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 kosminen nopeus on nopeus, jonka suhteellisen pieni esine tarvitsee 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 suurta 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 pyörimistä ja ilman varausta on 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 varauksella on 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 lisää 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, jolloin aine kutistuu 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 on tietty raja, jonka ylittäessä fyysinen esine menettää kykynsä palata takaisin rajojen yli ja "putoaa" yksiselitteisesti 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 esiintymisestä 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 hypoteettisesti johtuvat ydinreaktioista suurilla energioilla, kuten törmäyskoneissa. Tällaisten kvanttimustien aukkojen, toisin sanoen "Planckin mustien aukkojen" massa on luokkaa 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 mitat eivät mahdu päähän, kun me puhumme massiivisista esineistä, jotka vetävät puoleensa kaiken ympäriltä. 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 aiheuttaa 22 suuruusluokan muutoksen tiheydessä. Täten mustan aukon, jonka massa on 1 ·10 9 aurinkomassaa, tiheys on 18,5 kg/m³, mikä on yksi 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 massaa luokkaa 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 mustat aukot 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 myös koostuu. Yksinkertaisesti sanottuna: kun tähti romahtaa, sen atomit puristuvat yhteen siten, 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 hajottaa sen todennäköisesti atomeiksi, jotka ennemmin tai myöhemmin saavuttavat singulaarisuuden. Voidaan vain arvailla, miltä ihmisestä tuntuu 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 virtaa hitaammin, mikä tarkoittaa, että itsemurha-astronautin aika kuluu paljon hitaammin kuin maan asukkaiden. Siinä tapauksessa hän ehkä elää pidempään kuin ystävänsä, vaan myös itse maapallon. Laskelmia tarvitaan sen määrittämiseksi, kuinka paljon aika hidastuu astronautille, mutta edellä olevan perusteella voidaan olettaa, että astronautti putoaa mustaan ​​aukkoon hyvin hitaasti eikä välttämättä yksinkertaisesti näe hetkeä, jolloin hänen ruumiinsa alkaa muuttua. .

On huomionarvoista, että ulkopuolisen tarkkailijan kannalta kaikki tapahtumahorisonttiin lentäneet kappaleet jäävät tämän horisontin reunaan, 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 saada kiinni vain infrapuna-alueelta, myöhemmin radiotaajuudesta, ja sen seurauksena säteily on täysin vaikeasti havaittavissa.

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 kuin 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-Thornin madonreiän sekä mustien ja valkoisten reikien 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 mustan aukon rooliehdokas 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 tähtimassan mustaksi aukoksi, 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 tarkkailla, ja koko taivaantutkimuksen aikana tiedemiehet onnistuivat havaitsemaan noin tusina mustaa aukkoa Linnunradan sisällä. Ilman laskelmia, huomaamme, että galaksissamme on noin 100 - 400 miljardia tähteä ja noin joka tuhannes tähti on tarpeeksi massaa mustan aukon muodostamiseksi. On todennäköistä, että miljoonia mustia aukkoja on voinut muodostua Linnunradan olemassaolon aikana. Koska on helpompi rekisteröidä valtavia mustia aukkoja, on loogista olettaa, että suurin osa galaksimme BH:ista ei 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 olemassaolon 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 Hawking-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 kuitenkin "vetää puoleensa" valon fotoneja aika-avaruuden vääristymisen kautta. Jos kuvittelemme avaruudessa olevan mustan aukon eräänlaisena syvennyksenä aika-avaruuden tasaisella pinnalla, 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 ryhmiä, jotka ovat maailmankaikkeuden kirkkaimpia tähtitieteellisiä kohteita. Koska niillä on korkea luminesenssin intensiteetti suhteellisen pienissä koossa, 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 lähettää kuumennetun plasman suihkuja 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 ensimmäistä kertaa Neuvostoliiton teoreettinen fyysikko Vladimir Gribov mainitsi mahdollisen hiukkasten päästön mustan aukon kautta keskustelussaan toisen Neuvostoliiton tiedemiehen Jakov Zeldovitšin kanssa. Hän väitti, että kvanttimekaniikan näkökulmasta musta aukko pystyy lähettämään hiukkasia tunneliefektin 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 ympäröivän maailman 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. Ensimmäisiä mustia aukkoja on laskelmien mukaan voinut syntyä alkuräjähdyksen seurauksena, ja 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 mekanismista mustien aukkojen tuhoamiseksi, Hawkingin säteilyn ominaisuudet aiheuttavat paradoksin kvanttimekaniikan puitteissa. 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 yllä 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".

Nykyään. 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 imeytyy siihen. Ainutlaatuisen prosessin tarkkaileminen tarjoaa loistavat mahdollisuudet uusille löydöille mustien aukkojen piirteistä.

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.

Miten 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-levyyn ja synnyttää 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.

Mustat aukot ovat yksi maailmankaikkeuden hämmästyttävimmistä ja samalla pelottavimmista esineistä. Ne syntyvät sillä hetkellä, kun tähdistä, joilla on valtava massa, loppuvat ydinpolttoaine. Ydinreaktiot pysähtyvät ja tähdet alkavat jäähtyä. Tähden runko supistuu painovoiman vaikutuksesta ja alkaa vähitellen vetää puoleensa pienempiä esineitä muuttuen mustaksi aukoksi.

Ensimmäiset opinnot

Tieteen valovoimat alkoivat tutkia mustia aukkoja ei niin kauan sitten, huolimatta siitä, että niiden olemassaolon peruskäsitteet kehitettiin viime vuosisadalla. J. Wheeler esitteli "mustan aukon" käsitteen vuonna 1967, vaikka päätelmä, että nämä esineet syntyvät väistämättä massiivisten tähtien romahtamisen aikana, tehtiin jo viime vuosisadan 30-luvulla. Kaikki mustan aukon sisällä - asteroidit, valo, sen absorboimat komeetat - lähestyi kerran liian lähelle tämän salaperäisen kohteen rajoja, eikä se onnistunut poistumaan niistä.

Mustan aukon reunat

Ensimmäistä mustan aukon rajoja kutsutaan staattiseksi rajaksi. Tämä on sen alueen raja, jolle putoaminen vieras esine ei voi enää olla levossa ja alkaa pyöriä suhteessa mustaan ​​aukkoon, jotta se ei putoaisi siihen. Toista rajaa kutsutaan tapahtumahorisonttiksi. Kaikki mustan aukon sisällä ylitti kerran sen ulkorajan ja siirtyi kohti singulariteettipistettä. Tiedemiesten mukaan tässä aine virtaa tähän keskipisteeseen, jonka tiheys pyrkii äärettömän arvoon. Ihmiset eivät voi tietää, mitkä fysiikan lait toimivat tämän tiheyden esineiden sisällä, ja siksi on mahdotonta kuvata tämän paikan ominaisuuksia. Sanan kirjaimellisessa merkityksessä se on "musta aukko" (tai kenties "aukko") ihmiskunnan tietämyksessä ympäröivästä maailmasta.

Mustien aukkojen rakenne

Tapahtumahorisontti on mustan aukon vallitsematon raja. Tämän rajan sisällä on vyöhyke, jolta edes esineet, joiden nopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus, eivät pääse poistumaan. Edes valokvantit eivät voi poistua tapahtumahorisontista. Tässä vaiheessa mikään esine ei voi paeta mustasta aukosta. Määritelmän mukaan emme voi tietää, mitä mustan aukon sisällä on - sen syvyyksissä on niin sanottu singulaarisuuspiste, joka muodostuu aineen lopullisen puristumisen seurauksena. Kun esine tulee tapahtumahorisonttiin, siitä lähtien se ei voi enää koskaan murtautua siitä ulos ja tulla havaitsejien näkyväksi. Toisaalta ne, jotka ovat mustien aukkojen sisällä, eivät näe mitään, mitä ulkopuolella tapahtuu.

Tätä mystistä kosmista objektia ympäröivän tapahtumahorisontin koko on aina suoraan verrannollinen itse reiän massaan. Jos sen massa kaksinkertaistuu, myös ulkoraja on kaksi kertaa suurempi. Jos tiedemiehet löytäisivät tavan muuttaa maapallo mustaksi aukoksi, tapahtumahorisontti olisi vain 2 cm leveä.

Pääluokat

Normaalisti keskimääräisten mustien aukkojen massa on suunnilleen yhtä suuri kuin kolme auringon massaa tai enemmän. Kahdesta mustista aukoista erotetaan tähti- ja supermassiiviset aukot. Niiden massa ylittää Auringon massan useita satojatuhansia kertoja. Tähdet muodostuvat suurten taivaankappaleiden kuoleman jälkeen. Tavallisen massan mustia aukkoja ilmestyy suurten tähtien elinkaaren päätyttyä. Molemmilla mustilla aukoilla on erilaisesta alkuperästään huolimatta samanlaiset ominaisuudet. Supermassiiviset mustat aukot sijaitsevat galaksien keskuksissa. Tiedemiehet ehdottavat, että ne muodostuivat galaksien muodostumisen aikana lähellä vierekkäisten tähtien sulautumisen vuoksi. Nämä ovat kuitenkin vain arvauksia, joita ei vahvista faktat.

Mitä mustan aukon sisällä on: olettamuksia

Jotkut matemaatikot uskovat, että näiden salaperäisten universumin esineiden sisällä on niin kutsuttuja madonreikiä - siirtymiä muihin universumeihin. Toisin sanoen singulaarisuuspisteessä sijaitsee aika-avaruustunneli. Tämä konsepti on palvellut monia kirjoittajia ja ohjaajia. Suurin osa tähtitieteilijöistä kuitenkin uskoo, että universumien välillä ei ole tunneleita. Kuitenkin, vaikka ne todella olisivatkin, henkilö ei voi tietää, mitä mustan aukon sisällä on.

On olemassa toinen käsite, jonka mukaan sellaisen tunnelin vastakkaisessa päässä on valkoinen aukko, josta valtava määrä energiaa tulee universumistamme mustien aukkojen kautta toiseen maailmaan. Kuitenkin päällä tämä vaihe tieteen ja teknologian kehittäminen tämänkaltaisessa matkailussa ei tule kysymykseen.

Yhteys suhteellisuusteoriaan

Mustat aukot ovat yksi A. Einsteinin hämmästyttävimmistä ennusteista. Tiedetään, että minkä tahansa planeetan pinnalle muodostuva gravitaatiovoima on kääntäen verrannollinen sen säteen neliöön ja suoraan verrannollinen sen massaan. Tälle taivaankappaleelle voit määritellä toisen kosmisen nopeuden käsitteen, joka on välttämätön tämän gravitaatiovoiman voittamiseksi. Maapallolla se on 11 km/s. Jos taivaankappaleen massa kasvaa ja halkaisija päinvastoin pienenee, toinen kosminen nopeus voi lopulta ylittää valon nopeuden. Ja koska suhteellisuusteorian mukaan mikään esine ei voi liikkua valonnopeutta nopeammin, muodostuu esine, joka ei anna minkään paeta rajojen yli.

Vuonna 1963 tutkijat löysivät kvasaarit - avaruusobjektit, jotka ovat jättimäisiä radiosäteilyn lähteitä. Ne sijaitsevat hyvin kaukana galaksistamme - niiden etäisyys on miljardeja valovuosia Maasta. Kvasaarien äärimmäisen korkean aktiivisuuden selittämiseksi tutkijat ovat ottaneet käyttöön hypoteesin, että mustien aukkojen sisällä on. Tämä näkemys on nykyään yleisesti hyväksytty tieteellisissä piireissä. Viimeisten 50 vuoden aikana tehdyt tutkimukset eivät ole vain vahvistaneet tätä hypoteesia, vaan myös johtaneet tutkijat siihen johtopäätökseen, että jokaisen galaksin keskustassa on mustia aukkoja. Myös galaksimme keskustassa on tällainen kohde, sen massa on 4 miljoonaa auringon massaa. Tätä mustaa aukkoa kutsutaan Jousimies A:ksi, ja koska se on lähinnä meitä, se on tähtitieteilijöiden eniten tutkima.

Hawkingin säteily

Tämäntyyppinen säteily, jonka kuuluisa fyysikko Stephen Hawking löysi, vaikeuttaa suuresti nykyajan tutkijoiden elämää - tämän löydön vuoksi mustien aukkojen teoriassa on ilmennyt monia vaikeuksia. Klassisessa fysiikassa on tyhjiön käsite. Tämä sana tarkoittaa täydellistä tyhjyyttä ja aineen puuttumista. Kvanttifysiikan kehityksen myötä tyhjiön käsite on kuitenkin muuttunut. Tutkijat ovat havainneet, että se on täynnä niin sanottuja virtuaalisia hiukkasia - vahvan kentän vaikutuksesta ne voivat muuttua todellisiksi. Vuonna 1974 Hawking havaitsi, että tällaisia ​​muutoksia voi tapahtua mustan aukon voimakkaassa gravitaatiokentässä - lähellä sen ulkorajaa, tapahtumahorisonttia. Tällainen syntymä on paritettu - hiukkanen ja antihiukkanen ilmestyvät. Yleensä antihiukkanen on tuomittu putoamaan mustaan ​​aukkoon, ja hiukkanen lentää pois. Tämän seurauksena tutkijat havaitsevat jonkin verran säteilyä näiden avaruusobjektien ympärillä. Sitä kutsutaan Hawkingin säteilyksi.

Tämän säteilyn aikana mustan aukon sisällä oleva aine haihtuu hitaasti. Reikä menettää massaa, kun taas säteilyn intensiteetti on kääntäen verrannollinen sen massan neliöön. Hawkingin säteilyn intensiteetti on kosmisten standardien mukaan mitätön. Jos oletetaan, että siellä on reikä, jonka massa on 10 aurinkoa, eikä valo tai aineelliset esineet putoa siihen, silloinkin sen hajoamisaika on hirvittävän pitkä. Tällaisen reiän elinikä ylittää universumimme koko eliniän 65 suuruusluokkaa.

Kysymys tiedon tallentamisesta

Yksi suurimmista ongelmista, jotka ilmenivät Hawkingin säteilyn löytämisen jälkeen, on tiedon menetys. Se liittyy kysymykseen, joka vaikuttaa ensi silmäyksellä hyvin yksinkertaiselta: mitä tapahtuu, kun musta aukko haihtuu kokonaan? Molemmat teoriat - sekä kvanttifysiikka että klassinen - käsittelevät järjestelmän tilan kuvausta. Kun on tietoa järjestelmän alkutilasta, teorian avulla voidaan kuvata, miten se muuttuu.

Samaan aikaan evoluutioprosessissa tiedot alkuperäisestä tilasta eivät katoa - toimii eräänlainen tiedon säilyttämistä koskeva laki. Mutta jos musta aukko haihtuu kokonaan, tarkkailija menettää tiedon siitä fyysisen maailman osasta, joka kerran putosi reikään. Stephen Hawking uskoi, että tiedot järjestelmän alkutilasta palautuvat jollain tavalla, kun musta aukko on haihtunut kokonaan. Mutta vaikeus piilee siinä, että määritelmän mukaan tiedon välittäminen mustasta aukosta on mahdotonta - mikään ei voi poistua tapahtumahorisontista.

Mitä tapahtuu, jos joudut mustaan ​​aukkoon?

Uskotaan, että jos ihminen jollain uskomattomalla tavalla pääsisi mustan aukon pinnalle, se alkaisi välittömästi vetää häntä itseensä. Lopulta henkilö venyisi niin paljon, että hänestä tulisi subatomisten hiukkasten virta, joka liikkuu kohti singulaarisuuspistettä. Tietenkin on mahdotonta todistaa tätä hypoteesia, koska tiedemiehet eivät todennäköisesti koskaan tiedä, mitä mustien aukkojen sisällä tapahtuu. Nyt jotkut fyysikot sanovat, että jos ihminen putoaisi mustaan ​​aukkoon, hänellä olisi klooni. Ensimmäinen hänen versioistaan ​​tuhoutuisi välittömästi Hawking-säteilyn kuumien hiukkasten virran vaikutuksesta, ja toinen kulkisi tapahtumahorisontin läpi ilman mahdollisuutta palata takaisin.

Numero 39

Uudella tähtitieteen videotunnilla professori puhuu siitä, miten mustat aukot muodostuvat ja miksi ne ovat vaarallisia.

Kuinka mustat aukot muodostuvat

Mustiin reikiin ei voi koskea eikä niillä voi kävellä. Mustia aukkoja kutsutaan alueiksi aika-avaruudessa, jotka muodostavat supervoimakkaan vetovoiman. Painovoima taivuttaa tilaa ja aikaa, mikä tarkoittaa, että mustan aukon sisällä ei ole suoria viivoja, avaruus on rypistynyt ja kietoutunut. Jos tähti muodostuu mustan aukon viereen, mustan aukon gravitaatiovoimat repivät tähden osiin ja se katoaa aukon suolistoon. Jos jokin putoaa mustaan ​​aukkoon, se pysyy siellä ikuisesti. Mustan aukon voimakkaan vetovoiman voittamiseksi on tarpeen kehittää nopeus, joka on suurempi kuin valon nopeus, mutta tämä on valitettavasti mahdotonta. Tutkijat eivät tiedä tarkalleen kuinka supermassiiviset mustat aukot muodostuvat, mutta tavallisilla mustilla aukoilla kaikki on enemmän tai vähemmän selvää. Tähden evoluutioprosessissa tapahtuu asteittainen vedyn palaminen, vastaavasti sen määrä vähenee, mikä johtaa siihen, että valon paineen voima alkaa ylittää gravitaatiopuristusvoiman. Tähti kasvaa huomattavasti ja muuttuu punaiseksi jättiläiseksi, joka myöhemmin räjähtää. Räjähdyksen jälkeen alkaa puristus, jonka jälkeen tähti jäähtyy eikä sitä näy suoraan. Mutta jos punaisen jättiläisen jäännöksen massa ylittää auringon massan 2-2,5 kertaa, sen puristus ei voi pysähtyä, koska gravitaatiovoima tukahduttaa puristusvastuksen kokonaan, minkä seurauksena tämä jäännös puristuu tiheäksi. pieni ruumis, ikään kuin itseensä sulkeutunut. Ja juuri tällä painovoiman romahtamisen (puristumisen) hetkellä mustia aukkoja muodostuu. Tuloksena käy ilmi, että massa on keskittynyt niin pienelle alueelle, että edes valon nopeus ei riitä poistumaan sen läheisyydestä. Tästä syystä nimen ensimmäinen osa on musta, koska se pystyy imemään tasaisen valon. Toinen osa - reikä - tarkoittaa, että kaikki, mikä putoaa mustan aukon alueelle, on ikuisesti havainnoinnin ulottumattomissa.

« Musta reikiä » Universumi.

"Musta aukko"

Mitä uutta avaruudessa? Mustat aukot? Ei vain tähtitieteilijät, vaan myös universumin elämästä kiinnostuneet, mukaan lukien uteliaat koululaiset, eivät uskalla tutkia niitä”, sanoi pedagogisten tieteiden tohtori E. Levitan.

Suositussa tieteellisessä kirjallisuudessa, maailmankaikkeutta koskevissa artikkeleissa, voidaan usein kohdata termi "musta aukko". Kun luet tämän lauseen ensimmäistä kertaa, sinulla on heti kuva vaikkapa seinässä olevasta reiästä. Maininta universumien reikistä, liitettiin alun perin myös reikään taivaalla. Joten mikä on musta aukko?

Musta aukko - se on uskomattoman tiheä kosminen objekti, jolla on absoluuttinen painovoima, niin että mikä tahansa kosminen kappale ja jopa itse tila ja aika imeytyy siihen, tämä on eräänlainen kaiken loppupiste.

"Musta aukko" ne muistuttavat vähän avaruudessa toimivaa pölynimuria, mutta toisin kuin pölynimuri, mustat aukot eivät ime kaikkia vaikutusalueellaan olevia esineitä, vaan painovoimansa avulla vain vetävät puoleensa kaiken ympäriltä. Tätä kutsutaan tyhjiövaikutukseksi (ilmanpuute), jota voit tarkkailla kotonasi huoneessasi. Kun pölynimuri käynnistetään huoneen siivouksen aikana, voit tarkkailla kuinka murut, lika ja pienet esineet alkavat liikkua imuria kohti. Mustan aukon imuvoima ei ole yhtä suuri kuin pölynimurin, joten avaruusesineitä ei imetä siihen, vaan ne vain vetäytyvät.

Mitä musta aukko tekee? Mustat aukot hallitsevat koko maailmankaikkeuden kehitystä. Ne ovat keskeisellä paikalla, mutta niitä ei voi nähdä, merkkejä niistä voidaan havaita, vaikka mustilla aukoilla on ominaisuus tuhota, ne myös auttavat rakentamaan galakseja.

Miten musta aukko syntyy? Kun suuren tähden polttoaine loppuu, se ei enää kestä painoaan. Massiivisten vetykerrosten aiheuttama paine saa tähden kutistumaan yhä vähemmän. Lopulta tähdestä tulee atomia pienempi. Kuvittele hetkeksi, että koko tähti murskautuu pisteeksi, joka on pienempi kuin atomi.

Kuinka jokin voi olla pienempi, mutta säilyttää saman määrän massaa? Itse asiassa kaikki on hyvin yksinkertaista. Ota pullon kokoinen sieni, voimme murskata sen helposti käsissämme. Mutta tässä on mielenkiintoinen kohta. Jos teemme jotain pienempää puristamalla sitä, sen painovoima vahvistuu. Kuvittele, jos puristamme tähden atomin kokoiseksi, kuinka voimakkaaksi sen painovoima tulee? Gravity musta Reikä on niin voimakas, että se imee kaiken, jopa liian lähelle tulevan valon. Aivan oikein, edes valo ei pääse pakoon mustasta aukosta.

Mustan aukon rakenne: Mustat aukot koostuvat kolmesta pääosasta.) Mustan aukon ulkokerrosta kutsutaan ulommaksi tapahtumahorisonttiksi. Ulkoisen tapahtumahorisontin sisällä voit silti paeta mustan aukon painovoimaa, koska painovoima ei ole täällä yhtä voimakas. Mustan aukon keskimmäistä kerrosta kutsutaan sisäiseksi tapahtumahorisonttiksi. Mustan aukon keskustaa kutsutaan singulaariseksi. Tämä outo sana tarkoittaa murskattua tähteä. Singularity on paikka, jossa mustan aukon painovoima on voimakkain.

Mitä tapahtuu, jos joudut siihen? Täällä on erittäin mielenkiintoista. Maan tarkkailijalle nähdään, kuinka mustaan ​​aukkoon lentäjä putosi välittömästi siihen ja katosi. Ja se, joka lentää siihen, lähestyy hitaasti, kello kulkee hitaammin ja hitaammin, kaikki hidastuu (tämä tapahtuu, koska musta aukko taivuttaa (loukkaa) tilaa (maailmaa) ympärillään.

Mitä tiedemiehet ajattelevat mustista aukoista? Jotkut tutkijat uskovat, että mustat aukot ovat portteja rinnakkaisiin universumeihin, mikä saattaa hyvinkin olla paikkansa.

Nyt on selvää, että musta aukko on täysin mystinen ilmiö kosmoksessa, josta ihmiskunta ei tiedä käytännössä mitään. Siksi kaikista uusista tiedoista heistä tulee sensaatio. Ja koska mustien aukkojen tutkiminen on lähes mahdotonta avaruudessa, niiden analogit ja luoda malleja.

Maapallon "mustien aukkojen" analogit .

- ruumiit, joiden mittasuhteet ovat niin valtavia, että ihmisen on vaikea toteuttaa niitä. Mutta osoittautuu, että maan päällä on "pienikokoinen" analogi näistä . Ja nämä analogit on hiljattain löydetty Etelä-Atlantin valtamerestä.

Kiinalaisessa laboratoriossa luotiin avaruushirviön analogi - se pystyy imemään valoa.

"Mustat aukot" mahdollistavat uuden sukupolven aurinkoparistojen luomisen, jotka pystyvät sieppaamaan tähden energiaa paljon tehokkaammin kuin nykyiset.

Mustan aukon mallit.

Yhdistämällä maailman johtavien fyysikkojen tietämyksen mustasta aukosta huippuluokan visuaalisiin tehosteisiin Interstellar-elokuva osoitti tieteiskirjallisuuden historian tarkimman mustan aukon mallin. Maailman johtavat tutkijat ovat ehdottaneet Hollywood-scifin käyttöä elokuva "Interstellar" opetusapuna mustissa aukoissa oleville lapsille

Tiedemiehet suorittivat kokeita simuloimalla "kylpyhuoneessa" mustia aukkoja tapahtumahorisonttinsa kanssa.

Aaltoilua virrassa käyttäytyy samalla tavalla kuin valoaallot aika-avaruudessa. Kiven lähellä virtaus muuttuu epätasaiseksi, väreet taipuvat ja aallonpituudet muuttuvat. Sama tapahtuu valon kanssa tähtien ja planeettojen gravitaatiokentissä. Joissakin tapauksissa virtaus on niin nopea, että väreet eivät voi levitä virtaa vastaan, kuten valo, joka ei pääse pakoon mustasta aukosta.

Mitä yhteistä on vesipisaralla, mustalla aukolla ja atomilla? Brittitieteilijöiden ryhmä, jota johtaa prof. muuttui vesipisaraksi, koska pintajännitysvoimia, jotka pitävät sen koskemattomana, voidaan käyttää analogina muissa esineissä, atomista mustaan ​​aukkoon, vaikuttaville voimille.

Toinen mielenkiintoinen "mustan aukon" malli luotiin Novosibirskin planetaario. Yksi hauskimmista peleistä lapsille. On erittäin mielenkiintoista verrata, kuinka nopeasti ja kuinka raskaita ja kevyitä palloja vedetään reikään. Kestää pisimpään, luonnollisesti raskaana.

Kuinka visuaalisesti näyttää ja esittää "musta aukko"?

Miten "musta aukko" voidaan visuaalisesti näyttää ja kuvitella niin, että sen rakennetta on helpompi ymmärtää.

Kuvittele musta aukko vesiputouksena, painovoima vesiputousta kohti virtaavana joena ja valonsäde kajakkina. Vesiputouksen yläpuolella virtaus on heikko, veneessä oleva voi soutaa virtaa vastaan ​​ja päästä ulos. Mutta mitä lähempänä vesiputousta, sitä voimakkaampi virta on ja sitä vaikeampaa on päästä ulos. Vesiputouksen reuna on mustan aukon reuna. Veneessä olevan miehen kaikesta voimasta huolimatta hän kaatuu. Sama pätee avaruudessa.

"Mustan aukon" visuaalista esitystä varten otetaan iso pala tartuntakalvoa, venytetään sitä käsissämme ja laitetaan pieni pallo keskelle niin, että se muodostaa painonsa vuoksi taipuman. Laitetaan muutama tippa vettä arkin päälle ja katsotaan kuinka ne rullaavat kalvoa alaspäin palloon asti. Tämä näyttää kuinka painovoima toimii. Otetaan pallo pois ja kosketetaan kalvoa sormella ja määritetään - mitä enemmän vedät sitä irti (mitä painavampi esine), mitä vahvempi suppilo. Sitten teemme kalvon keskelle reiän, joka edustaa erittäin, hyvin painavaa esinettä. Tämän reiän läpi valuu vesipisaroita. Osoittautuu, että musta aukko on niin painava esine, että se taivuttaa tilaa. Kaikki, mikä siihen mahtuu (kuten pisaroita) ei koskaan palaa."