« Tieteiskirjallisuus voi olla hyödyllistä - se stimuloi mielikuvitusta ja lievittää tulevaisuuden pelkoa. kuitenkin tieteellisiä faktoja voi olla paljon ihmeellisempää. Science fiction ei edes kuvitellut sellaisia ​​asioita kuin mustat aukot »
Stephen Hawking

Universumin syvyyksissä ihmiselle piilee lukemattomia mysteereitä ja mysteereitä. Yksi niistä on mustia aukkoja - esineitä, joita ei voi edes ymmärtää suurimmat mielet ihmiskunta. Sadat astrofyysikot yrittävät löytää mustien aukkojen luonteen, mutta tämä vaihe emme ole vielä edes todistaneet niiden olemassaoloa käytännössä.

Elokuvaohjaajat omistavat elokuvansa heille ja heidän joukossaan tavalliset ihmiset Mustista aukoista on tullut niin kulttiilmiö, että ne tunnistetaan maailmanloppuun ja välittömään kuolemaan. Heitä pelätään ja vihataan, mutta samalla heitä jumaloidaan ja kumarrataan tuntemattoman edessä, jota nämä oudot universumin palaset ovat täynnä. Samaa mieltä, mustan aukon nieleminen on sellaista romantiikkaa. Heidän avullaan se on mahdollista, ja heistä voi tulla myös meille oppaita.

Keltainen lehdistö spekuloi usein mustien aukkojen suosiolla. Ei ole ongelma löytää sanomalehdistä otsikoita, jotka liittyvät planeetan maailmanloppuun toisesta törmäyksestä supermassiivisen mustan aukon kanssa. Paljon pahempaa on, että lukutaidoton osa väestöstä ottaa kaiken vakavasti ja aiheuttaa todellista paniikkia. Selvyyden vuoksi lähdemme matkalle mustien aukkojen löytämisen alkuperään ja yritämme ymmärtää, mitä se on ja miten siihen voidaan suhtautua.

näkymättömiä tähtiä

Niin tapahtui, että nykyajan fyysikot kuvaavat universumimme rakennetta suhteellisuusteorian avulla, jonka Einstein huolella tarjosi ihmiskunnalle 1900-luvun alussa. Sitä mystisempiä ovat mustat aukot, joiden tapahtumahorisontissa kaikki meille tuntemamme fysiikan lait, mukaan lukien Einsteinin teoria, lakkaavat toimimasta. Eikö olekin ihanaa? Lisäksi olettamus mustien aukkojen olemassaolosta ilmaistiin kauan ennen Einsteinin syntymää.

Vuonna 1783 Englannissa tapahtui merkittävä kasvu tieteellistä toimintaa. Tuolloin tiede kulki rinnakkain uskonnon kanssa, he tulivat hyvin toimeen keskenään, eikä tiedemiehiä enää pidetty harhaoppisina. Lisäksi, tieteellinen tutkimus papit tekivät. Yksi näistä Jumalan palvelijoista oli englantilainen pastori John Michell, joka esitti itselleen paitsi olemisen kysymyksiä, myös melko tieteellisiä tehtäviä. Michell oli arvostettu tiedemies: hän oli alun perin matematiikan opettaja muinainen kielitiede yhdessä korkeakouluista, ja sen jälkeen hänet hyväksyttiin useiden löytöjen vuoksi Lontoon Royal Societyyn.

John Michell käsitteli seismologiaa, mutta vapaa-ajallaan hän ajatteli mielellään ikuisuutta ja kosmosta. Näin hän keksi ajatuksen, että jossain universumin syvyyksissä voi olla supermassiivisia kappaleita, joilla on niin voimakas painovoima, että sellaisen kappaleen painovoiman voittamiseksi on välttämätöntä liikkua nopeudella, joka on yhtä suuri kuin tai suurempi kuin valon nopeus. Jos hyväksymme tällaisen teorian todeksi, kehitämme sitten toisen kosmisen nopeuden (nopeus, joka tarvitaan voittamaan painovoiman vetovoima lähtee kehosta) edes valo ei voi, joten tällainen ruumis pysyy näkymättömänä paljaalla silmällä.

Michell kutsui uutta teoriaansa "tummiksi tähdiksi" ja yritti samalla laskea tällaisten esineiden massan. Hän ilmaisi ajatuksensa asiasta avaa kirje Lontoon Royal Society. Valitettavasti tuohon aikaan tällaisella tutkimuksella ei ollut erityistä arvoa tieteelle, joten Michellin kirje lähetettiin arkistoon. Vain kaksisataa vuotta myöhemmin, 1900-luvun jälkipuoliskolla, se löydettiin tuhansien muiden muinaiseen kirjastoon huolellisesti tallennettujen asiakirjojen joukosta.

Ensimmäinen tieteellinen näyttö mustien aukkojen olemassaolosta

Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian julkaisun jälkeen matemaatikot ja fyysikot ryhtyivät vakavasti ratkaisemaan saksalaisen tiedemiehen esittämiä yhtälöitä, joiden piti kertoa meille paljon maailmankaikkeuden rakenteesta. Saksalainen tähtitieteilijä, fyysikko Karl Schwarzschild päätti tehdä saman vuonna 1916.

Tiedemies tuli laskelmiaan käyttäen siihen tulokseen, että mustien aukkojen olemassaolo on mahdollista. Hän kuvasi myös ensimmäisenä sitä, mitä myöhemmin kutsuttiin romanttiseksi lauseeksi "tapahtumahorisontti" - kuvitteellinen aika-avaruuden raja mustassa aukossa, jonka ylittämisen jälkeen tulee kohta, josta ei ole paluuta. Tapahtumahorisontista ei karkaa mikään, ei edes valo. Tapahtumahorisontin ulkopuolella tapahtuu niin sanottu "singulaarisuus", jossa meille tuntemamme fysiikan lait lakkaavat toimimasta.

Jatkaessaan teoriansa kehittämistä ja yhtälöiden ratkaisemista, Schwarzschild löysi uusia mustien aukkojen salaisuuksia itselleen ja maailmalle. Joten hän pystyi laskemaan yksinomaan paperilla etäisyyden mustan aukon keskustasta, jossa sen massa on keskittynyt, tapahtumahorisonttiin. Schwarzschild kutsui tätä etäisyyttä gravitaatiosäteeksi.

Huolimatta siitä, että matemaattisesti Schwarzschildin ratkaisut olivat poikkeuksellisen oikeita eikä niitä voitu kumota, tiedeyhteisö 1900-luvun alku ei voinut heti hyväksyä tällaista järkyttävää löytöä, ja mustien aukkojen olemassaolo kirjattiin fantasiaksi, joka ilmeni silloin tällöin suhteellisuusteoriassa. Seuraavien viidentoista vuoden ajan avaruuden tutkiminen mustien aukkojen esiintymiseksi oli hidasta, ja vain muutamat saksalaisen fyysikon teorian kannattajat osallistuivat siihen.

Tähdet, jotka synnyttävät pimeyttä

Kun Einsteinin yhtälöt oli purettu, oli aika käyttää tehtyjä johtopäätöksiä ymmärtääkseen maailmankaikkeuden rakennetta. Erityisesti tähtien evoluutioteoriassa. Ei ole mikään salaisuus, että mikään maailmassamme ei ole ikuista. Jopa tähdillä on oma elämänkiertonsa, vaikkakin pidempi kuin ihmisellä.

Yksi ensimmäisistä tutkijoista, joka kiinnostui vakavasti tähtien evoluutiosta, oli nuori astrofyysikko Subramanyan Chandrasekhar, intialainen. Vuonna 1930 hän julkaisi tieteellisen teoksen, jossa kuvattiin väitetty sisäinen rakenne tähdet ja niiden elinkaaret.

Tiedemiehet arvasivat jo 1900-luvun alussa sellaisesta ilmiöstä kuin gravitaatiosupistuminen (gravitaation romahdus). AT tietty hetki elämänsä aikana tähti alkaa kutistua valtavalla nopeudella sen vaikutuksen alaisena painovoimat. Pääsääntöisesti tämä tapahtuu tähden kuoleman hetkellä, mutta painovoiman romahtamisen yhteydessä on olemassa useita tapoja kuuman pallon olemassaololle.

Chandrasekharin ohjaaja Ralph Fowler, aikansa arvostettu teoreettinen fyysikko, ehdotti, että gravitaatioromahduksen aikana mikä tahansa tähti muuttuu pienemmäksi ja kuumemmaksi - valkoiseksi kääpiöksi. Mutta kävi ilmi, että opiskelija "rikoi" opettajan teorian, jonka useimmat fyysikot jakoivat viime vuosisadan alussa. Nuoren hindun työn mukaan tähden kuolema riippuu sen alkuperäisestä massasta. Esimerkiksi vain ne tähdet, joiden massa ei ylitä 1,44 kertaa Auringon massaa, voivat muuttua valkoisiksi kääpiöiksi. Tätä numeroa on kutsuttu Chandrasekhar-rajaksi. Jos tähden massa ylitti tämän rajan, se kuolee täysin eri tavalla. Tietyissä olosuhteissa tällainen tähti kuolemanhetkellä voi syntyä uudelleen uudeksi neutronitähdeksi - toinen nykyaikaisen maailmankaikkeuden mysteeri. Suhteellisuusteoria puolestaan ​​kertoo meille vielä yhden vaihtoehdon - tähden puristamisen erittäin pieniin arvoihin, ja tästä alkaa mielenkiintoisin.

Vuonna 1932 eräässä tieteellisessä lehdessä ilmestyi artikkeli, jossa Neuvostoliiton loistava fyysikko Lev Landau ehdotti, että romahduksen aikana supermassiivinen tähti puristuu pisteeksi, jolla on äärettömän pieni säde ja ääretön massa. Huolimatta siitä, että tällaista tapahtumaa on erittäin vaikea kuvitella valmistautumattoman henkilön näkökulmasta, Landau ei ollut kaukana totuudesta. Fyysikko ehdotti myös, että suhteellisuusteorian mukaan painovoima olisi sellaisessa pisteessä niin suuri, että se alkaisi vääristää aika-avaruutta.

Astrofyysikot pitivät Landaun teoriasta, ja he jatkoivat sen kehittämistä. Vuonna 1939 Amerikassa kahden fyysikon - Robert Oppenheimerin ja Hartland Sneijderin - ponnistelujen ansiosta ilmestyi teoria, joka kuvaa yksityiskohtaisesti supermassiivista tähteä romahduksen aikaan. Tällaisen tapahtuman seurauksena todellinen musta aukko olisi pitänyt ilmaantua. Argumenttien vakuuttavuudesta huolimatta tutkijat kielsivät edelleen tällaisten kappaleiden olemassaolon mahdollisuuden sekä tähtien muuttumisen niihin. Jopa Einstein etääntyi tästä ajatuksesta uskoen, että tähti ei kykene sellaisiin ilmiömäisiin muutoksiin. Muut fyysikot eivät olleet niukka lausunnoissaan ja pitivät tällaisten tapahtumien mahdollisuutta naurettavana.
Tiede saavuttaa kuitenkin aina totuuden, sinun on vain odotettava vähän. Ja niin se tapahtui.

Universumin kirkkaimmat esineet

Maailmamme on kokoelma paradokseja. Joskus siinä esiintyy rinnakkain asioita, joiden rinnakkaiselo uhmaa minkäänlaista logiikkaa. Esimerkiksi termiä "musta aukko" ei tavallisessa ihmisessä yhdistettäisi ilmaisuun "uskomattoman kirkas", mutta viime vuosisadan 60-luvun alun löytö antoi tutkijoille mahdollisuuden pitää tätä väitettä virheellisenä.

Astrofyysikot onnistuivat kaukoputkien avulla havaitsemaan tähtitaivaalta toistaiseksi tuntemattomia esineitä, jotka käyttäytyivät varsin oudosti huolimatta siitä, että ne näyttivät tavallisilta tähdiltä. Näitä outoja valaisimia tutkiessaan amerikkalainen tiedemies Martin Schmidt kiinnitti huomiota niiden spektrografiaan, jonka tiedot osoittivat erilaisia ​​tuloksia kuin muiden tähtien skannaus. Yksinkertaisesti sanottuna nämä tähdet eivät olleet kuten muut, joihin olemme tottuneet.

Yhtäkkiä se valkeni Schmidtille, ja hän kiinnitti huomion spektrin siirtymiseen punaisella alueella. Kävi ilmi, että nämä esineet ovat paljon kauempana meistä kuin tähdet, joita olemme tottuneet näkemään taivaalla. Esimerkiksi Schmidtin havaitsema kohde sijaitsi kahden ja puolen miljardin valovuoden päässä planeettamme, mutta loisti yhtä kirkkaasti kuin tähti muutaman sadan valovuoden päässä. Osoittautuu, että yhden tällaisen kohteen valo on verrattavissa koko galaksin kirkkauteen. Tämä löytö oli todellinen läpimurto astrofysiikassa. Tiedemies kutsui näitä esineitä "kvasitähteiksi" tai yksinkertaisesti "kvasaariksi".

Martin Schmidt jatkoi uusien esineiden tutkimista ja huomasi, että tällainen kirkas hehku voi johtua vain yhdestä syystä - kasautumisesta. Accretion on prosessi, jossa supermassiivinen kappale imeytyy ympäröivään aineeseen painovoiman avulla. Tiedemies tuli siihen tulokseen, että kvasaarien keskellä on valtava musta aukko, joka uskomattomalla voimalla vetää itseensä ympäröivän aineen avaruudessa. Aineen absorptioprosessissa hiukkaset kiihtyvät valtaviin nopeuksiin ja alkavat hehkua. Mustan aukon ympärillä olevaa omituista valokupua kutsutaan akkretiolevyksi. Sen visualisointi osoitti hyvin Christopher Nolanin elokuvassa "Interstellar", joka herätti monia kysymyksiä "miten musta aukko voi hehkua?".

Tähän mennessä tutkijat ovat löytäneet tuhansia kvasaareita tähtitaivaalta. Näitä outoja, uskomattoman kirkkaita esineitä kutsutaan universumin majakoiksi. Niiden avulla voimme kuvitella kosmoksen rakenteen hieman paremmin ja päästä lähemmäksi hetkeä, josta kaikki alkoi.

Huolimatta siitä, että astrofyysikot ovat saaneet epäsuoria todisteita supermassiivisten näkymättömien esineiden olemassaolosta universumissa useiden vuosien ajan, termiä "musta aukko" ei ollut olemassa ennen vuotta 1967. Välttää monimutkaiset nimet, Amerikkalainen fyysikko John Archibald Wheeler ehdotti kutsumaan tällaisia ​​esineitä "mustiksi aukoiksi". Miksi ei? Jossain määrin ne ovat mustia, koska emme näe niitä. Lisäksi ne vetävät puoleensa kaiken, niihin voi pudota, aivan kuin todelliseen reikään. Kyllä, ja pois sellaisesta paikasta mukaan nykyaikaiset lait fysiikka on yksinkertaisesti mahdotonta. Stephen Hawking kuitenkin väittää, että mustan aukon läpi matkustaessasi voit päästä toiseen universumiin, toiseen maailmaan, ja tämä on toivoa.

Pelko äärettömyydestä

Mustien aukkojen liiallisen mysteerin ja romantisoinnin vuoksi näistä esineistä on tullut todellinen kauhutarina ihmisten keskuudessa. Keltainen lehdistö spekuloi mielellään väestön lukutaidottomuudella ja kertoo uskomattomista tarinoista kuinka valtava musta aukko liikkuu kohti maata, joka nielee aurinkokunnan muutamassa tunnissa tai yksinkertaisesti päästää myrkyllisen kaasun aaltoja kohti maatamme. planeetta.

Erityisen suosittu on teema planeetan tuhoamisesta Large Hadron Colliderin avulla, joka rakennettiin Euroopassa vuonna 2006 Eurooppa-neuvoston alueelle. ydintutkimus(CERN). Paniikkiaalto alkoi kuin joku typerä vitsi, mutta kasvoi kuin lumipallo. Joku käynnisti huhun, että törmätimen hiukkaskiihdyttimeen voisi muodostua musta aukko, joka nielaisi planeettamme kokonaan. Tietenkin närkästyneet ihmiset alkoivat vaatia kokeiden kieltämistä LHC:ssä peläten tällaista tulosta. Euroopan tuomioistuimeen alkoi tulla kanteita, joissa vaadittiin törmäimen sulkemista, ja sen luoneita tiedemiehiä rangaistiin mahdollisimman laajasti.

Itse asiassa fyysikot eivät kiellä, että kun hiukkaset törmäävät Large Hadron Colliderissa, voi ilmaantua esineitä, jotka ovat ominaisuuksiltaan samanlaisia ​​​​kuin mustia aukkoja, mutta niiden koko on alkuainehiukkaskokojen tasolla ja tällaisia ​​"reikiä" on olemassa niin lyhyen ajan. ettemme voi edes tallentaa niiden esiintymistä.

Yksi tärkeimmistä asiantuntijoista, jotka yrittävät hälventää tietämättömyyden aaltoa ihmisten edessä, on Stephen Hawking - kuuluisa teoreettinen fyysikko, jota lisäksi pidetään todellisena "guruna" mustien aukkojen suhteen. Hawking osoitti, että mustat aukot eivät aina absorboi akkrektiolevyissä näkyvää valoa, ja osa siitä on hajallaan avaruuteen. Tätä ilmiötä on kutsuttu Hawkingin säteilyksi tai mustan aukon haihtumiseksi. Hawking loi myös mustan aukon koon ja sen "haihtumisnopeuden" välisen suhteen - mitä pienempi se on, sitä vähemmän se on olemassa ajassa. Ja tämä tarkoittaa, että kaikkien Large Hadron Colliderin vastustajien ei pitäisi huolehtia: siinä olevat mustat aukot eivät voi olla olemassa edes miljoonasosaa sekunnista.

Teoriaa ei ole todistettu käytännössä

Valitettavasti ihmiskunnan teknologiat tässä kehitysvaiheessa eivät salli meidän testata useimpia astrofyysikkojen ja muiden tutkijoiden kehittämiä teorioita. Toisaalta mustien aukkojen olemassaolo on todistettu melko vakuuttavasti paperilla ja päätelty kaavoilla, joissa kaikki konvergoi jokaisen muuttujan kanssa. Toisaalta käytännössä emme ole vielä onnistuneet omin silmin näkemään todellista mustaa aukkoa.

Kaikista erimielisyyksistä huolimatta fyysikot ehdottavat, että jokaisen galaksin keskellä on supermassiivinen musta aukko, joka kokoaa tähdet klustereihin painovoimallaan ja saa sinut matkustamaan ympäri maailmankaikkeutta suuressa ja ystävällisessä seurassa. Linnunradallamme on eri arvioiden mukaan 200-400 miljardia tähteä. Kaikki nämä tähdet kiertävät jotain, jolla on valtava massa, sellaisen ympärillä, jota emme voi nähdä kaukoputkella. Se on todennäköisesti musta aukko. Pitäisikö hänen pelätä? - Ei, ei ainakaan seuraavan muutaman miljardin vuoden aikana, mutta voimme tehdä hänestä toisen mielenkiintoisen elokuvan.

Tieteellinen ajattelu rakentaa toisinaan esineitä, joilla on niin paradoksaalisia ominaisuuksia, että jopa älykkäimmät tiedemiehet kieltäytyvät aluksi tunnistamasta niitä. Ilmeisin esimerkki modernin fysiikan historiassa on pitkäaikainen kiinnostuksen puute mustia aukkoja, ääritiloja kohtaan. gravitaatiokenttä ennustettu lähes 90 vuotta sitten. 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 virtana pienimmät hiukkaset. Michell ehdotti, että kevytsolut, kuten tavallinen aine, noudattavat mekaniikan lakeja. Tämän hypoteesin seuraus osoittautui hyvin ei-triviaaliksi - taivaankappaleet voivat muuttua valoloukkuiksi.

Miten Michell ajatteli? Planeetan pinnalta ammuttu kanuunankuula voittaa painovoimansa kokonaan vain, jos se aloitusnopeus ylittää sen, mitä nyt kutsutaan toiseksi avaruuden nopeus ja pakonopeus. Jos planeetan painovoima on niin voimakas, että pakonopeus ylittää valonnopeuden, zeniittiin ammutut valokapselit eivät voi paeta 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, joka sisällytti sen Exposition of the World of the World -julkaisunsa sekä ensimmäiseen (1796) että toiseen (1799) painokseen. Mutta kolmas painos julkaistiin vuonna 1808, jolloin useimmat fyysikot pitivät valoa jo eetterin värähtelyinä. "Näkymättömien" tähtien olemassaolo oli ristiriidassa aaltoteoria valoa, ja Laplacen mielestä oli 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 yleinen teoria suhteellisuusteoria (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 juurikaan vääristä newtonilaista avaruuden ja ajan rakennetta vain tuo tapaus, jos sen säde on suuri enemmän kuin se juuri sen suuruusluokan, jonka John Michell laski! 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 jokaiselle tarkkailijalle, olipa hän missä tahansa (tarkemmin sanottuna se voidaan havaita gravitaatiovaikutuksia mutta ei säteilyllä).

Epäuskosta väittämiseen

Schwarzschild ja hänen aikalaisensa uskoivat, että tällainen outo avaruusobjekteja 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?

30-luvun lopulla amerikkalaisen tuleva isä atomipommi Robert Oppenheimer havaitsi, että tällainen raja on todellakin olemassa, eikä se ylitä useita auringon massat. Silloin ei ollut mahdollista antaa tarkempaa arviota; nyt tiedetään, että neutronitähtien massojen on oltava välillä 1,5-3 Ms. Mutta jopa alkaen likimääräisiä laskelmia Oppenheimer ja hänen jatko-opiskelijansa George Volkov seurasivat, että supernovaen massiivisimmista jälkeläisistä ei tule neutronitähdet, mutta mene johonkin toiseen osavaltioon. Vuonna 1939 Oppenheimer ja Hartland Snyder osoittivat idealisoitua mallia käyttäen, että massiivinen romahtava tähti kutistuu kohti gravitaatiosäde. 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, pyörivälle reiällä 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 fyysikot rakastavat ja toimittajat, jotka levittivät sitä ympäri maailmaa, kiehtoivat (vaikka ranskalaiset eivät pitäneet siitä aluksi, koska ilmaisu trou noir aiheutti 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.

fyysinen merkitys horisontti on hyvin selkeä. 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, spektrinen tyyppi jne.) mennä unohduksiin.

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 lait kvanttimekaniikka, jotka eivät jätä huomiotta mustia aukkoja. Nämä lait eivät salli meidän tarkastella keskeistä singulaarisuutta matemaattinen piste. 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.

Saatavuus kvantti-singulariteetti Sillä on suoraa suhdetta 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 jonkinlaisia ​​supervahvoja metalliseoksia ja komposiitteja, joiden ominaisuudet ovat tänään näkymättömiä, ne ovat joka tapauksessa tuomittu katoamaan: singulaarisuusvyöhykkeellä ei loppujen lopuksi ole tavanomaista aikaa eikä tavallista tilaa.

Katsotaan nyt reiän horisonttia kvanttimekaanisen linssin läpi. Tyhjä tila — fyysinen tyhjiö- itse asiassa se ei 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 ylikellotetaan tällaisilla aloilla, vastasyntyneet "virtuaalit" hankkivat ylimääräistä energiaa ja joskus niistä tulee normaaleja pitkäikäisiä hiukkasia.

Virtuaalihiukkaset syntyvät aina pareittain, jotka liikkuvat sisään vastakkaisiin suuntiin(tämä edellyttää liikemäärän säilymisen laki). 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 suotuisat olosuhteet voi lähteä. Tämän seurauksena reikä muuttuu säteilyn lähteeksi ja menettää siksi energiaa ja siten massaa. Siksi mustat aukot ovat pohjimmiltaan epävakaita.

Tätä ilmiötä kutsutaan Hawking-ilmiöksi merkittävän jälkeen Englantilainen fysiikka-teoreetikko, joka löysi sen 1970-luvun puolivälissä. Erityisesti Stephen Hawking osoitti, että mustan aukon horisontti lähettää fotoneja täsmälleen samalla tavalla kuin täysin 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 hänen kokonsa muuttuu yhtä pitkä kuin pituus Planck-Wheeler, reikä menettää vakauden ja räjähtää vapauttaen saman energian kuin miljoonan kymmenen megatonnin samanaikainen räjähdys vetypommeja. 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 erota 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 perustelussaan 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 voi syntyä heti sen jälkeen alkuräjähdys josta syntyi universumimme. Ensisijaiset jopa miljardi tonnia painavat reiät ovat jo haihtuneet, mutta raskaammat voivat silti piiloutua avaruuden syvyyksiin ja aikanaan järjestää kosmisia ilotulitteita muodossaan. voimakkaita taudinpurkauksia gammasäteilyä. 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 vähimmäismassa on todellakin 22 mikrogrammaa, niin sisään energiayksiköitä tämä on 10 28 elektronivolttia. Tämä kynnys on 15 suuruusluokkaa korkeampi kuin maailman tehokkaimman 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. AT kolmiulotteinen tila painovoima on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön ja yhdeksässä ulottuvuudessa kahdeksanteen potenssiin. Siksi sisään moniulotteinen maailma gravitaatiokentän intensiteetti etäisyyden pienentyessä kasvaa paljon nopeammin kuin kolmessa ulottuvuudessa. Tässä tapauksessa Planckin pituus kasvaa monta kertaa ja reiän vähimmäismassa putoaa jyrkästi.

Kieleteoria ennustaa, että yhdeksänulotteiseen avaruuteen voi syntyä musta aukko, jonka massa on vain 10-20 g. relativistinen massa protonit kiihtyivät zern-superkiihdyttimessä. 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 myös pyöriviä reikiä, joissa on kimppu mielenkiintoisimmat ominaisuudet. 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 perustuen korpuskulaarinen teoria valo ja newtonilainen painovoimateoria. Tuolloin Huygensin aaltoteoria ja hänen kuuluisa aaltoperiaate ne 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 sellaisia ​​voi olla massiivisia tähtiä, jonka vetovoimaa solut eivät enää voi voittaa, ja ne näyttävät aina mustilta ulkopuoliselle tarkkailijalle, vaikka ne itse voivat hehkua häikäisevästi, 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, joutuvat viivästämään massiivisten valoa säteilevien tähtien, joiden tiheys on yhtä suuri kuin tiheys Maa, ja säde on 250 kertaa suurempi kuin auringon.

Tämä Laplacen teoria sisältyi vain hänen kahteen ensimmäiseen elinaikaiseen painokseensa kuuluisa kirja"Selvitys maailman järjestelmästä", julkaistu 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 siitä voi virrata valoa".

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 aberraation suuruuden muuttumattomuudesta erilaisia ​​tähtiä, joka oli ristiriidassa joidenkin hänen teoriansa päätelmien kanssa, joihin hän perusti laskelmansa. Mutta useimmat todennäköinen syy Se, että 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 valoeetterin 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 korpuskulaarisesta teoriasta, joka muistettiin vakavasti vasta vuosisataa myöhemmin, kvanttien löytämisen jälkeen. Kaikki ajatukset 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 yleistä suhteellisuusteoriaa, kosmologiaa ja astrofysiikkaa kohtaan heräsi nopeasti ilmakehän ulkopuolisten (erityisesti) saavutusten vuoksi. , röntgen) tähtitiede, löytö jäännössäteilyä, pulsarit ja kvasaarit.

Mustien aukkojen historia

Aleksei Levin

Tieteellinen ajattelu ei toisinaan rakenna esineitä, joilla on niin paradoksaalisia ominaisuuksia, että taitavimmatkin 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 alkoivat uskoa 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 kaksi Newtonin 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 voi paeta 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 Laplacen mielestä oli 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 M s . 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 kokonaisen 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, pyörivälle reiällä 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-Wheelerin 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, joiden ominaisuudet ovat tänään näkymättömiä, ne kaikki on silti tuomittu katoamaan: loppujen lopuksi singulaarisuusvyöhykkeellä ei ole tavallista aikaa eikä tavallista 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 hiukkasparin tyhjiöstä, 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 täysin 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 pidetään massaulottuvuuden kokona, joka voidaan yhdistää kolmesta fysikaalisesta perusvakiosta - Planckin vakiosta h, valon nopeudesta C ja gravitaatiovakiosta G (yksityiskohtien ystäville: tehdäksesi tämän täytyy kertoa h ja C, jakaa tulos G:llä ja erottaa 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 perustelussaan pidemmälle. Hänen hypoteesiensa 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

Mutta onko mahdollista hajottaa hiukkaset kiihdyttimessä niin suureksi energiaksi, 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 tehokkaimman kiihdytin, Large Hadron Collider (LHC), joka lanseerataan CERNissä vuonna 2007.

src="black_holes1/aerial-view-lhc.jpg" width="275" border="0">

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 ei ole kolmea ulottuvuutta, vaan 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.

Stringteoria ennustaa, että yhdeksänulotteiseen avaruuteen voi syntyä vain 10–20 g:n massainen musta aukko, jonka CERNin 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.

Space supervauhtipyörät

Staattiset sähköisesti neutraalit mustat aukot, joista puhuimme, eivät ole lainkaan tyypillisiä todellista maailmaa. Romahtuvat tähdet pyrkivät pyörimään ja voivat myös latautua sähköisesti.

Teoria kaljuuntumisesta

jättiläisiä reikiä galaktisissa ytimissä muodostuvat todennäköisimmin painovoiman kondensaatiokeskuksista - yhdestä "tähtien jälkeisestä" reiästä tai useista kolarien seurauksena sulautuneista reikistä. Tällaiset siemenreiät nielevät lähellä olevia tähtiä ja tähtienvälistä kaasua ja lisäävät siten niiden massaa moninkertaisesti. Horisontin alle putoavalla aineella on sekä sähkövaraus ( avaruuskaasu ja pölyhiukkaset ionisoituvat helposti) ja vääntömomentti(putoaminen tapahtuu kierteellä, kierteessä). Kaikissa fysikaalisissa prosesseissa hitausmomentti ja varaus säilyvät, ja siksi on luonnollista olettaa, että mustien aukkojen muodostuminen ei ole poikkeus.

Mutta vieläkin vahvempi väite pitää paikkansa, jonka erikoistapaus muotoiltiin artikkelin ensimmäisessä osassa (ks. A. Levin, The Amazing History of Black Holes, Popular Mechanics No. 11, 2005). Olivatpa makroskooppisen mustan aukon esi-isät mitkä tahansa, se vastaanottaa heiltä vain massan, pyörimismomentin ja sähkövarauksen. John Wheelerin sanoin: "Mustalla aukolla ei ole hiuksia." Olisi oikeampaa sanoa, että minkään reiän horisontista roikkuu korkeintaan kolme "hiusta", mikä osoitti useiden teoreettisten fyysikkojen yhteisillä ponnisteluilla 1970-luvulla. Totta, reiässä se on säilytettävä ja magneettinen varaus, jonka hypoteettiset kantajat, magneettiset monopolit, ennusti Paul Dirac vuonna 1931. Näitä hiukkasia ei kuitenkaan ole vielä löydetty, ja on liian aikaista puhua neljännestä "hiuksesta". Periaatteessa siihen voi liittyä lisää "hiuksia". kvanttikentät, mutta ne ovat täysin näkymättömiä makroskooppisessa reiässä.

Ja silti he kääntyvät

Jos staattinen tähti latautuu, avaruus-aika-metriikka muuttuu, mutta tapahtumahorisontti pysyy silti pallomaisena. Tähtien ja galaktisten mustat aukot eivät useista syistä kuitenkaan voi kantaa suurta varausta, joten tämä tapaus ei ole astrofysiikan kannalta kovin mielenkiintoinen. Mutta reiän pyöriminen aiheuttaa vakavampia seurauksia. Ensinnäkin horisontin muoto muuttuu. Keskipakovoimat puristavat sitä pyörimisakselia pitkin ja venyttävät sitä päiväntasaajan tasossa, jolloin pallo muuttuu ellipsoidin kaltaiseksi. Pohjimmiltaan horisontin kanssa tapahtuu sama kuin minkä tahansa pyörivän kappaleen kanssa, erityisesti planeetallamme - onhan Maan päiväntasaajan säde 21,5 km pidempi kuin napa. Toiseksi kierto pienentää horisontin lineaarisia mittoja. Muista, että horisontti on jakoviiva sellaisten tapahtumien välillä, jotka voivat lähettää tai olla lähettämättä signaaleja kaukaisiin maailmoihin. Jos reiän painovoima kiehtoo valokvantit, sitten keskipakovoimat päinvastoin edistävät heidän pakenemistaan ​​ulkoavaruuteen. Siksi pyörivän reiän horisontin tulisi sijaita lähempänä sen keskustaa kuin saman massan omaavan staattisen tähden horisontti.

Mutta siinä ei vielä kaikki. Pyöriessään oleva reikä vetää ympäröivää tilaa mukanaan. Reiän välittömässä läheisyydessä kulkeutuminen on valmis, reunalla se vähitellen heikkenee. Siksi reiän horisontti on upotettu erityiselle avaruuden alueelle - ergosfääriin. Ergosfäärin raja koskettaa horisonttia navoissa ja siirtyy kauimpana siitä päiväntasaajan tasossa. Tällä pinnalla avaruuden tunkeutumisnopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus; hän on hänen sisällään lisää nopeutta valoa ja ulkopuolella - vähemmän. Siksi mikä tahansa aineellinen kappale, oli se sitten kaasumolekyyli, hiukkanen avaruuspölyä tai tiedustelu luotain, kun se tulee ergosfääriin, se alkaa varmasti pyöriä reiän ympäri ja samaan suuntaan kuin itse.

Tähtigeneraattorit

Ergosfäärin läsnäolo mahdollistaa periaatteessa reiän käytön energialähteenä. Anna jonkin esineen tunkeutua ergosfääriin ja hajota siellä kahteen osaan. Saattaa käydä niin, että yksi niistä putoaa horisontin alle ja toinen poistuu ergosfääristä, ja sen liike-energia ylittää koko kehon alkuenergian! Ergosfäärillä on myös kyky vahvistaa sähkömagneettista säteilyä, joka putoaa siihen ja hajoaa jälleen avaruuteen (tätä ilmiötä kutsutaan supersäteilyksi).

Energian säilymislaki on kuitenkin horjumaton - ikuisia liikekoneita ei ole olemassa. Kun reikä energisoi hiukkasta tai säteilyä, sen oma pyörimisenergia pienenee. Avaruussupervauhtipyörä hidastuu vähitellen, ja lopulta se voi jopa pysähtyä. On laskettu, että jopa 29 % reiän massasta voidaan muuntaa tällä tavalla energiaksi. Tätä prosessia tehokkaampi on vain aineen ja antiaineen tuhoaminen, koska tässä tapauksessa massa muuttuu kokonaan säteilyksi. Mutta aurinkoenergian lämpöydinpolttoaine palaa paljon pienemmällä hyötysuhteella - noin 0,6%.

Näin ollen nopeasti pyörivä musta aukko on melkein ihanteellinen energiageneraattori kosmisille supersivilisaatioille (jos sellaisia ​​​​tietenkin on). Joka tapauksessa luonto on käyttänyt tätä resurssia ikimuistoisista ajoista lähtien. Kvasaarit, voimakkaimmat kosmiset "radioasemat" (sähkömagneettisten aaltojen lähteet), ruokkivat galaksien ytimissä sijaitsevien jättimäisten pyörivien reikien energiaa. Tämän hypoteesin esittivät Edwin Salpeter ja Yakov Zel'dovich vuonna 1964, ja siitä lähtien se on tullut yleisesti hyväksytyksi. Reikää lähestyvä aine muodostaa rengasmaisen rakenteen, ns. accretion kiekon. Koska reiän lähellä oleva tila kiertyy voimakkaasti pyörimisellään, levyn sisävyöhyke pysyy ekvatoriaalitasossa ja asettuu hitaasti kohti tapahtumahorisonttia. Kaasu tällä alueella on erittäin kuumaa sisäinen kitka ja tuottaa infrapuna-, valo-, ultravioletti- ja röntgensäteitä ja joskus jopa gammasäteitä. Kvasaarit lähettävät myös ei-termistä radiosäteilyä, mikä johtuu pääasiassa synkrotronivaikutuksesta.

Erittäin matala entropia

Kalju aukko -lause kätkee hyvin salakavalan sudenkuopan. Romahtava tähti on joukko superkuumaa kaasua, jota painovoimat puristavat. Mitä suurempi tähtiplasman tiheys ja lämpötila on, sitä vähemmän järjestystä ja enemmän kaaosta siinä. Satunnaisuuden aste ilmaistaan ​​melko tarkasti fyysinen määrä- haje. Ajan myötä minkä tahansa yksittäisen kohteen entropia kasvaa - tämä on termodynamiikan toisen lain ydin. Tähden entropia ennen romahtamisen alkamista on kohtuuttoman korkea, ja reiän entropia näyttää olevan äärimmäisen pieni, koska tarvitaan vain kolme parametria reiän yksilölliseen kuvaamiseen. Rikkoutuuko termodynamiikan toista pääsääntöä painovoiman romahtamisen aikana?

Eikö ole mahdollista olettaa, että kun tähti muuttuu supernovaksi, sen entropia kuljetetaan pois sinkoutuneen kuoren mukana? Valitettavasti ei. Ensinnäkin kuoren massaa ei voida verrata tähden massaan, joten entropian menetys on pieni. Toiseksi termodynamiikan toisesta pääsäännöstä on helppo keksiä vielä vakuuttavampi henkinen "kiistäminen". Olkoon jo vetovoimavyöhyke valmis reikä nollasta poikkeava lämpötila, jolla on jonkinlainen entropia, osui. Pudotettuaan tapahtumahorisontin alle se katoaa entropiavarojensa mukana, eikä reiän entropia ilmeisesti kasva ollenkaan. On houkuttelevaa väittää, että alienin entropia ei katoa, vaan siirtyy reiän sisäpuolelle, mutta tämä on vain sanallinen temppu. Fysiikan lait toteutuvat meidän ja laitteidemme ulottuvilla olevassa maailmassa, ja tapahtumahorisontin alla oleva alue ulkopuoliselle tarkkailijalle on terra incognita.

Tämän paradoksin ratkaisi Wheelerin jatko-opiskelija Jacob Beckenstein. Termodynamiikalla on erittäin voimakas älyllinen resurssi - ihanteellisten lämpömoottoreiden teoreettinen tutkimus. Beckenstein keksi henkisen laitteen, joka muuntaa lämmön hyödyllistä työtä käyttää mustaa aukkoa lämmittimenä. Tätä mallia käyttäen hän laski mustan aukon entropian, joka osoittautui verrannolliseksi tapahtumahorisontin pinta-alaan. Tämä alue on verrannollinen reiän säteen neliöön, joka muistaakseni on verrannollinen sen massaan. Kun kaapataan mitä tahansa ulkoista esinettä, reiän massa kasvaa, säde pitenee, horisontin pinta-ala kasvaa ja vastaavasti entropia kasvaa. Laskelmat ovat osoittaneet, että vieraan esineen nielneen reiän entropia ylittää tämän kohteen ja reiän kokonaisentropian ennen kuin ne kohtaavat. Samoin romahtavan tähden entropia on monta suuruusluokkaa pienempi kuin seuraajareiän entropia. Itse asiassa Beckensteinin päättelystä seuraa, että reiän pinnalla on nollasta poikkeava lämpötila, ja siksi sen täytyy yksinkertaisesti lähettää lämpöfotoneja (ja jos sitä kuumennetaan tarpeeksi, muita hiukkasia). Beckenstein ei kuitenkaan uskaltanut mennä niin pitkälle (tämän askeleen otti Stephen Hawking).

Mihin olemme tulleet? Mustien aukkojen ajattelu ei vain jätä termodynamiikan toista pääsääntöä horjumattomaksi, vaan antaa myös mahdollisuuden rikastaa entropian käsitettä. Tavallisen entropia fyysinen keho enemmän tai vähemmän verrannollinen sen tilavuuteen, ja reiän entropia on verrannollinen horisontin pintaan. Voidaan tiukasti todistaa, että se on suurempi kuin minkä tahansa materiaalikappaleen entropia, jolla on samat lineaariset mitat. Se tarkoittaa sitä enimmäismäärä suljetun avaruuden alueen entropia määräytyy yksinomaan sen ulkorajan alueen perusteella! Kuten näemme, mustien aukkojen ominaisuuksien teoreettinen analyysi antaa meille mahdollisuuden tehdä hyvin syvällisiä yleisfysikaalisia johtopäätöksiä.

Katse universumin syvyyksiin

Miten mustien aukkojen etsintä avaruuden syvyyksistä sujuu? Popular Mechanics esitti tämän kysymyksen kuuluisalle astrofyysikolle, Harvardin yliopiston professorille Ramesh Narayanille.

”Mustien aukkojen löytämistä pitäisi pitää yhtenä suurimmista saavutuksista moderni tähtitiede ja astrofyysikot. Viime vuosikymmeninä avaruudesta on tunnistettu tuhansia röntgenlähteitä, joista jokainen koostuu normaalista tähdestä ja hyvin pienestä ei-valoavasta esineestä, jota ympäröi akkretion kiekko. Tummat kappaleet, joiden massat vaihtelevat puolestatoista kolmeen aurinkomassaan, ovat todennäköisesti neutronitähtiä. Näiden näkymättömien esineiden joukossa on kuitenkin ainakin kaksi tusinaa lähes sataprosenttista ehdokasta mustan aukon rooliin. Lisäksi tiedemiehet ovat päässeet yksimielisyyteen, että galaksiytimissä piileskelee ainakin kaksi jättimäistä mustaa aukkoa. Yksi niistä on galaksimme keskellä; Yhdysvaltain ja Saksan tähtitieteilijöiden viime vuoden julkaisun mukaan sen massa on 3,7 miljoonaa auringon massaa (M s). Muutama vuosi sitten kollegani Harvard-Smithsonian Astrophysical Centerissä James Moran ja Lincoln Greenhill tekivät suurimman panoksen Seyfert-galaksin NGC 4258 keskellä olevan reiän punnitsemiseen, joka veti 35 miljoonaa M s. Todennäköisesti monien galaksien ytimissä on reikiä, joiden massa on miljoonasta useaan miljardiin Ms .

Toistaiseksi ei ole mahdollista korjata maapallolta todella ainutlaatuista mustan aukon tunnusmerkkiä - tapahtumahorisontin läsnäoloa. Tiedämme kuitenkin jo, kuinka varmistaa sen puuttuminen. Neutronitähden säde on 10 kilometriä; tähtien romahtamisen seurauksena syntyneiden reikien säde on samaa suuruusluokkaa. Neutronitähdellä on kuitenkin kiinteä pinta, kun taas reiällä ei. Aineen putoaminen neutronitähden pinnalle edellyttää lämpöydinräjähdyksiä, jotka tuottavat säännöllisiä röntgensäteitä, joiden kesto on toinen. Ja kun kaasu saavuttaa mustan aukon horisontin, se menee sen alle eikä esiinny säteilynä. Siksi lyhyiden röntgensäteiden puuttuminen on voimakas vahvistus kohteen reiän luonteesta. Kaikki kaksi tusinaa binäärijärjestelmää, jotka oletettavasti sisältävät mustia aukkoja, eivät lähetä tällaisia ​​soihdutuksia.

On mahdotonta olla myöntämättä, että nyt meidän on pakko tyytyä negatiivisiin todisteisiin mustien aukkojen olemassaolosta. Aukoiksi julistamamme esineet eivät voi olla mitään muuta yleisesti hyväksyttyjen teoreettisten mallien näkökulmasta. Toisin sanoen pidämme niitä aukkoina vain siksi, että emme voi kohtuudella pitää niitä millään muulla. Toivon, että seuraavilla tähtitieteilijöiden sukupolvilla on vähän enemmän onnea."

Professori Narayanin sanoihin voidaan lisätä, että tähtitieteilijät ovat pitkään uskoneet mustien aukkojen olemassaolon todellisuuteen. Historiallisesti ensimmäinen luotettava ehdokas tähän virkaan oli erittäin kirkkaan sinisen superjättiläisen HDE 226868 tumma kumppani, joka sijaitsee 6500 valovuoden päässä meistä. Se löydettiin 1970-luvun alussa Cygnus X-1 -röntgenbinäärijärjestelmästä. Uusimpien tietojen mukaan sen massa on noin 20 M s. On syytä huomata, että tämän vuoden syyskuun 20. päivänä julkaistiin tiedot, jotka lähes täysin hälvensivät epäilykset toisen galaktisen mittakaavan reiän todellisuudesta, jonka olemassaoloa tähtitieteilijät epäilivät ensimmäisen kerran 17 vuotta sitten. Se sijaitsee M31-galaksin keskustassa, joka tunnetaan paremmin nimellä Andromeda-sumu. Galaxy M31 on hyvin vanha, noin 12 miljardia vuotta vanha. Reikä on myös melko suuri - 140 miljoonaa auringon massaa. Syksyllä 2005 tähtitieteilijät ja astrofyysikot olivat vihdoin vakuuttuneita kolmen supermassiivisen mustan aukon ja parinkymmenen muun niiden vaatimattomamman seuralaisen olemassaolosta.

Teoreetikkojen tuomio

Popular Mechanics pystyi myös keskustelemaan kahden maailman suurimman painovoimateoreetikon kanssa, jotka ovat omistaneet vuosikymmeniä mustien aukkojen tutkimukselle. Pyysimme heitä listaamaan eniten tärkeitä saavutuksia tällä alueella. Tässä on teoreettisen fysiikan professori Kaliforniassa Institute of Technology Kip Thorne:

"Jos puhumme makroskooppisista mustista aukoista, joita GR-yhtälöt kuvaavat hyvin, niin niiden teorian alalla päätulokset saatiin XX vuosisadan 60-80-luvuilla. Viimeaikaisen työn osalta mielenkiintoisin niistä antoi meille mahdollisuuden ymmärtää paremmin mustan aukon sisällä tapahtuvia prosesseja sen ikääntyessä. Viime vuosina on kiinnitetty paljon huomiota mustien aukkojen malleihin moniulotteisia tiloja, jotka esiintyvät luonnollisesti jousiteoriassa. Mutta nämä tutkimukset eivät enää viittaa klassisiin, vaan kvanttireikiin, joita ei ole vielä löydetty. Päätulos Viime vuosina- erittäin vakuuttava astrofyysinen vahvistus useiden aurinkomassojen omaavien reikien olemassaolosta sekä supermassiivisten reikien olemassaolosta galaksien keskuksissa. Nykyään ei ole enää epäilystäkään siitä, että nämä aukot todella ovat olemassa ja että ymmärrämme hyvin niiden muodostumisprosessit.

Valeri Frolov, akateemikko Markovin opiskelija, Albertan yliopiston professori Kanadassa, vastasi samaan kysymykseen:

"Ensinnäkin nimeäisin mustan aukon löydön galaksimme keskellä. Erittäin mielenkiintoisia ovat myös teoreettiset tutkimukset aukoista lisäulottuvuuksissa, joista seuraa mahdollisuus minireikien syntymiseen kiihdyttimen törmäyslaitteiden kokeissa ja kosmisten säteiden vuorovaikutusprosesseissa maanpäällisen aineen kanssa. Stephen Hawking lähetti äskettäin esipainatuksen paperista, joka ehdottaa, että mustan aukon lämpösäteily palauttaa täysin ulkomaailmaan tiedon horisontin alle pudonneiden esineiden tilasta. Aiemmin hän uskoi, että tämä tieto katoaa peruuttamattomasti, mutta nyt hän on tullut päinvastaiseen johtopäätökseen. Silti on korostettava, että tämä ongelma voidaan lopulta ratkaista vain painovoiman kvanttiteorian pohjalta, jota ei ole vielä rakennettu.

Hawkingin työ ansaitsee erillisen kommentin. Kvanttimekaniikan yleisistä periaatteista seuraa, että mikään tieto ei katoa jäljettömästi, paitsi että se siirtyy vähemmän "luettavaan" muotoon. Mustat aukot kuitenkin tuhoavat peruuttamattomasti ainetta ja ilmeisesti käsittelevät tietoa yhtä ankarasti. Vuonna 1976 Hawking julkaisi artikkelin, jossa tämä päätelmä tuki matemaattista laitteistoa. Jotkut teoreetikot olivat hänen kanssaan samaa mieltä, jotkut eivät; erityisesti merkkijonoteoreetikot uskoivat tiedon olevan tuhoutumatonta. Viime kesänä Dublinissa pidetyssä konferenssissa Hawking sanoi, että tiedot säilyvät edelleen ja lähtevät haihtuvan reiän pinnalta lämpösäteilyn mukana. Tässä kokouksessa Hawking esitti vain kaavion uusista laskelmistaan ​​ja lupasi julkaista ne kokonaisuudessaan aikanaan. Ja nyt, kuten Valeri Frolov sanoi, tämä teos on tullut saataville preprintina.

Lopuksi pyysimme professori Frolovia selittämään, miksi hän pitää mustia aukkoja yhtenä ihmisälyn fantastisimmista keksinnöistä.

"Astronomit pitkään aikaan löydettyjä esineitä, joiden ymmärtäminen ei vaatinut olennaisesti uutta fyysisiä ideoita. Tämä ei koske vain planeettoja, tähtiä ja galakseja, vaan myös sellaisia ​​eksoottisia kappaleita kuin valkoiset kääpiöt ja neutronitähdet. Mutta musta aukko on jotain aivan muuta, se on läpimurto tuntemattomaan. Joku sanoi, että hänen sisältänsä - paras paikka mukautuakseen alamaailmaan. Reikien, erityisesti singulaariteettien, tutkiminen yksinkertaisesti pakottaa käyttämään sellaisia ​​epästandardeja käsitteitä ja malleja, joista fysiikassa ei vielä viime aikoihin mennessä käytännössä puhuttu - esimerkiksi kvanttigravitaatiosta ja merkkijonoteoriasta. Tässä syntyy monta ongelmaa, jotka ovat epätavallisia fysiikalle, jopa tuskallisia, mutta, kuten nyt on selvää, ovat täysin todellisia. Siksi reikien tutkiminen vaatii jatkuvasti täysin uusia teoreettisia lähestymistapoja, myös sellaisia, jotka ovat fyysisen maailman tietämyksemme partaalla.