron aiheuttamat vuorovesivoimat saavat sen pidentymään yhä enemmän.


• 4. Kun pilvi hajoaa, suurin osa siitä todennäköisesti liittyy Sagittarius A*:n ympärillä olevaan accretion kiekkoon synnyttäen siihen shokkiaaltoja. Lämpötila nousee useisiin miljooniin asteisiin.


• 5. Osa pilvestä putoaa suoraan mustaan ​​aukkoon. Kukaan ei tiedä tarkalleen, mitä tälle aineelle tapahtuu, mutta on odotettavissa, että putoamisprosessissa se lähettää voimakkaita röntgensäteitä, eikä kukaan muu näe sitä.

Video: musta aukko nielee kaasupilven

(Tietokone simulaatio siitä, kuinka paljon G2-kaasupilvestä musta aukko Jousimies A* tuhoaa ja kuluttaa)

Mitä mustan aukon sisällä on

On olemassa teoria, joka väittää, että sisällä oleva musta aukko on käytännössä tyhjä ja koko sen massa on keskittynyt uskomattoman pieneen pisteeseen, joka sijaitsee sen keskellä - singulaarisuus.

Toisen puoli vuosisataa olemassa olleen teorian mukaan kaikki, mikä putoaa mustaan ​​aukkoon, menee toiseen universumiin, joka sijaitsee itse mustassa aukossa. Nyt tämä teoria ei ole tärkein.

Ja on kolmas, nykyaikaisin ja sitkein teoria, jonka mukaan kaikki, mikä putoaa mustaan ​​aukkoon, liukenee merkkijonojen värähtelyyn sen pinnalla, joka on nimetty tapahtumahorisontiksi.

Mikä sitten on tapahtumahorisontti? Mustan aukon sisään on mahdotonta katsoa edes supervoimakkaalla kaukoputkella, koska edes valolla, joka pääsee valtavan kosmisen suppilon sisään, ei ole mahdollisuutta nousta takaisin. Kaikki, mitä voidaan jotenkin harkita, on sen välittömässä läheisyydessä.

Tapahtumahorisontti on pinnan ehdollinen viiva, jonka alta mikään (kaasu, ei pöly, tähdet tai valo) ei pääse karkaamaan. Ja tämä on hyvin mystinen kohta, josta ei ole paluuta maailmankaikkeuden mustissa aukoissa.

Ohion yliopiston tähtitieteilijät ilmoittivat äskettäin, että Andromedan galaksin epätavallinen kaksoisydin johtuu tähtijoukosta, joka kiertää elliptisellä kiertoradalla jonkin massiivisen kohteen, todennäköisesti mustan aukon, ympärillä. Tällaiset johtopäätökset tehtiin Hubble-avaruusteleskoopilla saatujen tietojen perusteella. Andromedan kaksoisydin löydettiin ensimmäisen kerran 70-luvulla, mutta mustien aukkojen teoria esitettiin vasta 90-luvun puolivälissä.

Ajatus mustien aukkojen olemassaolosta galaksien ytimissä ei ole uusi.

On jopa täysi syy uskoa, että Linnunradan - galaksin, johon Maa kuuluu - ytimessä on suuri musta aukko, jonka massa on 3 miljoonaa kertaa Auringon massa. On kuitenkin helpompi tutkia Andromedan galaksin ydintä, joka sijaitsee 2 miljoonan valovuoden etäisyydellä meistä, kuin galaksimme ydintä, johon valo kulkee vain 30 tuhatta vuotta - et voi nähdä metsää puut.

Tutkijat simuloivat mustien aukkojen törmäyksiä

Numeerisen simulaation soveltaminen supertietokoneisiin mustien aukkojen luonteen ja käyttäytymisen selvittämiseksi, gravitaatioaaltojen tutkimus.

Ensimmäistä kertaa gravitaatiofysiikan instituutin (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik), joka tunnetaan myös nimellä "Albert Einstein Institute" ja joka sijaitsee Holmissa, Potsdamin esikaupunkialueella (Saksa), simuloivat kahden mustan yhdistymistä. reikiä. Kahden sulautuvan mustan aukon lähettämien gravitaatioaaltojen suunniteltu havaitseminen vaatii täydellisiä 3D-simulaatioita supertietokoneilla.

Mustat aukot ovat niin tiheitä, että ne eivät heijasta tai säteile valoa ollenkaan, minkä vuoksi niitä on niin vaikea havaita. Tiedemiehet toivovat kuitenkin muutaman vuoden kuluttua merkittävää muutosta tällä alueella.

Gravitaatioaallot, jotka kirjaimellisesti täyttävät ulkoavaruuden, voidaan havaita ensi vuosisadan alussa uusien keinojen avulla.

Professori Ed Seidelin (Dr. Ed Seidel) johtamat tutkijat valmistelevat tällaisia ​​tutkimuksia varten numeerisia simulaatioita, jotka ovat tarkkailijoille luotettava tapa havaita mustien aukkojen tuottamia aaltoja. "Mustan aukon törmäykset ovat yksi tärkeimmistä gravitaatioaaltojen lähteistä", sanoi professori Seidel, joka on viime vuosina tehnyt menestyksekästä tutkimusta painovoimaaaltojen mallintamiseksi, jotka syntyvät mustien aukkojen hajoamisen yhteydessä suorissa törmäyksissä.

Kahden kierteisen mustan aukon vuorovaikutus ja niiden yhdistäminen on kuitenkin yleisempää kuin suora törmäys, ja sillä on suurempi merkitys tähtitiedossa. Tällaiset tangentiaaliset törmäykset laski ensimmäisenä Bernd Brugmann Albert Einstein -instituutista.

Tuolloin hän ei kuitenkaan laskentatehon puutteen vuoksi pystynyt laskemaan sellaisia ​​perustavanlaatuisia yksityiskohtia kuin lähetettyjen gravitaatioaaltojen tarkkaa jälkeä, joka sisältää tärkeää tietoa mustien aukkojen käyttäytymisestä törmäyksen aikana. Brugman on julkaissut uusimmat tulokset International Journal of Modern Physics -lehdessä.

Ensimmäisissä laskelmissaan Brugman käytti instituutin Origin 2000 -palvelinta, joka sisältää 32 erillistä prosessoria, jotka toimivat rinnakkain ja joiden kokonaisteho on 3 miljardia operaatiota sekunnissa. Ja tämän vuoden kesäkuussa kansainvälinen tiimi Brugmannista, Seidelistä ja muista työskenteli jo paljon tehokkaamman 256 prosessorin Origin 2000 -supertietokoneen parissa National Center for Supercomputing Applications (NCSA) -keskuksessa. Ryhmään kuului myös tutkijoita

Louisin yliopistosta (USA) ja Berliinin tutkimuskeskuksesta Konrad-Zuse-Zentrumista. Tämä supertietokone tarjosi ensimmäisen yksityiskohtaisen simulaation epätasapainoisten mustien aukkojen tangentiaalisista törmäyksistä sekä niiden pyörimisistä, joita Brugmann oli aiemmin tutkinut. Werner Benger Konrad-Zuse-Zentrumista onnistui jopa toistamaan upean kuvan törmäysprosessista. Osoitettiin, kuinka "mustat hirviöt", joiden massat olivat yhdestä useaan sataan miljoonaan aurinkomassaan, sulautuivat yhteen muodostaen gravitaatioaaltojen purskeita, jotka voidaan pian tallentaa erikoiskeinoilla.

Yksi tämän tutkimustyön tärkeimmistä tuloksista oli mustien aukkojen törmäyksen aiheuttaman valtavan energian löytäminen gravitaatioaaltojen muodossa. Jos kaksi esinettä, joiden massat vastaavat 10 ja 15 auringon massaa, lähestyvät toisiaan lähempänä kuin 30 mailia ja törmäävät, gravitaatioenergian määrä vastaa 1 % niiden massasta. "Se on tuhat kertaa enemmän kuin kaikki aurinkomme viimeisten viiden miljardin vuoden aikana vapauttama energia." Brugman huomautti. Koska useimmat suuret törmäykset universumissa tapahtuvat hyvin kaukana maasta, signaalien tulisi olla hyvin heikkoja, kun ne osuvat maahan.

Useiden erittäin tarkkojen ilmaisimien rakentaminen on alkanut ympäri maailmaa.

Yksi niistä, jonka Max Planck -instituutti rakensi saksalais-brittiläisen hankkeen "Geo 600" puitteissa, on laserinterferometri, jonka pituus on 0,7 mailia. Tutkijat toivovat voivansa mitata mustien aukkojen törmäyksessä tapahtuvien lyhyiden gravitaatiohäiriöiden parametrit, mutta he odottavat vain yhden tällaisen törmäyksen vuodessa ja noin 600 miljoonan valovuoden etäisyydellä. Tietokonemalleja tarvitaan antamaan tarkkailijoille luotettavaa tietoa mustien aukkojen tuottamien aaltojen havaitsemisesta. Supertietokoneiden simulointiominaisuuksien parannusten ansiosta tutkijat ovat uudentyyppisen kokeellisen fysiikan kynnyksellä.

Tähtitieteilijät sanovat tietävänsä tuhansien mustien aukkojen sijainnin, mutta emme voi tehdä niitä koskevia kokeita maan päällä. "Vain yhdessä tapauksessa pystymme tutkimaan yksityiskohtia ja rakentamaan niiden numeerisen mallin tietokoneissamme ja tarkkailemaan sitä", selittää professori Bernard Schutz, Albert Einstein -instituutin johtaja. "Uskon, että mustien aukkojen tutkimus on tähtitieteilijöiden keskeinen tutkimusaihe ensi vuosisadan ensimmäisellä vuosikymmenellä."

Satelliittitähti mahdollistaa supernovan pölyn näkemisen.

Mustia aukkoja ei voida nähdä suoraan, mutta tähtitieteilijät voivat nähdä todisteita niiden olemassaolosta, kun kaasut purkautuvat tähdeksi.

Jos dynamiitti räjäytetään, räjähteen pienet sirpaleet tunkeutuvat syvälle lähellä oleviin esineisiin jättäen siten lähtemättömät todisteet räjähdyksestä.

Tähtitieteilijät ovat löytäneet samanlaisen jäljen mustaa aukkoa kiertävästä tähdestä, mutta eivät turhaan uskoneet, että tämä musta aukko - entinen tähti, joka romahti niin pahasti, että edes valo ei voi voittaa painovoimaansa - oli seurausta supernovaräjähdyksestä.

Valo pimeydessä.

Tähän mennessä tähtitieteilijät olivat havainneet supernovaräjähdyksiä ja löytäneet niiden paikalta pilkkukohteita, jotka heidän mielestään ovat mustia aukkoja. Uusi löytö on ensimmäinen todellinen todiste tapahtuman ja toisen välisestä yhteydestä. (Mustita aukkoja ei voi nähdä suoraan, mutta niiden olemassaolo voidaan joskus päätellä niiden gravitaatiokentän vaikutuksesta lähellä oleviin esineisiin.

Tähti- ja mustareikäjärjestelmä, GRO J1655-40, sijaitsee noin 10 000 valovuoden päässä Linnunrata-galaksissamme. Vuonna 1994 löydetty se kiinnitti tähtitieteilijöiden huomion voimakkailla röntgensäteillä ja radioaaltojen tulvilla, kun musta aukko karkoitti kaasuja 7,4 miljoonan mailin päässä olevaa kumppanitähteään kohti.

Espanjalaiset ja amerikkalaiset tutkijat alkoivat tarkkailla tähtikumppania uskoen, että se voisi säilyttää jonkinlaisen jäljen, joka osoittaa mustan aukon muodostumisprosessin.

Tähtien kokoisten mustien aukkojen uskotaan olevan suurten tähtien kappaleita, jotka ovat yksinkertaisesti kutistuneet tähän kokoon käytettyään kaiken vetypolttoaineensa. Mutta syistä, joita ei vielä ymmärretä, häipyvä tähti muuttuu supernovaksi ennen räjähdystä.

GRO J1655-40 -järjestelmän havainnot elo- ja syyskuussa 1994 mahdollistivat sen, että ulospurkautuneiden kaasuvirtojen nopeus oli jopa 92 % valon nopeudesta, mikä osittain osoitti mustan aukon olemassaolon.

Tähtisumu.

Jos tiedemiehet eivät erehdy, osa räjähtäneistä tähdistä, jotka ovat luultavasti 25–40 kertaa suurempia kuin aurinkomme, muuttuivat selviytyneiksi satelliiteiksi.

Juuri näitä tietoja tähtitieteilijät ovat löytäneet.

Seuratähden ilmakehä sisälsi normaalia korkeampia pitoisuuksia happea, magnesiumia, piitä ja rikkiä – raskaita alkuaineita, joita voi syntyä runsaasti vain supernovaräjähdyksen aikana saavutettavassa usean miljardin asteen lämpötilassa. Tämä oli ensimmäinen todiste, joka todella vahvisti sen teorian paikkansapitävyyden, että jotkut mustat aukot ilmestyivät ensin supernoveina, koska tähtitieteilijöiden havaitsema tähti ei voinut syntyä heidän näkemäänsä.