Pemikiran ilmiah terkadang membangun objek dengan sifat paradoks sedemikian rupa sehingga bahkan ilmuwan paling cerdik pun pada awalnya menolak untuk mengenalinya. Contoh paling jelas dalam sejarah fisika modern adalah kurangnya minat jangka panjang pada lubang hitam, keadaan ekstrim dari medan gravitasi yang diprediksi hampir 90 tahun yang lalu. Untuk waktu yang lama mereka dianggap sebagai abstraksi teoretis murni, dan hanya pada 1960-an dan 70-an mereka percaya pada realitas mereka. Namun, persamaan dasar teori lubang hitam diturunkan lebih dari dua ratus tahun yang lalu.

Wawasan John Michell

Nama John Michell, fisikawan, astronom, dan ahli geologi, profesor di Universitas Cambridge dan pendeta Gereja Inggris, benar-benar hilang di antara bintang-bintang sains Inggris pada abad ke-18. Michell meletakkan dasar seismologi, ilmu gempa bumi, melakukan studi magnetisme yang sangat baik, dan jauh sebelum Coulomb menemukan keseimbangan torsi yang ia gunakan untuk pengukuran gravimetri. Pada 1783, ia mencoba menggabungkan dua kreasi hebat Newton, mekanika dan optik. Newton menganggap cahaya sebagai aliran partikel kecil. Michell menyarankan bahwa sel-sel cahaya, seperti materi biasa, mematuhi hukum mekanika. Konsekuensi dari hipotesis ini ternyata sangat non-sepele - benda langit dapat berubah menjadi perangkap cahaya.

Bagaimana menurut Michel? Sebuah bola meriam yang ditembakkan dari permukaan sebuah planet akan sepenuhnya mengatasi gravitasinya hanya jika kecepatan awalnya melebihi apa yang sekarang disebut kecepatan ruang kedua dan kecepatan lepas. Jika gravitasi planet begitu kuat sehingga kecepatan lepasnya melebihi kecepatan cahaya, sel-sel cahaya yang ditembakkan ke zenit tidak dapat lepas hingga tak terhingga. Hal yang sama akan terjadi dengan cahaya yang dipantulkan. Oleh karena itu, bagi pengamat yang sangat jauh, planet ini tidak akan terlihat. Michell menghitung nilai kritis jari-jari planet seperti itu, Rcr, tergantung pada massanya, M, direduksi menjadi massa Matahari kita, Ms: Rcr = 3 km x M/Ms.

John Michell percaya pada formulanya dan berasumsi bahwa kedalaman ruang menyembunyikan banyak bintang yang tidak dapat dilihat dari Bumi dengan teleskop apa pun. Belakangan, ahli matematika, astronom, dan fisikawan Prancis yang hebat, Pierre Simon Laplace, sampai pada kesimpulan yang sama dan memasukkannya ke dalam edisi pertama (1796) dan edisi kedua (1799) dari bukunya Exposition of the System of the World. Tetapi edisi ketiga diterbitkan pada tahun 1808, ketika sebagian besar fisikawan sudah menganggap cahaya sebagai getaran eter. Keberadaan bintang "tak terlihat" bertentangan dengan teori gelombang cahaya, dan Laplace berpikir lebih baik tidak menyebutkannya. Di masa-masa berikutnya, ide ini dianggap sebagai keingintahuan, hanya layak untuk diekspos dalam karya-karya tentang sejarah fisika.

Model Schwarzschild

Pada November 1915, Albert Einstein menerbitkan sebuah teori gravitasi, yang ia sebut sebagai teori relativitas umum (GR). Karya ini segera menemukan pembaca yang apresiatif dalam pribadi rekannya dari Akademi Ilmu Pengetahuan Berlin Karl Schwarzschild. Schwarzschild-lah yang pertama di dunia yang menerapkan relativitas umum untuk memecahkan masalah astrofisika tertentu, untuk menghitung metrik ruang-waktu di luar dan di dalam benda bulat yang tidak berputar (untuk konkretnya, kami akan menyebutnya bintang).

Dari perhitungan Schwarzschild, gravitasi sebuah bintang tidak terlalu mendistorsi struktur ruang dan waktu Newton hanya jika jari-jarinya jauh lebih besar daripada nilai yang dihitung oleh John Michell! Parameter ini pertama kali disebut jari-jari Schwarzschild, dan sekarang disebut jari-jari gravitasi. Menurut relativitas umum, gravitasi tidak mempengaruhi kecepatan cahaya, tetapi mengurangi frekuensi getaran cahaya dalam proporsi yang sama di mana ia memperlambat waktu. Jika jari-jari bintang 4 kali lebih besar dari jari-jari gravitasi, maka aliran waktu di permukaannya melambat sebesar 15%, dan ruang memperoleh kelengkungan yang nyata. Dengan kelebihan ganda, ia membungkuk lebih banyak, dan waktu memperlambat jalannya hingga 41%. Ketika radius gravitasi tercapai, waktu di permukaan bintang berhenti sama sekali (semua frekuensi dinolkan, radiasi dibekukan, dan bintang padam), tetapi kelengkungan ruang di sana masih terbatas. Jauh dari matahari, geometrinya masih tetap Euclidean, dan waktu tidak mengubah kecepatannya.

Terlepas dari kenyataan bahwa nilai jari-jari gravitasi untuk Michell dan Schwarzschild adalah sama, model itu sendiri tidak memiliki kesamaan. Bagi Michell, ruang dan waktu tidak berubah, tetapi cahaya melambat. Sebuah bintang yang dimensinya lebih kecil dari radius gravitasinya terus bersinar, tetapi hanya terlihat oleh pengamat yang tidak terlalu jauh. Bagi Schwarzschild, kecepatan cahaya adalah mutlak, tetapi struktur ruang dan waktu bergantung pada gravitasi. Sebuah bintang yang telah jatuh di bawah jari-jari gravitasi menghilang untuk pengamat mana pun, di mana pun dia berada (lebih tepatnya, itu dapat dideteksi oleh efek gravitasi, tetapi tidak dengan radiasi).

Dari ketidakpercayaan menjadi pernyataan

Schwarzschild dan orang-orang sezamannya percaya bahwa benda-benda kosmik aneh seperti itu tidak ada di alam. Einstein sendiri tidak hanya menganut sudut pandang ini, tetapi juga secara keliru percaya bahwa ia berhasil membuktikan pendapatnya secara matematis.

Pada 1930-an, seorang astrofisikawan muda India, Chandrasekhar, membuktikan bahwa sebuah bintang yang telah menghabiskan bahan bakar nuklirnya melepaskan cangkangnya dan berubah menjadi katai putih yang mendingin secara perlahan hanya jika massanya kurang dari 1,4 massa matahari. Tak lama kemudian, Fritz Zwicky Amerika menduga bahwa benda-benda neutron yang sangat padat muncul dalam ledakan supernova; Kemudian, Lev Landau sampai pada kesimpulan yang sama. Setelah pekerjaan Chandrasekhar, jelas bahwa hanya bintang dengan massa lebih besar dari 1,4 massa matahari yang dapat mengalami evolusi seperti itu. Oleh karena itu, muncul pertanyaan alami - apakah ada batas massa atas supernova yang ditinggalkan bintang neutron?

Pada akhir 1930-an, calon bapak bom atom Amerika, Robert Oppenheimer, menetapkan bahwa batas seperti itu memang ada dan tidak melebihi beberapa massa matahari. Saat itu tidak mungkin untuk memberikan penilaian yang lebih tepat; sekarang diketahui bahwa massa bintang neutron harus berada dalam kisaran 1,5-3 M s . Tetapi bahkan dari perhitungan perkiraan Oppenheimer dan mahasiswa pascasarjananya George Volkov, diikuti bahwa keturunan supernova yang paling masif tidak menjadi bintang neutron, tetapi masuk ke keadaan lain. Pada tahun 1939, Oppenheimer dan Hartland Snyder membuktikan dalam model ideal bahwa bintang besar yang runtuh berkontraksi dengan radius gravitasinya. Dari formula mereka, pada kenyataannya, bintang tidak berhenti di situ, tetapi rekan penulis menahan diri dari kesimpulan radikal seperti itu.

Jawaban terakhir ditemukan pada paruh kedua abad ke-20 oleh upaya galaksi fisikawan teoretis yang brilian, termasuk yang berasal dari Soviet. Ternyata keruntuhan seperti itu selalu memampatkan bintang "sampai berhenti", benar-benar menghancurkan substansinya. Akibatnya, muncul singularitas, "superkonsentrasi" dari medan gravitasi, tertutup dalam volume yang sangat kecil. Untuk lubang tetap, ini adalah titik, untuk lubang yang berputar, itu adalah cincin. Kelengkungan ruang-waktu dan, akibatnya, gaya gravitasi di dekat singularitas cenderung tak terhingga. Pada akhir tahun 1967, fisikawan Amerika John Archibald Wheeler adalah orang pertama yang menyebut keruntuhan bintang terakhir seperti itu sebagai lubang hitam. Istilah baru itu jatuh cinta pada fisikawan dan jurnalis yang senang yang menyebarkannya ke seluruh dunia (walaupun orang Prancis pada awalnya tidak menyukainya, karena ungkapan trou noir menyarankan asosiasi yang meragukan).

Di sana, di luar cakrawala

Lubang hitam bukanlah materi atau radiasi. Dengan beberapa kiasan, kita dapat mengatakan bahwa ini adalah medan gravitasi mandiri, terkonsentrasi di wilayah ruang-waktu yang sangat melengkung. Batas luarnya ditentukan oleh permukaan tertutup, cakrawala peristiwa. Jika bintang tidak berotasi sebelum runtuh, permukaan ini ternyata menjadi bola biasa, yang jari-jarinya bertepatan dengan jari-jari Schwarzschild.

Arti fisik cakrawala sangat jelas. Sinyal cahaya yang dikirim dari lingkungan luarnya dapat menempuh jarak yang tak terbatas. Tetapi sinyal yang dikirim dari wilayah dalam tidak hanya tidak akan melintasi cakrawala, tetapi juga akan "jatuh" ke dalam singularitas. Cakrawala adalah batas spasial antara peristiwa yang dapat diketahui oleh astronom terestrial (dan lainnya), dan peristiwa yang informasinya tidak akan keluar dalam keadaan apa pun.

Seperti yang seharusnya "menurut Schwarzschild", jauh dari cakrawala, daya tarik lubang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, oleh karena itu, bagi pengamat yang jauh, lubang itu memanifestasikan dirinya sebagai benda berat biasa. Selain massa, lubang mewarisi momen inersia bintang yang runtuh dan muatan listriknya. Dan semua karakteristik lain dari bintang pendahulu (struktur, komposisi, tipe spektral, dll.) terlupakan.

Mari kita mengirim probe ke lubang dengan stasiun radio yang mengirimkan sinyal sekali setiap detik sesuai dengan waktu onboard. Untuk pengamat yang jauh, saat probe mendekati cakrawala, interval waktu antara sinyal akan meningkat - pada prinsipnya, tanpa batas. Begitu kapal melintasi cakrawala yang tak terlihat, itu akan benar-benar sunyi untuk dunia "over-the-hole". Namun, hilangnya ini bukan tanpa jejak, karena probe akan memberi lubang massa, muatan, dan torsinya.

radiasi lubang hitam

Semua model sebelumnya dibangun secara eksklusif berdasarkan relativitas umum. Namun, dunia kita diatur oleh hukum mekanika kuantum, yang tidak mengabaikan lubang hitam. Hukum-hukum ini tidak memungkinkan kita untuk mempertimbangkan singularitas pusat sebagai titik matematika. Dalam konteks kuantum, diameternya diberikan oleh panjang Planck-Wheeler, kira-kira sama dengan 10 -33 sentimeter. Di wilayah ini, ruang biasa tidak ada lagi. Secara umum diterima bahwa pusat lubang diisi dengan berbagai struktur topologi yang muncul dan mati sesuai dengan hukum probabilistik kuantum. Sifat-sifat ruang kuasi yang menggelegak seperti itu, yang disebut Wheeler sebagai busa kuantum, masih kurang dipahami.

Kehadiran singularitas kuantum berhubungan langsung dengan nasib benda-benda material yang jatuh jauh ke dalam lubang hitam. Saat mendekati pusat lubang, benda apa pun yang terbuat dari bahan yang diketahui saat ini akan hancur dan terkoyak oleh gaya pasang surut. Namun, bahkan jika insinyur dan teknolog masa depan membuat beberapa paduan dan komposit super kuat dengan sifat yang belum pernah terdengar saat ini, mereka semua pasti akan menghilang: lagi pula, di zona singularitas tidak ada waktu yang akrab atau ruang yang akrab.

Sekarang mari kita lihat cakrawala lubang melalui lensa mekanika kuantum. Ruang kosong - ruang hampa fisik - sebenarnya sama sekali tidak kosong. Karena fluktuasi kuantum dari berbagai bidang dalam ruang hampa, banyak partikel virtual terus-menerus lahir dan mati. Karena gravitasi di dekat cakrawala sangat kuat, fluktuasinya menciptakan ledakan gravitasi yang sangat kuat. Ketika dipercepat di bidang seperti itu, "virtual" yang baru lahir memperoleh energi tambahan dan terkadang menjadi partikel normal yang berumur panjang.

Partikel maya selalu lahir berpasangan yang bergerak berlawanan arah (ini disyaratkan oleh hukum kekekalan momentum). Jika fluktuasi gravitasi mengekstraksi sepasang partikel dari ruang hampa, dapat terjadi bahwa salah satu dari mereka muncul di luar cakrawala, dan yang kedua (antipartikel dari yang pertama) di dalam. Partikel "internal" akan jatuh ke dalam lubang, tetapi partikel "eksternal" dapat lolos dalam kondisi yang menguntungkan. Akibatnya, lubang berubah menjadi sumber radiasi dan karena itu kehilangan energi dan, akibatnya, massa. Oleh karena itu, lubang hitam pada dasarnya tidak stabil.

Fenomena ini disebut efek Hawking, diambil dari nama fisikawan teoretis Inggris yang luar biasa yang menemukannya pada pertengahan 1970-an. Stephen Hawking, khususnya, membuktikan bahwa cakrawala lubang hitam memancarkan foton dengan cara yang persis sama seperti benda hitam mutlak yang dipanaskan hingga suhu T = 0,5 x 10 -7 x M s /M. Oleh karena itu, ketika lubang menjadi lebih tipis, suhunya meningkat, dan "penguapan", tentu saja, meningkat. Proses ini sangat lambat, dan masa hidup lubang bermassa M adalah sekitar 10 65 x (M/M s) 3 tahun. Ketika ukurannya menjadi sama dengan panjang Planck-Wheeler, lubang kehilangan stabilitas dan meledak, melepaskan energi yang sama dengan ledakan simultan satu juta bom hidrogen sepuluh megaton. Anehnya, massa lubang pada saat menghilang masih cukup besar, 22 mikrogram. Menurut beberapa model, lubang itu tidak hilang tanpa jejak, tetapi meninggalkan peninggalan yang stabil dengan massa yang sama, yang disebut maximon.

Maximon lahir 40 tahun yang lalu - sebagai istilah dan ide fisik. Pada tahun 1965, Akademisi M. A. Markov menyarankan bahwa ada batas atas pada massa partikel elementer. Dia menyarankan bahwa nilai batas ini dianggap sebagai dimensi massa, yang dapat digabungkan dari tiga konstanta fisik dasar - konstanta Planck h, kecepatan cahaya C, dan konstanta gravitasi G (untuk pecinta detail: untuk melakukan ini, Anda perlu kalikan h dan C, bagi hasilnya dengan G dan ekstrak akar kuadratnya). Ini adalah 22 mikrogram yang sama yang disebutkan dalam artikel, nilai ini disebut massa Planck. Dari konstanta yang sama dimungkinkan untuk membangun nilai dengan dimensi panjang (panjang Planck-Wheeler akan keluar, 10 -33 cm) dan dengan dimensi waktu (10 -43 detik).
Markov melangkah lebih jauh dalam alasannya. Menurut hipotesisnya, penguapan lubang hitam mengarah pada pembentukan "residu kering" - sebuah pepatah. Markov menyebut struktur seperti itu sebagai lubang hitam dasar. Sejauh mana teori ini sesuai dengan kenyataan masih menjadi pertanyaan terbuka. Bagaimanapun, analog dari maksimon Markov telah dihidupkan kembali dalam beberapa model lubang hitam berdasarkan teori superstring.

Kedalaman ruang

Lubang hitam tidak dilarang oleh hukum fisika, tetapi apakah mereka ada di alam? Bukti yang benar-benar kuat tentang keberadaan setidaknya satu objek semacam itu di ruang angkasa belum ditemukan. Namun, sangat mungkin bahwa dalam beberapa sistem biner, sumber sinar-X adalah lubang hitam yang berasal dari bintang. Radiasi ini seharusnya muncul sebagai akibat dari hisapan atmosfer bintang biasa oleh medan gravitasi lubang tetangga. Gas selama pergerakannya ke horizon peristiwa dipanaskan dengan kuat dan memancarkan kuanta sinar-X. Setidaknya dua lusin sumber sinar-X sekarang dianggap sebagai kandidat yang cocok untuk peran lubang hitam. Selain itu, statistik bintang menunjukkan bahwa ada sekitar sepuluh juta lubang asal bintang di Galaksi kita saja.

Lubang hitam juga dapat terbentuk dalam proses kondensasi gravitasi materi di inti galaksi. Ini adalah bagaimana lubang raksasa dengan massa jutaan dan miliaran massa matahari muncul, yang kemungkinan besar ditemukan di banyak galaksi. Ternyata, di pusat Bima Sakti yang diselimuti awan debu, terdapat lubang bermassa 3-4 juta kali massa matahari.

Stephen Hawking sampai pada kesimpulan bahwa lubang hitam dengan massa sewenang-wenang dapat lahir segera setelah Big Bang, yang memunculkan Semesta kita. Lubang utama dengan berat hingga satu miliar ton telah menguap, tetapi yang lebih berat masih dapat bersembunyi di kedalaman ruang dan, pada waktunya, membuat kembang api kosmik dalam bentuk kilatan kuat radiasi gamma. Namun, ledakan seperti itu belum pernah diamati sejauh ini.

pabrik lubang hitam

Apakah mungkin untuk mempercepat partikel dalam akselerator ke energi yang begitu tinggi sehingga tabrakan mereka akan menimbulkan lubang hitam? Sekilas, ide ini benar-benar gila - ledakan lubang akan menghancurkan semua kehidupan di Bumi. Selain itu, secara teknis tidak layak. Jika massa minimum sebuah lubang memang 22 mikrogram, maka dalam satuan energi adalah 10 28 elektron volt. Ambang batas ini 15 kali lipat lebih tinggi dari kapasitas akselerator paling kuat di dunia, Large Hadron Collider (LHC), yang akan diluncurkan di CERN pada tahun 2007.

Namun, ada kemungkinan bahwa perkiraan standar massa minimum lubang terlalu tinggi secara signifikan. Bagaimanapun, inilah yang dikatakan oleh fisikawan yang mengembangkan teori superstring, yang mencakup teori gravitasi kuantum (walaupun jauh dari sempurna). Menurut teori ini, ruang memiliki tidak kurang dari tiga dimensi, tetapi setidaknya sembilan. Kami tidak melihat dimensi tambahan, karena mereka dilingkarkan dalam skala kecil sehingga instrumen kami tidak melihatnya. Namun, gravitasi ada di mana-mana, ia menembus ke dalam dimensi tersembunyi. Dalam tiga dimensi, gaya gravitasi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, dan dalam sembilan dimensi itu adalah kekuatan kedelapan. Oleh karena itu, di dunia multidimensi, intensitas medan gravitasi meningkat jauh lebih cepat dengan penurunan jarak daripada di dunia tiga dimensi. Dalam hal ini, panjang Planck meningkat berkali-kali, dan massa minimum lubang turun tajam.

Teori string memprediksikan bahwa lubang hitam dengan massa hanya 10 -20 g dapat lahir di ruang sembilan dimensi.Massa relativistik yang dihitung dari proton yang dipercepat dalam superakselerator zern kira-kira sama. Menurut skenario paling optimis, ia akan mampu menghasilkan satu lubang setiap detik, yang akan hidup selama sekitar 10 -26 detik. Dalam proses penguapannya, semua jenis partikel elementer akan lahir, yang akan mudah dicatat. Hilangnya lubang akan menyebabkan pelepasan energi, yang bahkan tidak cukup untuk memanaskan satu mikrogram air per seperseribu derajat. Oleh karena itu, ada harapan bahwa LHC akan berubah menjadi pabrik lubang hitam yang tidak berbahaya. Jika model ini benar, maka detektor sinar kosmik orbital generasi baru juga akan dapat mendeteksi lubang seperti itu.

Semua hal di atas berlaku untuk lubang hitam stasioner. Sementara itu, ada lubang berputar yang memiliki banyak sifat menarik. Hasil analisis teoretis radiasi lubang hitam juga mengarah pada pemikiran ulang yang serius tentang konsep entropi, yang juga perlu didiskusikan secara terpisah. Lebih lanjut tentang itu di edisi berikutnya.

Hipotesis keberadaan lubang hitam pertama kali dikemukakan oleh astronom Inggris J. Michell pada tahun 1783 berdasarkan teori sel cahaya dan teori gravitasi Newton. Pada saat itu, teori gelombang Huygens dan prinsip gelombangnya yang terkenal dilupakan begitu saja. Teori gelombang tidak terbantu oleh dukungan dari beberapa ilmuwan terhormat, khususnya, akademisi St. Petersburg yang terkenal M.V. Lomonosov dan L. Euler. Logika penalaran yang membawa Michell ke konsep lubang hitam sangat sederhana: jika cahaya terdiri dari partikel-sel darah dari luminiferous ether, maka partikel-partikel ini, seperti benda-benda lain, harus mengalami tarikan dari medan gravitasi. Akibatnya, semakin besar bintang (atau planet), semakin besar daya tarik dari sisinya ke sel darah dan semakin sulit bagi cahaya untuk meninggalkan permukaan benda tersebut.

Logika lebih lanjut menunjukkan bahwa bintang masif seperti itu dapat eksis di alam, daya tarik yang sel-selnya tidak dapat lagi diatasi, dan mereka akan selalu tampak hitam bagi pengamat eksternal, meskipun mereka sendiri dapat bersinar dengan kecemerlangan yang menyilaukan, seperti Matahari. Secara fisik, ini berarti bahwa kecepatan kosmik kedua di permukaan bintang semacam itu harus tidak kurang dari kecepatan cahaya. Perhitungan Michell menunjukkan bahwa cahaya tidak akan pernah meninggalkan bintang jika jari-jarinya pada kerapatan matahari rata-rata adalah 500 matahari. Bintang seperti itu sudah bisa disebut lubang hitam.

Setelah 13 tahun, matematikawan dan astronom Prancis P.S. Laplace menyatakan, kemungkinan besar, secara independen dari Michell, hipotesis serupa tentang keberadaan benda-benda eksotis semacam itu. Menggunakan metode perhitungan yang rumit, Laplace menemukan jari-jari bola untuk kepadatan tertentu, di permukaan yang kecepatan parabolanya sama dengan kecepatan cahaya. Menurut Laplace, sel-sel cahaya, sebagai partikel gravitasi, harus ditunda oleh bintang-bintang masif yang memancarkan cahaya, yang memiliki kerapatan sama dengan Bumi, dan radius 250 kali lebih besar dari Matahari.

Teori Laplace ini dimasukkan hanya dalam dua edisi pertama seumur hidup dari bukunya yang terkenal "Exposition of the System of the World", yang diterbitkan pada tahun 1796 dan 1799. Ya, mungkin bahkan astronom Austria F.K. von Zach menjadi tertarik pada teori Laplace, menerbitkannya pada tahun 1798 dengan judul "Bukti teorema bahwa gaya tarik-menarik suatu benda berat bisa begitu besar sehingga cahaya tidak dapat mengalir keluar darinya."

Pada titik ini, sejarah studi lubang hitam berhenti selama lebih dari 100 tahun. Tampaknya Laplace sendiri secara diam-diam meninggalkan hipotesis yang begitu boros, karena ia mengecualikannya dari semua edisi bukunya yang lain, yang muncul pada tahun 1808, 1813, dan 1824. Mungkin Laplace tidak ingin meniru hipotesis yang hampir fantastis tentang bintang kolosal yang tidak memancarkan cahaya lagi. Mungkin dia dihentikan oleh data astronomi baru tentang ketidakvariasian besarnya penyimpangan cahaya di bintang yang berbeda, yang bertentangan dengan beberapa kesimpulan teorinya, yang menjadi dasar perhitungannya. Tetapi alasan yang paling mungkin mengapa semua orang lupa tentang objek hipotetis misterius Michell-Laplace adalah kemenangan teori gelombang cahaya, prosesi kemenangan yang dimulai dari tahun-tahun pertama abad ke-19.

Awal dari kemenangan ini diletakkan oleh kuliah Booker dari fisikawan Inggris T. Jung "Teori Cahaya dan Warna", diterbitkan pada tahun 1801, di mana Jung dengan berani, bertentangan dengan Newton dan pendukung terkenal lainnya dari teori sel (termasuk Laplace) , menguraikan esensi teori gelombang cahaya, mengatakan bahwa cahaya yang dipancarkan terdiri dari gerakan seperti gelombang dari eter bercahaya. Terinspirasi oleh penemuan polarisasi cahaya, Laplace mulai "menyelamatkan" sel darah dengan membangun teori pembiasan ganda cahaya dalam kristal berdasarkan aksi ganda molekul kristal pada sel darah. Tetapi karya fisikawan selanjutnya O.Zh. Fresnel, F.D. Aragon, J. Fraunhofer dan lain-lain tidak meninggalkan batu unturned dari teori sel darah, yang secara serius diingat hanya satu abad kemudian, setelah penemuan kuanta. Semua penalaran tentang lubang hitam dalam kerangka teori gelombang cahaya pada waktu itu tampak konyol.

Lubang hitam tidak segera diingat setelah "rehabilitasi" teori sel cahaya, ketika mereka mulai membicarakannya pada tingkat kualitatif baru berkat hipotesis kuanta (1900) dan foton (1905). Lubang hitam ditemukan kembali untuk kedua kalinya hanya setelah penciptaan relativitas umum pada tahun 1916, ketika fisikawan teoretis dan astronom Jerman K. Schwarzschild, beberapa bulan setelah publikasi persamaan Einstein, menggunakannya untuk menyelidiki struktur ruang-waktu melengkung. di sekitar Matahari. Akibatnya, ia menemukan kembali fenomena lubang hitam, tetapi pada tingkat yang lebih dalam.

Penemuan teoritis terakhir dari lubang hitam terjadi pada tahun 1939, ketika Oppenheimer dan Snyder melakukan solusi eksplisit pertama dari persamaan Einstein dalam menggambarkan pembentukan lubang hitam dari awan debu yang runtuh. Istilah "lubang hitam" sendiri pertama kali diperkenalkan ke dalam sains oleh fisikawan Amerika J. Wheeler pada tahun 1968, selama tahun-tahun kebangkitan minat relativitas umum, kosmologi dan astrofisika, yang disebabkan oleh pencapaian ekstra-atmosfer (khususnya , x-ray) astronomi, penemuan radiasi latar gelombang mikro kosmik, pulsar dan quasar.

Karena peningkatan minat yang relatif baru untuk membuat film sains populer tentang eksplorasi ruang angkasa, penonton modern telah mendengar banyak tentang fenomena seperti singularitas, atau lubang hitam. Namun, film jelas tidak mengungkapkan sifat penuh dari fenomena ini, dan kadang-kadang bahkan mendistorsi teori-teori ilmiah yang dibangun untuk efek yang lebih besar. Karena alasan ini, gagasan banyak orang modern tentang fenomena ini sepenuhnya dangkal atau sepenuhnya salah. Salah satu solusi dari masalah yang muncul adalah artikel ini, di mana kami akan mencoba memahami hasil penelitian yang ada dan menjawab pertanyaan - apa itu lubang hitam?

Pada tahun 1784, pendeta Inggris dan naturalis John Michell pertama kali menyebutkan dalam sebuah surat kepada Royal Society sebuah benda masif hipotetis yang memiliki daya tarik gravitasi yang kuat sehingga kecepatan kosmik kedua untuk itu akan melebihi kecepatan cahaya. Kecepatan lepas kedua adalah kecepatan yang dibutuhkan benda yang relatif kecil untuk mengatasi tarikan gravitasi benda langit dan meninggalkan orbit tertutup di sekitar benda itu. Menurut perhitungannya, sebuah benda dengan kerapatan Matahari dan dengan radius 500 jari-jari matahari di permukaannya akan memiliki kecepatan kosmik kedua yang sama dengan kecepatan cahaya. Dalam hal ini, bahkan cahaya tidak akan meninggalkan permukaan benda seperti itu, dan oleh karena itu benda ini hanya akan menyerap cahaya yang masuk dan tetap tidak terlihat oleh pengamat - semacam bintik hitam dengan latar belakang ruang gelap.

Namun, konsep benda supermasif yang diusulkan oleh Michell tidak menarik banyak minat sampai karya Einstein. Ingatlah bahwa yang terakhir mendefinisikan kecepatan cahaya sebagai kecepatan yang membatasi transfer informasi. Selain itu, Einstein memperluas teori gravitasi untuk kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya (). Akibatnya, tidak lagi relevan untuk menerapkan teori Newton pada lubang hitam.

persamaan Einstein

Sebagai hasil dari penerapan relativitas umum pada lubang hitam dan penyelesaian persamaan Einstein, parameter utama lubang hitam terungkap, yang hanya ada tiga: massa, muatan listrik, dan momentum sudut. Perlu dicatat kontribusi signifikan dari astrofisikawan India Subramanyan Chandrasekhar, yang menciptakan monografi fundamental: "Teori Matematika Lubang Hitam".

Dengan demikian, solusi persamaan Einstein diwakili oleh empat opsi untuk empat kemungkinan jenis lubang hitam:

• Lubang hitam tanpa rotasi dan tanpa muatan - solusi Schwarzschild. Salah satu deskripsi pertama lubang hitam (1916) menggunakan persamaan Einstein, tetapi tanpa memperhitungkan dua dari tiga parameter benda. Solusi dari fisikawan Jerman Karl Schwarzschild memungkinkan Anda menghitung medan gravitasi eksternal dari benda masif berbentuk bola. Fitur dari konsep lubang hitam ilmuwan Jerman adalah adanya cakrawala peristiwa dan cakrawala di belakangnya. Schwarzschild juga pertama kali menghitung jari-jari gravitasi, yang menerima namanya, yang menentukan jari-jari bola di mana cakrawala peristiwa akan ditempatkan untuk benda dengan massa tertentu.
• Lubang hitam tanpa rotasi dengan muatan - solusi Reisner-Nordström. Sebuah solusi diajukan pada tahun 1916-1918, dengan mempertimbangkan kemungkinan muatan listrik lubang hitam. Muatan ini tidak bisa sembarangan besar dan terbatas karena tolakan listrik yang dihasilkan. Yang terakhir ini harus dikompensasi oleh tarikan gravitasi.
• Sebuah lubang hitam dengan rotasi dan tanpa muatan - solusi Kerr (1963). Lubang hitam Kerr yang berputar berbeda dari lubang hitam statis dengan adanya apa yang disebut ergosphere (baca lebih lanjut tentang ini dan komponen lubang hitam lainnya).
• BH dengan rotasi dan muatan - solusi Kerr-Newman. Solusi ini dihitung pada tahun 1965 dan saat ini yang paling lengkap, karena memperhitungkan ketiga parameter BH. Namun, masih diasumsikan bahwa lubang hitam di alam memiliki muatan yang tidak signifikan.

Pembentukan lubang hitam

Ada beberapa teori tentang bagaimana lubang hitam terbentuk dan muncul, yang paling terkenal adalah munculnya bintang dengan massa yang cukup sebagai akibat dari keruntuhan gravitasi. Kompresi semacam itu dapat mengakhiri evolusi bintang dengan massa lebih dari tiga massa matahari. Setelah selesainya reaksi termonuklir di dalam bintang seperti itu, mereka mulai menyusut dengan cepat menjadi superdense. Jika tekanan gas bintang neutron tidak dapat mengimbangi gaya gravitasi, yaitu, massa bintang mengatasi apa yang disebut. Oppenheimer-Volkov membatasi, kemudian keruntuhan berlanjut, akibatnya materi dikompresi menjadi lubang hitam.

Skenario kedua yang menggambarkan lahirnya lubang hitam adalah kompresi gas protogalaksi, yaitu gas antarbintang yang sedang dalam tahap transformasi menjadi galaksi atau semacam gugusan. Dalam kasus tekanan internal yang tidak cukup untuk mengkompensasi gaya gravitasi yang sama, lubang hitam dapat muncul.

Dua skenario lain tetap hipotetis:

• Terjadinya lubang hitam sebagai akibatnya - yang disebut. lubang hitam purba.
• Terjadi sebagai akibat dari reaksi nuklir pada energi tinggi. Contoh dari reaksi tersebut adalah percobaan pada penumbuk.

Struktur dan fisika lubang hitam

Struktur lubang hitam menurut Schwarzschild hanya mencakup dua elemen yang disebutkan sebelumnya: singularitas dan cakrawala peristiwa lubang hitam. Berbicara secara singkat tentang singularitas, dapat dicatat bahwa tidak mungkin untuk menarik garis lurus melaluinya, dan juga bahwa sebagian besar teori fisika yang ada tidak bekerja di dalamnya. Dengan demikian, fisika singularitas tetap menjadi misteri bagi para ilmuwan saat ini. lubang hitam - ini adalah semacam perbatasan, persimpangan yang, objek fisik kehilangan kemampuan untuk kembali di luarnya dan dengan tegas "jatuh" ke dalam singularitas lubang hitam.

Struktur lubang hitam menjadi agak lebih rumit dalam kasus solusi Kerr, yaitu dengan adanya rotasi BH. Solusi Kerr menyiratkan bahwa lubang tersebut memiliki ergosfer. Ergosfer - area tertentu yang terletak di luar cakrawala peristiwa, di dalamnya semua benda bergerak ke arah rotasi lubang hitam. Area ini belum seru dan masih memungkinkan untuk ditinggalkan, tidak seperti event horizon. Ergosphere mungkin semacam analog dari piringan akresi, yang mewakili zat yang berputar di sekitar benda masif. Jika lubang hitam Schwarzschild statis direpresentasikan sebagai bola hitam, maka lubang hitam Kerry, karena adanya ergosphere, memiliki bentuk ellipsoid oblate, dalam bentuk yang sering kita lihat lubang hitam dalam gambar, di masa lalu. film atau video game.

• Berapa berat lubang hitam? - Materi teoretis terbesar tentang kemunculan lubang hitam tersedia untuk skenario kemunculannya sebagai akibat dari runtuhnya sebuah bintang. Dalam hal ini, massa maksimum bintang neutron dan massa minimum lubang hitam ditentukan oleh batas Oppenheimer-Volkov, yang menurutnya batas bawah massa BH adalah 2,5 - 3 massa matahari. Lubang hitam terberat yang pernah ditemukan (di galaksi NGC 4889) memiliki massa 21 miliar massa matahari. Namun, kita tidak boleh melupakan lubang hitam, yang secara hipotetis dihasilkan dari reaksi nuklir pada energi tinggi, seperti yang terjadi pada penumbuk. Massa lubang hitam kuantum tersebut, dengan kata lain "Lubang hitam Planck" berorde , yaitu 2 10 5 g.
• Ukuran lubang hitam. Jari-jari BH minimum dapat dihitung dari massa minimum (2,5 - 3 massa matahari). Jika jari-jari gravitasi Matahari, yaitu daerah di mana cakrawala peristiwa akan berada, adalah sekitar 2,95 km, maka jari-jari minimum BH dari 3 massa matahari akan menjadi sekitar sembilan kilometer. Ukuran yang relatif kecil seperti itu tidak muat di kepala ketika datang ke benda-benda besar yang menarik segala sesuatu di sekitarnya. Namun, untuk lubang hitam kuantum, jari-jarinya adalah -10 35 m.
• Kepadatan rata-rata lubang hitam tergantung pada dua parameter: massa dan jari-jari. Massa jenis lubang hitam dengan massa sekitar tiga massa matahari adalah sekitar 6 10 26 kg/m³, sedangkan massa jenis air adalah 1000 kg/m³. Namun, lubang hitam kecil seperti itu belum ditemukan oleh para ilmuwan. Sebagian besar BH yang terdeteksi memiliki massa lebih besar dari 105 massa matahari. Ada pola menarik yang menurutnya semakin masif lubang hitam, semakin rendah kepadatannya. Dalam hal ini, perubahan massa sebesar 11 orde besarnya memerlukan perubahan kerapatan sebesar 22 orde besarnya. Dengan demikian, sebuah lubang hitam dengan massa 1 ·109 massa matahari memiliki kerapatan 18,5 kg/m³, yang merupakan satu kurang dari kerapatan emas. Dan lubang hitam dengan massa lebih dari 10 10 massa matahari dapat memiliki kerapatan rata-rata lebih kecil dari kerapatan udara. Berdasarkan perhitungan ini, masuk akal untuk berasumsi bahwa pembentukan lubang hitam terjadi bukan karena kompresi materi, tetapi sebagai hasil dari akumulasi sejumlah besar materi dalam volume tertentu. Dalam kasus lubang hitam kuantum, kerapatannya bisa sekitar 10 94 kg/m³.
• Suhu lubang hitam juga berbanding terbalik dengan massanya. Suhu ini berhubungan langsung dengan . Spektrum radiasi ini bertepatan dengan spektrum benda yang benar-benar hitam, yaitu benda yang menyerap semua radiasi yang datang. Spektrum radiasi benda hitam hanya bergantung pada suhunya, kemudian suhu lubang hitam dapat ditentukan dari spektrum radiasi Hawking. Seperti disebutkan di atas, radiasi ini semakin kuat, semakin kecil lubang hitamnya. Pada saat yang sama, radiasi Hawking tetap hipotetis, karena belum diamati oleh para astronom. Dari sini dapat disimpulkan bahwa jika radiasi Hawking ada, maka suhu BH yang diamati sangat rendah sehingga tidak memungkinkan seseorang untuk mendeteksi radiasi yang ditunjukkan. Menurut perhitungan, bahkan suhu lubang dengan massa yang sama dengan massa Matahari sangat kecil (1 ·10 -7 K atau -272°C). Suhu lubang hitam kuantum dapat mencapai sekitar 10 12 K, dan dengan penguapannya yang cepat (sekitar 1,5 menit), BH semacam itu dapat memancarkan energi sebanyak sepuluh juta bom atom. Tapi, untungnya, penciptaan benda hipotetis semacam itu akan membutuhkan energi 10 14 kali lebih besar dari yang dicapai hari ini di Large Hadron Collider. Selain itu, fenomena seperti itu belum pernah diamati oleh para astronom.

Terbuat dari apakah PJK?

Pertanyaan lain mengkhawatirkan para ilmuwan dan mereka yang hanya menyukai astrofisika - apa yang terdiri dari lubang hitam? Tidak ada jawaban tunggal untuk pertanyaan ini, karena tidak mungkin untuk melihat melampaui cakrawala peristiwa yang mengelilingi lubang hitam mana pun. Selain itu, seperti yang disebutkan sebelumnya, model teoritis lubang hitam hanya menyediakan 3 komponennya: ergosfer, cakrawala peristiwa, dan singularitas. Adalah logis untuk berasumsi bahwa di ergosfer hanya ada objek-objek yang tertarik oleh lubang hitam, dan yang sekarang berputar di sekitarnya - berbagai jenis benda kosmik dan gas kosmik. Cakrawala peristiwa hanyalah batas implisit tipis, setelah melampauinya, benda-benda kosmik yang sama tertarik secara tak dapat ditarik kembali ke komponen utama terakhir dari lubang hitam - singularitas. Sifat singularitas belum dipelajari hari ini, dan terlalu dini untuk membicarakan komposisinya.

Menurut beberapa asumsi, lubang hitam mungkin terdiri dari neutron. Jika kita mengikuti skenario terjadinya lubang hitam sebagai akibat dari kompresi bintang ke bintang neutron dengan kompresi berikutnya, maka, mungkin, bagian utama lubang hitam terdiri dari neutron, di mana bintang neutron sendiri terdiri. Dengan kata sederhana: ketika sebuah bintang runtuh, atom-atomnya dikompresi sedemikian rupa sehingga elektron bergabung dengan proton, sehingga membentuk neutron. Reaksi seperti itu memang terjadi di alam, dengan terbentuknya neutron maka terjadi emisi neutrino. Namun, ini hanya tebakan.

Apa yang terjadi jika Anda jatuh ke dalam lubang hitam?

Jatuh ke dalam lubang hitam astrofisika menyebabkan peregangan tubuh. Pertimbangkan astronot bunuh diri hipotetis menuju ke lubang hitam tidak mengenakan apa-apa selain pakaian luar angkasa, kaki lebih dulu. Melintasi cakrawala peristiwa, astronot tidak akan melihat perubahan apa pun, terlepas dari kenyataan bahwa ia tidak lagi memiliki kesempatan untuk kembali. Pada titik tertentu, astronot akan mencapai titik (sedikit di belakang cakrawala peristiwa) di mana deformasi tubuhnya akan mulai terjadi. Karena medan gravitasi lubang hitam tidak seragam dan diwakili oleh gradien gaya yang meningkat ke arah pusat, kaki astronot akan mengalami efek gravitasi yang jauh lebih besar daripada, misalnya, kepala. Kemudian, karena gravitasi, atau lebih tepatnya, gaya pasang surut, kaki akan "jatuh" lebih cepat. Dengan demikian, tubuh mulai secara bertahap meregang panjang. Untuk menggambarkan fenomena ini, astrofisikawan telah menemukan istilah yang agak kreatif - spaghettification. Peregangan lebih lanjut dari tubuh mungkin akan menguraikannya menjadi atom, yang cepat atau lambat akan mencapai singularitas. Orang hanya bisa menebak apa yang akan dirasakan seseorang dalam situasi ini. Perlu dicatat bahwa efek peregangan tubuh berbanding terbalik dengan massa lubang hitam. Artinya, jika BH dengan massa tiga Matahari secara instan meregangkan/mematahkan tubuh, maka lubang hitam supermasif akan memiliki gaya pasang surut yang lebih rendah dan, ada saran bahwa beberapa material fisik dapat "menoleransi" deformasi semacam itu tanpa kehilangan strukturnya.

Seperti yang Anda ketahui, di dekat benda-benda besar, waktu mengalir lebih lambat, yang berarti bahwa waktu untuk astronot bunuh diri akan mengalir jauh lebih lambat daripada penduduk bumi. Dalam hal ini, mungkin dia tidak hanya akan hidup lebih lama dari teman-temannya, tetapi juga Bumi itu sendiri. Perhitungan akan diperlukan untuk menentukan berapa lama waktu akan melambat bagi seorang astronot, namun, dari penjelasan di atas, dapat diasumsikan bahwa astronot akan jatuh ke dalam lubang hitam dengan sangat lambat dan mungkin tidak akan hidup untuk melihat saat tubuhnya mulai bergerak. untuk berubah bentuk.

Patut dicatat bahwa bagi pengamat di luar, semua benda yang telah terbang ke cakrawala peristiwa akan tetap berada di tepi cakrawala ini sampai bayangannya menghilang. Alasan untuk fenomena ini adalah pergeseran merah gravitasi. Sederhananya, kita dapat mengatakan bahwa cahaya yang jatuh pada tubuh astronot bunuh diri "membeku" di cakrawala peristiwa akan mengubah frekuensinya karena waktu yang diperlambat. Semakin lama waktu berlalu, frekuensi cahaya akan berkurang dan panjang gelombang akan meningkat. Sebagai hasil dari fenomena ini, pada output, yaitu, untuk pengamat eksternal, cahaya akan secara bertahap bergeser ke frekuensi rendah - merah. Pergeseran cahaya di sepanjang spektrum akan terjadi, saat astronot bunuh diri bergerak semakin jauh dari pengamat, meskipun hampir tidak terlihat, dan waktunya mengalir semakin lambat. Dengan demikian, cahaya yang dipantulkan oleh tubuhnya akan segera melampaui spektrum yang terlihat (gambar akan hilang), dan di masa depan tubuh astronot hanya dapat dideteksi di wilayah inframerah, kemudian di wilayah frekuensi radio, dan sebagai hasilnya, radiasi akan benar-benar sulit dipahami.

Terlepas dari apa yang telah ditulis di atas, diasumsikan bahwa dalam lubang hitam supermasif yang sangat besar, gaya pasang surut tidak banyak berubah dengan jarak dan bekerja hampir seragam pada benda yang jatuh. Dalam kasus seperti itu, pesawat ruang angkasa yang jatuh akan mempertahankan strukturnya. Muncul pertanyaan yang masuk akal - ke mana arah lubang hitam? Pertanyaan ini dapat dijawab oleh karya beberapa ilmuwan, yang menghubungkan dua fenomena seperti lubang cacing dan lubang hitam.

Kembali pada tahun 1935, Albert Einstein dan Nathan Rosen, dengan mempertimbangkan, mengajukan hipotesis tentang keberadaan apa yang disebut lubang cacing, menghubungkan dua titik ruang-waktu dengan cara di tempat-tempat kelengkungan signifikan yang terakhir - jembatan Einstein-Rosen atau lubang cacing. Untuk kelengkungan ruang yang begitu kuat, benda-benda dengan massa raksasa akan dibutuhkan, dengan peran yang akan diatasi oleh lubang hitam dengan sempurna.

Jembatan Einstein-Rosen dianggap sebagai lubang cacing yang tidak dapat ditembus, karena kecil dan tidak stabil.

Lubang cacing yang dapat dilalui dimungkinkan dalam teori lubang hitam dan putih. Dimana lubang putih merupakan keluaran informasi yang jatuh ke dalam lubang hitam. Lubang putih dijelaskan dalam kerangka relativitas umum, tetapi hari ini masih bersifat hipotetis dan belum ditemukan. Model lain dari lubang cacing diusulkan oleh ilmuwan Amerika Kip Thorne dan mahasiswa pascasarjananya Mike Morris, yang dapat dilewati. Namun, seperti dalam kasus lubang cacing Morris-Thorne, demikian pula dalam kasus lubang hitam dan putih, kemungkinan perjalanan membutuhkan keberadaan materi eksotis, yang memiliki energi negatif dan juga tetap bersifat hipotetis.

Lubang hitam di alam semesta

Keberadaan lubang hitam dikonfirmasi relatif baru-baru ini (September 2015), tetapi sebelum itu sudah ada banyak materi teoretis tentang sifat lubang hitam, serta banyak calon objek untuk peran lubang hitam. Pertama-tama, seseorang harus mempertimbangkan dimensi lubang hitam, karena sifat dari fenomena itu bergantung pada mereka:

• lubang hitam massa bintang. Benda-benda seperti itu terbentuk sebagai akibat dari runtuhnya bintang. Seperti disebutkan sebelumnya, massa minimum benda yang mampu membentuk lubang hitam seperti itu adalah 2,5 - 3 kali massa matahari.
• Lubang hitam massa menengah. Jenis lubang hitam perantara bersyarat yang meningkat karena penyerapan benda-benda di dekatnya, seperti akumulasi gas, bintang tetangga (dalam sistem dua bintang) dan benda kosmik lainnya.
• Lubang hitam supermasif. Benda kompak dengan 10 5 -10 10 massa matahari. Sifat khas dari BH tersebut adalah kepadatan rendah secara paradoks, serta gaya pasang surut yang lemah, yang telah dibahas sebelumnya. Ini adalah lubang hitam supermasif di pusat galaksi Bima Sakti kita (Sagitarius A*, Sgr A*), serta sebagian besar galaksi lainnya.

Kandidat untuk CHD

Lubang hitam terdekat, atau lebih tepatnya kandidat untuk peran lubang hitam, adalah sebuah objek (V616 Unicorn), yang terletak pada jarak 3000 tahun cahaya dari Matahari (di galaksi kita). Ini terdiri dari dua komponen: bintang dengan massa setengah massa matahari, serta benda kecil yang tidak terlihat, yang massanya 3 - 5 massa matahari. Jika objek ini ternyata adalah lubang hitam kecil bermassa bintang, maka di sebelah kanan itu akan menjadi lubang hitam terdekat.

Setelah objek ini, lubang hitam terdekat kedua adalah Cyg X-1 (Cyg X-1), yang merupakan kandidat pertama untuk peran lubang hitam. Jaraknya sekitar 6070 tahun cahaya. Cukup dipelajari dengan baik: ia memiliki massa 14,8 massa matahari dan radius cakrawala peristiwa sekitar 26 km.

Menurut beberapa sumber, kandidat terdekat lainnya untuk peran lubang hitam mungkin adalah benda di sistem bintang V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), yang menurut perkiraan pada tahun 1999, terletak pada jarak 1600 tahun cahaya. Namun, penelitian selanjutnya meningkatkan jarak ini setidaknya 15 kali.

Berapa banyak lubang hitam di galaksi kita?

Tidak ada jawaban pasti untuk pertanyaan ini, karena cukup sulit untuk mengamati mereka, dan selama seluruh studi tentang langit, para ilmuwan berhasil mendeteksi sekitar selusin lubang hitam di dalam Bima Sakti. Tanpa terlibat dalam perhitungan, kami mencatat bahwa di galaksi kita ada sekitar 100 - 400 miliar bintang, dan sekitar setiap seperseribu bintang memiliki massa yang cukup untuk membentuk lubang hitam. Kemungkinan jutaan lubang hitam bisa terbentuk selama keberadaan Bima Sakti. Karena lebih mudah untuk mendaftarkan lubang hitam besar, masuk akal untuk mengasumsikan bahwa sebagian besar BH di galaksi kita tidak supermasif. Patut dicatat bahwa penelitian NASA pada tahun 2005 menunjukkan adanya segerombolan lubang hitam (10-20 ribu) yang mengorbit pusat galaksi. Selain itu, pada tahun 2016, ahli astrofisika Jepang menemukan satelit besar di dekat objek * - lubang hitam, inti dari Bima Sakti. Karena radius kecil benda ini (0,15 tahun cahaya), serta massanya yang sangat besar (100.000 massa matahari), para ilmuwan berpendapat bahwa objek ini juga merupakan lubang hitam supermasif.

Inti galaksi kita, lubang hitam Bima Sakti (Sagitarius A *, Sgr A * atau Sagitarius A *) adalah supermasif dan memiliki massa 4,31 106 massa matahari, dan radius 0,00071 tahun cahaya (6,25 jam cahaya). atau 6,75 miliar km). Suhu Sagitarius A* bersama dengan gugus di sekitarnya sekitar 1 10 7 K.

Lubang hitam terbesar

Lubang hitam terbesar di alam semesta yang dapat dideteksi oleh para ilmuwan adalah lubang hitam supermasif, blazar FSRQ, di pusat galaksi S5 0014+81, pada jarak 1,2·10 10 tahun cahaya dari Bumi. Menurut hasil pengamatan awal, dengan menggunakan observatorium ruang angkasa Swift, massa lubang hitam adalah 40 miliar (40 10 9) massa matahari, dan jari-jari Schwarzschild lubang semacam itu adalah 118,35 miliar kilometer (0,013 tahun cahaya). Selain itu, menurut perhitungan, itu muncul 12,1 miliar tahun yang lalu (1,6 miliar tahun setelah Big Bang). Jika lubang hitam raksasa ini tidak menyerap materi di sekitarnya, maka ia akan hidup untuk melihat era lubang hitam - salah satu era dalam perkembangan Semesta, di mana lubang hitam akan mendominasi di dalamnya. Jika inti galaksi S5 0014+81 terus berkembang, maka itu akan menjadi salah satu lubang hitam terakhir yang akan ada di alam semesta.

Dua lubang hitam lainnya yang diketahui, meskipun tidak disebutkan namanya, adalah yang paling penting untuk studi lubang hitam, karena mereka mengkonfirmasi keberadaan mereka secara eksperimental, dan juga memberikan hasil penting untuk studi gravitasi. Kita berbicara tentang peristiwa GW150914, yang disebut tumbukan dua lubang hitam menjadi satu. Acara ini diperbolehkan untuk mendaftar.

Deteksi lubang hitam

Sebelum mempertimbangkan metode untuk mendeteksi lubang hitam, pertanyaan harus dijawab - mengapa lubang hitam berwarna hitam? - jawabannya tidak memerlukan pengetahuan mendalam tentang astrofisika dan kosmologi. Faktanya adalah bahwa lubang hitam menyerap semua radiasi yang jatuh di atasnya dan tidak memancar sama sekali, jika Anda tidak memperhitungkan hipotesis. Jika kita mempertimbangkan fenomena ini secara lebih rinci, kita dapat mengasumsikan bahwa tidak ada proses di dalam lubang hitam yang mengarah pada pelepasan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik. Kemudian jika lubang hitam memancar, maka ia berada dalam spektrum Hawking (yang bertepatan dengan spektrum benda hitam yang benar-benar panas). Namun, seperti yang disebutkan sebelumnya, radiasi ini tidak terdeteksi, yang menunjukkan bahwa suhu lubang hitam benar-benar rendah.

Teori lain yang diterima secara umum mengatakan bahwa radiasi elektromagnetik sama sekali tidak mampu meninggalkan cakrawala peristiwa. Kemungkinan besar foton (partikel cahaya) tidak tertarik oleh objek masif, karena menurut teori mereka sendiri tidak memiliki massa. Namun, lubang hitam masih "menarik" foton cahaya melalui distorsi ruang-waktu. Jika kita membayangkan lubang hitam di ruang angkasa sebagai semacam depresi pada permukaan halus ruang-waktu, maka ada jarak tertentu dari pusat lubang hitam, yang mendekati cahaya yang tidak akan bisa lagi menjauh darinya. Artinya, secara kasar, cahaya mulai "jatuh" ke dalam "lubang", yang bahkan tidak memiliki "dasar".

Selain itu, mengingat efek pergeseran merah gravitasi, ada kemungkinan bahwa cahaya di lubang hitam kehilangan frekuensinya, bergeser sepanjang spektrum ke wilayah radiasi gelombang panjang frekuensi rendah, hingga kehilangan energi sama sekali.

Jadi, lubang hitam itu hitam dan karenanya sulit dideteksi di luar angkasa.

Metode deteksi

Pertimbangkan metode yang digunakan para astronom untuk mendeteksi lubang hitam:

Selain metode yang disebutkan di atas, para ilmuwan sering mengaitkan objek seperti lubang hitam dan. Quasar adalah beberapa akumulasi benda kosmik dan gas, yang merupakan salah satu objek astronomi paling terang di alam semesta. Karena mereka memiliki intensitas pendaran yang tinggi pada ukuran yang relatif kecil, ada alasan untuk percaya bahwa pusat objek ini adalah lubang hitam supermasif, yang menarik materi di sekitarnya ke dirinya sendiri. Karena daya tarik gravitasi yang begitu kuat, materi yang tertarik menjadi sangat panas sehingga memancar dengan kuat. Deteksi objek semacam itu biasanya dibandingkan dengan deteksi lubang hitam. Terkadang quasar dapat memancarkan pancaran plasma panas dalam dua arah - pancaran relativistik. Alasan munculnya pancaran (jet) tersebut tidak sepenuhnya jelas, tetapi mungkin disebabkan oleh interaksi medan magnet BH dan disk akresi, dan tidak dipancarkan oleh lubang hitam langsung.

Sebuah jet di galaksi M87 menghantam dari pusat lubang hitam

Menyimpulkan hal di atas, orang dapat membayangkan, dari dekat: itu adalah benda hitam bulat, di mana materi yang sangat panas berputar, membentuk cakram akresi bercahaya.

Menggabungkan dan bertabrakan lubang hitam

Salah satu fenomena paling menarik dalam astrofisika adalah tabrakan lubang hitam, yang juga memungkinkan untuk mendeteksi benda-benda astronomi yang begitu besar. Proses seperti itu tidak hanya menarik bagi ahli astrofisika, karena proses tersebut menghasilkan fenomena yang kurang dipelajari oleh fisikawan. Contoh paling jelas adalah peristiwa yang disebutkan sebelumnya yang disebut GW150914, ketika dua lubang hitam mendekat sedemikian rupa sehingga, sebagai akibat dari daya tarik gravitasi timbal balik, mereka bergabung menjadi satu. Konsekuensi penting dari tumbukan ini adalah munculnya gelombang gravitasi.

Menurut definisi gelombang gravitasi, ini adalah perubahan medan gravitasi yang merambat seperti gelombang dari benda-benda besar yang bergerak. Ketika dua objek seperti itu saling mendekat, mereka mulai berputar di sekitar pusat gravitasi yang sama. Saat mereka mendekati satu sama lain, rotasi mereka di sekitar porosnya sendiri meningkat. Getaran variabel medan gravitasi semacam itu di beberapa titik dapat membentuk satu gelombang gravitasi kuat yang dapat merambat di ruang angkasa selama jutaan tahun cahaya. Jadi, pada jarak 1,3 miliar tahun cahaya, tabrakan dua lubang hitam terjadi, yang membentuk gelombang gravitasi kuat yang mencapai Bumi pada 14 September 2015 dan direkam oleh detektor LIGO dan VIRGO.

Bagaimana lubang hitam mati?

Jelas, agar lubang hitam tidak ada lagi, ia harus kehilangan semua massanya. Namun, menurut definisinya, tidak ada yang bisa meninggalkan lubang hitam jika telah melintasi cakrawala peristiwanya. Diketahui bahwa untuk pertama kalinya fisikawan teoretis Soviet Vladimir Gribov menyebutkan kemungkinan emisi partikel oleh lubang hitam dalam diskusinya dengan ilmuwan Soviet lainnya Yakov Zel'dovich. Dia berpendapat bahwa dari sudut pandang mekanika kuantum, lubang hitam mampu memancarkan partikel melalui efek terowongan. Kemudian, dengan bantuan mekanika kuantum, ia membangun teorinya sendiri yang agak berbeda, fisikawan teoretis Inggris Stephen Hawking. Anda dapat membaca lebih lanjut tentang fenomena ini. Singkatnya, ada yang disebut partikel virtual dalam ruang hampa, yang terus-menerus lahir berpasangan dan saling memusnahkan, sementara tidak berinteraksi dengan dunia luar. Tetapi jika pasangan seperti itu muncul di cakrawala peristiwa lubang hitam, maka gravitasi kuat secara hipotetis dapat memisahkan mereka, dengan satu partikel jatuh ke dalam lubang hitam, dan yang lainnya menjauh dari lubang hitam. Dan karena partikel yang terbang menjauh dari lubang dapat diamati, dan karena itu memiliki energi positif, partikel yang jatuh ke dalam lubang pasti memiliki energi negatif. Dengan demikian, lubang hitam akan kehilangan energinya dan akan terjadi efek yang disebut penguapan lubang hitam.

Menurut model lubang hitam yang tersedia, seperti yang disebutkan sebelumnya, ketika massanya berkurang, radiasinya menjadi lebih kuat. Kemudian, pada tahap akhir keberadaan lubang hitam, ketika ia dapat direduksi menjadi seukuran lubang hitam kuantum, ia akan melepaskan sejumlah besar energi dalam bentuk radiasi, yang dapat setara dengan ribuan atau bahkan ribuan. jutaan bom atom. Peristiwa ini agak mengingatkan pada ledakan lubang hitam, seperti bom yang sama. Menurut perhitungan, lubang hitam primordial bisa saja lahir sebagai akibat dari Big Bang, dan lubang hitam tersebut, yang massanya berada di urutan 10 12 kg, seharusnya telah menguap dan meledak di sekitar zaman kita. Bagaimanapun, ledakan seperti itu belum pernah dilihat oleh para astronom.

Terlepas dari mekanisme yang diusulkan oleh Hawking untuk penghancuran lubang hitam, sifat radiasi Hawking menyebabkan paradoks dalam kerangka mekanika kuantum. Jika lubang hitam menyerap sebagian tubuh, dan kemudian kehilangan massa akibat penyerapan tubuh ini, maka terlepas dari sifat tubuh, lubang hitam tidak akan berbeda dari sebelum penyerapan tubuh. Dalam hal ini, informasi tentang tubuh hilang selamanya. Dari sudut pandang perhitungan teoretis, transformasi keadaan murni awal menjadi keadaan campuran ("termal") yang dihasilkan tidak sesuai dengan teori mekanika kuantum saat ini. Paradoks ini kadang-kadang disebut hilangnya informasi dalam lubang hitam. Solusi nyata untuk paradoks ini belum pernah ditemukan. Opsi yang diketahui untuk memecahkan paradoks:

• Inkonsistensi teori Hawking. Ini berarti ketidakmungkinan menghancurkan lubang hitam dan pertumbuhannya yang konstan.
• Kehadiran lubang putih. Dalam hal ini, informasi yang diserap tidak hilang, tetapi dibuang begitu saja ke Semesta lain.
• Inkonsistensi dari teori mekanika kuantum yang diterima secara umum.

Masalah fisika lubang hitam yang belum terpecahkan

Dilihat dari semua yang telah dijelaskan sebelumnya, lubang hitam, meskipun telah dipelajari untuk waktu yang relatif lama, masih memiliki banyak fitur, yang mekanismenya masih belum diketahui oleh para ilmuwan.

• Pada tahun 1970, seorang ilmuwan Inggris merumuskan apa yang disebut. "prinsip sensor kosmik" - "Alam membenci singularitas yang telanjang." Artinya, singularitas hanya terbentuk di tempat-tempat yang tersembunyi dari pandangan, seperti pusat lubang hitam. Namun, prinsip ini belum terbukti. Ada juga perhitungan teoretis yang dengannya singularitas "telanjang" dapat terjadi.
• “Teorema tanpa rambut”, yang menurutnya lubang hitam hanya memiliki tiga parameter, juga belum terbukti.
• Teori lengkap magnetosfer lubang hitam belum dikembangkan.
• Sifat dan fisika dari singularitas gravitasi belum dipelajari.
• Tidak diketahui secara pasti apa yang terjadi pada tahap akhir keberadaan lubang hitam, dan apa yang tersisa setelah peluruhan kuantumnya.

Fakta menarik tentang lubang hitam

Menyimpulkan hal di atas, kita dapat menyoroti beberapa fitur menarik dan tidak biasa dari sifat lubang hitam:

• Lubang hitam hanya memiliki tiga parameter: massa, muatan listrik, dan momentum sudut. Sebagai akibat dari sejumlah kecil karakteristik benda ini, teorema yang menyatakan hal ini disebut "teorema tanpa rambut". Dari sinilah ungkapan “lubang hitam tidak memiliki rambut” berasal, yang berarti bahwa dua lubang hitam benar-benar identik, tiga parameter yang disebutkan adalah sama.
• Kepadatan lubang hitam bisa lebih kecil dari kerapatan udara, dan suhunya mendekati nol mutlak. Dari sini kita dapat berasumsi bahwa pembentukan lubang hitam terjadi bukan karena kompresi materi, tetapi sebagai akibat dari akumulasi sejumlah besar materi dalam volume tertentu.
• Waktu untuk benda-benda yang diserap oleh lubang hitam berjalan jauh lebih lambat daripada untuk pengamat eksternal. Selain itu, tubuh yang diserap secara signifikan diregangkan di dalam lubang hitam, yang oleh para ilmuwan disebut spaghettification.
• Mungkin ada sekitar satu juta lubang hitam di galaksi kita.
• Mungkin ada lubang hitam supermasif di pusat setiap galaksi.
• Di masa depan, menurut model teoretis, Semesta akan mencapai apa yang disebut era lubang hitam, ketika lubang hitam akan menjadi benda dominan di Semesta.

Konsep lubang hitam diketahui semua orang - dari anak sekolah hingga orang tua, digunakan dalam literatur sains dan fiksi, di media kuning dan di konferensi ilmiah. Tapi tidak semua orang tahu apa sebenarnya lubang ini.

Dari sejarah lubang hitam

1783 Hipotesis pertama tentang keberadaan fenomena seperti lubang hitam diajukan pada tahun 1783 oleh ilmuwan Inggris John Michell. Dalam teorinya, ia menggabungkan dua kreasi Newton - optik dan mekanika. Ide Michell adalah ini: jika cahaya adalah aliran partikel kecil, maka, seperti semua benda lain, partikel harus mengalami gaya tarik medan gravitasi. Ternyata semakin masif bintang, semakin sulit bagi cahaya untuk menolak daya tariknya. 13 tahun setelah Michell, astronom dan matematikawan Prancis Laplace mengajukan (kemungkinan besar secara independen dari rekan Inggrisnya) teori serupa.

1915 Namun, semua karya mereka tetap tidak diklaim hingga awal abad ke-20. Pada tahun 1915, Albert Einstein menerbitkan Teori Relativitas Umum dan menunjukkan bahwa gravitasi adalah kelengkungan ruang-waktu yang disebabkan oleh materi, dan beberapa bulan kemudian, astronom dan fisikawan teoretis Jerman Karl Schwarzschild menggunakannya untuk memecahkan masalah astronomi tertentu. Dia menjelajahi struktur ruang-waktu melengkung di sekitar Matahari dan menemukan kembali fenomena lubang hitam.

(John Wheeler menciptakan istilah "lubang hitam")

1967 Fisikawan Amerika John Wheeler menguraikan ruang yang dapat diremas, seperti selembar kertas, menjadi titik yang sangat kecil dan disebut sebagai "Lubang Hitam".

1974 Fisikawan Inggris Stephen Hawking membuktikan bahwa lubang hitam, meskipun menelan materi tanpa kembali, dapat memancarkan radiasi dan akhirnya menguap. Fenomena ini disebut "Radiasi Hawking".

2013 Penelitian terbaru tentang pulsar dan quasar, serta penemuan radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik, akhirnya memungkinkan untuk menggambarkan konsep lubang hitam itu sendiri. Pada tahun 2013, awan gas G2 datang sangat dekat dengan lubang hitam dan kemungkinan besar akan diserap olehnya, mengamati proses unik memberikan peluang besar untuk penemuan baru fitur lubang hitam.

(Objek masif Sagitarius A*, massanya 4 juta kali lebih besar dari Matahari, yang menyiratkan gugusan bintang dan pembentukan lubang hitam)

2017. Sekelompok ilmuwan dari Event Horizon Telescope kerjasama beberapa negara, menghubungkan delapan teleskop dari berbagai titik di benua Bumi, melakukan pengamatan lubang hitam, yang merupakan objek supermasif dan terletak di galaksi M87, konstelasi Virgo. Massa objek adalah 6,5 miliar (!) massa matahari, kali lebih besar dari objek masif Sagitarius A *, sebagai perbandingan, diameternya sedikit lebih kecil dari jarak dari Matahari ke Pluto.

Pengamatan dilakukan dalam beberapa tahap, mulai dari musim semi 2017 dan selama periode 2018. Jumlah informasi dihitung dalam petabyte, yang kemudian harus diuraikan dan gambar asli dari objek yang sangat jauh diperoleh. Oleh karena itu, perlu dua tahun penuh lagi untuk memindai semua data terlebih dahulu dan menggabungkannya menjadi satu kesatuan.

2019 Data berhasil diterjemahkan dan ditampilkan, menghasilkan gambar lubang hitam pertama.

(Gambar lubang hitam pertama di galaksi M87 di konstelasi Virgo)

Resolusi gambar memungkinkan Anda melihat bayangan point of no return di tengah objek. Citra diperoleh sebagai hasil pengamatan interferometrik dengan garis dasar ekstra panjang. Ini adalah apa yang disebut pengamatan sinkron dari satu objek dari beberapa teleskop radio, yang saling berhubungan oleh jaringan dan terletak di berbagai belahan dunia, diarahkan ke satu arah.

Apa sebenarnya lubang hitam itu?

Penjelasan singkat tentang fenomena tersebut terdengar seperti ini.

Lubang hitam adalah wilayah ruang-waktu yang daya tarik gravitasinya begitu kuat sehingga tidak ada objek, termasuk kuanta cahaya, yang dapat meninggalkannya.

Sebuah lubang hitam pernah menjadi bintang masif. Selama reaksi termonuklir mempertahankan tekanan tinggi di perutnya, semuanya tetap normal. Namun seiring waktu, pasokan energi habis dan benda angkasa, di bawah pengaruh gravitasinya sendiri, mulai menyusut. Tahap akhir dari proses ini adalah runtuhnya inti bintang dan pembentukan lubang hitam.

• 1. Pengeluaran jet lubang hitam dengan kecepatan tinggi


• 2. Cakram materi tumbuh menjadi lubang hitam


• 3. Lubang hitam


• 4. Skema terperinci dari wilayah lubang hitam


• 5. Ukuran pengamatan baru yang ditemukan

Teori yang paling umum mengatakan bahwa ada fenomena serupa di setiap galaksi, termasuk di pusat Bima Sakti kita. Gravitasi lubang yang besar mampu menahan beberapa galaksi di sekitarnya, mencegah mereka menjauh satu sama lain. "Cakupan wilayah" bisa berbeda, semuanya tergantung pada massa bintang yang telah berubah menjadi lubang hitam, dan bisa ribuan tahun cahaya.

radius Schwarzschild

Sifat utama lubang hitam adalah bahwa materi apa pun yang masuk ke dalamnya tidak akan pernah bisa kembali. Hal yang sama berlaku untuk cahaya. Pada intinya, lubang adalah benda yang sepenuhnya menyerap semua cahaya yang jatuh padanya dan tidak memancarkannya sendiri. Benda-benda seperti itu secara visual dapat muncul sebagai gumpalan kegelapan mutlak.

• 1. Memindahkan materi dengan setengah kecepatan cahaya


• 2. Cincin foton


• 3. Cincin foton bagian dalam


• 4. Cakrawala peristiwa di lubang hitam

Berdasarkan Teori Relativitas Umum Einstein, jika sebuah benda mendekati jarak kritis dari pusat lubang, ia tidak dapat kembali lagi. Jarak ini disebut radius Schwarzschild. Apa yang sebenarnya terjadi dalam radius ini tidak diketahui secara pasti, tetapi ada teori yang paling umum. Dipercayai bahwa semua materi lubang hitam terkonsentrasi di titik yang sangat kecil, dan di pusatnya ada objek dengan kepadatan tak terbatas, yang oleh para ilmuwan disebut gangguan tunggal.

Bagaimana itu jatuh ke dalam lubang hitam

(Dalam gambar, lubang hitam Sagitarius A * terlihat seperti sekelompok cahaya yang sangat terang)

Belum lama ini, pada tahun 2011, para ilmuwan menemukan awan gas, memberinya nama sederhana G2, yang memancarkan cahaya yang tidak biasa. Cahaya seperti itu dapat memberikan gesekan pada gas dan debu, yang disebabkan oleh aksi lubang hitam Sagitarius A * dan yang berputar di sekitarnya dalam bentuk piringan akresi. Dengan demikian, kita menjadi pengamat fenomena menakjubkan penyerapan awan gas oleh lubang hitam supermasif.

Menurut penelitian terbaru, pendekatan terdekat ke lubang hitam akan terjadi pada Maret 2014. Kita dapat membuat ulang gambaran bagaimana tontonan yang menarik ini akan dimainkan.

• 1. Saat pertama kali muncul dalam data, awan gas menyerupai bola gas dan debu yang sangat besar.


• 2. Sekarang, per Juni 2013, awan itu berjarak puluhan miliar kilometer dari lubang hitam. Itu jatuh ke dalamnya dengan kecepatan 2500 km / s.


• 3. Awan diperkirakan akan melewati lubang hitam, tetapi gaya pasang surut yang disebabkan oleh perbedaan gaya tarik yang bekerja pada tepi depan dan belakang awan akan menyebabkannya menjadi semakin memanjang.


• 4. Setelah awan pecah, sebagian besar kemungkinan besar akan bergabung dengan cakram akresi di sekitar Sagitarius A*, menghasilkan gelombang kejut di dalamnya. Suhu akan naik hingga beberapa juta derajat.


• 5. Sebagian awan akan jatuh langsung ke lubang hitam. Tidak ada yang tahu persis apa yang akan terjadi pada zat ini, tetapi diperkirakan bahwa dalam proses jatuh itu akan memancarkan aliran sinar-X yang kuat, dan tidak ada orang lain yang akan melihatnya.

Video: lubang hitam menelan awan gas

(Simulasi komputer tentang seberapa banyak awan gas G2 akan dihancurkan dan dikonsumsi oleh lubang hitam Sagitarius A*)

Apa yang ada di dalam lubang hitam

Ada teori yang mengklaim bahwa lubang hitam di dalamnya praktis kosong, dan semua massanya terkonsentrasi di titik yang sangat kecil yang terletak di pusatnya - sebuah singularitas.

Menurut teori lain yang telah ada selama setengah abad, segala sesuatu yang jatuh ke dalam lubang hitam akan masuk ke alam semesta lain yang terletak di dalam lubang hitam itu sendiri. Sekarang teori ini bukan yang utama.

Dan ada teori ketiga, paling modern dan ulet, yang menurutnya segala sesuatu yang jatuh ke dalam lubang hitam larut dalam getaran string di permukaannya, yang ditetapkan sebagai cakrawala peristiwa.

Jadi apa itu cakrawala peristiwa? Mustahil untuk melihat ke dalam lubang hitam bahkan dengan teleskop yang sangat kuat, karena bahkan cahaya, yang masuk ke dalam corong kosmik raksasa, tidak memiliki kesempatan untuk muncul kembali. Segala sesuatu yang entah bagaimana dapat dipertimbangkan ada di sekitarnya.

Cakrawala peristiwa adalah garis permukaan bersyarat dari mana tidak ada (baik gas, debu, bintang, maupun cahaya) yang dapat melarikan diri. Dan ini adalah titik tidak bisa kembali yang sangat misterius di lubang hitam Semesta.

Astronom Universitas Ohio baru-baru ini mengumumkan bahwa inti ganda yang tidak biasa di galaksi Andromeda disebabkan oleh sekelompok bintang yang mengorbit dalam orbit elips di sekitar beberapa objek besar, kemungkinan besar lubang hitam. Kesimpulan tersebut dibuat berdasarkan data yang diperoleh dengan menggunakan Teleskop Luar Angkasa Hubble. Inti ganda Andromeda pertama kali ditemukan pada tahun 70-an, tetapi baru pada pertengahan 90-an teori lubang hitam dikemukakan.

Gagasan bahwa lubang hitam ada di inti galaksi bukanlah hal baru.

Bahkan ada banyak alasan untuk percaya bahwa Bima Sakti - galaksi tempat Bumi berada - memiliki lubang hitam besar di intinya, yang massanya 3 juta kali massa Matahari. Namun, lebih mudah untuk menjelajahi inti galaksi Andromeda, yang terletak pada jarak 2 juta tahun cahaya dari kita, daripada inti galaksi kita, yang hanya ditempuh cahaya selama 30 ribu tahun - Anda tidak dapat melihat hutan untuk waktu yang lama. pepohonan.

Ilmuwan mensimulasikan tabrakan lubang hitam

Penerapan simulasi numerik pada superkomputer untuk menjelaskan sifat dan perilaku lubang hitam, studi tentang gelombang gravitasi.

Untuk pertama kalinya, para ilmuwan dari Institut Fisika Gravitasi (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik), juga dikenal sebagai "Albert Einstein Institute" dan berlokasi di Holm, pinggiran Potsdam (Jerman), mensimulasikan penggabungan dua warna hitam. lubang. Deteksi terencana gelombang gravitasi yang dipancarkan oleh dua lubang hitam yang bergabung membutuhkan simulasi 3D penuh pada superkomputer.

Lubang hitam sangat padat sehingga tidak memantulkan atau memancarkan cahaya sama sekali, itulah sebabnya lubang hitam sangat sulit dideteksi. Namun, dalam beberapa tahun, para ilmuwan berharap ada perubahan signifikan di bidang ini.

Gelombang gravitasi, yang secara harfiah memenuhi ruang angkasa, pada awal abad berikutnya dapat dideteksi dengan bantuan alat baru.

Para ilmuwan yang dipimpin oleh Profesor Ed Seidel (Dr. Ed Seidel) sedang mempersiapkan simulasi numerik untuk studi semacam itu, yang akan menjadi cara yang dapat diandalkan bagi pengamat untuk mendeteksi gelombang yang dihasilkan oleh lubang hitam. "Tabrakan lubang hitam adalah salah satu sumber utama gelombang gravitasi," kata Profesor Seidel, yang dalam beberapa tahun terakhir telah berhasil melakukan penelitian dalam pemodelan gelombang gravitasi yang muncul ketika lubang hitam pecah dalam tumbukan langsung.

Namun, interaksi dua lubang hitam spiral dan penggabungannya lebih umum daripada tabrakan langsung, dan lebih penting dalam astronomi. Tumbukan tangensial seperti itu pertama kali dihitung oleh Bernd Brugmann di Albert Einstein Institute.

Namun, pada saat itu, karena kurangnya daya komputasi, ia tidak dapat menghitung detail penting yang mendasar seperti jejak yang tepat dari gelombang gravitasi yang dipancarkan, yang berisi informasi penting tentang perilaku lubang hitam selama tumbukan. Brugman menerbitkan hasil terbaru dalam International Journal of Modern Physics.

Dalam perhitungan pertamanya, Brugman menggunakan server Origin 2000 institut. Ini mencakup 32 prosesor terpisah yang berjalan secara paralel dengan kinerja puncak total 3 miliar operasi per detik. Dan pada bulan Juni tahun ini, tim internasional Brugmann, Seidel, dan lainnya telah mengerjakan superkomputer Origin 2000 dengan prosesor 256 yang jauh lebih kuat di Pusat Nasional untuk Aplikasi Superkomputer (NCSA). Kelompok itu juga termasuk ilmuwan dari

Universitas Louis (AS) dan dari pusat penelitian Konrad-Zuse-Zentrum di Berlin. Superkomputer ini memberikan simulasi terperinci pertama dari tumbukan tangensial lubang hitam bermassa tidak sama, serta rotasinya, yang sebelumnya telah dieksplorasi Brugmann. Werner Benger dari Konrad-Zuse-Zentrum bahkan berhasil mereproduksi gambar proses tabrakan yang menakjubkan. Itu ditunjukkan bagaimana "monster hitam" dengan massa dari satu hingga beberapa ratus juta massa matahari bergabung, menciptakan kilatan gelombang gravitasi, yang dapat segera direkam dengan cara khusus.

Salah satu hasil terpenting dari penelitian ini adalah penemuan energi besar yang dipancarkan oleh tumbukan lubang hitam dalam bentuk gelombang gravitasi. Jika dua benda dengan massa setara dengan 10 dan 15 massa matahari saling mendekat lebih dekat dari 30 mil dan bertabrakan, maka jumlah energi gravitasi sesuai dengan 1% dari massa mereka. "Ini seribu kali lebih banyak dari semua energi yang dilepaskan oleh Matahari kita selama lima miliar tahun terakhir." Brugman mencatat. Karena sebagian besar tabrakan besar di alam semesta terjadi sangat jauh dari bumi, sinyalnya akan menjadi sangat lemah pada saat mereka menyentuh tanah.

Pembangunan beberapa detektor presisi tinggi telah dimulai di seluruh dunia.

Salah satunya, dibangun oleh Max Planck Institute dalam rangka proyek Jerman-Inggris "Geo 600" adalah interferometer laser dengan panjang 0,7 mil. Para ilmuwan berharap untuk mengukur parameter gangguan gravitasi pendek yang terjadi ketika lubang hitam bertabrakan, tetapi mereka memperkirakan hanya satu tabrakan seperti itu per tahun, dan pada jarak sekitar 600 juta tahun cahaya. Model komputer diperlukan untuk memberikan informasi yang dapat dipercaya kepada pengamat tentang pendeteksian gelombang yang dihasilkan oleh lubang hitam. Berkat peningkatan kemampuan simulasi superkomputer, para ilmuwan berada di puncak jenis fisika eksperimental baru.

Para astronom mengatakan bahwa mereka mengetahui lokasi ribuan lubang hitam, tetapi kita tidak dalam posisi untuk melakukan eksperimen apapun di bumi. "Hanya dalam satu kasus kita dapat mempelajari detail dan membangun model numerik mereka di komputer kita dan mengamatinya," jelas Profesor Bernard Schutz, direktur Institut Albert Einstein. "Saya percaya bahwa studi tentang lubang hitam akan menjadi topik penelitian utama bagi para astronom pada dekade pertama abad berikutnya."

Bintang satelit memungkinkan Anda untuk melihat debu dari supernova.

Lubang hitam tidak dapat dilihat secara langsung, tetapi para astronom dapat melihat bukti keberadaannya ketika gas meletus menjadi bintang pendamping.

Jika dinamit diledakkan, pecahan kecil bahan peledak akan menembus jauh ke objek terdekat, sehingga meninggalkan bukti ledakan yang tak terhapuskan.

Para astronom telah menemukan jejak serupa pada bintang yang mengorbit lubang hitam, bukan tanpa alasan percaya bahwa lubang hitam ini - bekas bintang yang runtuh begitu parah sehingga bahkan cahaya tidak dapat mengatasi gaya gravitasinya - adalah hasil ledakan supernova.

Cahaya dalam kegelapan.

Pada saat ini, para astronom telah mengamati ledakan supernova dan menemukan objek berbintik di tempat mereka, yang menurut mereka adalah lubang hitam. Penemuan baru ini merupakan bukti nyata pertama adanya hubungan antara satu peristiwa dengan peristiwa lainnya. (Lubang hitam tidak dapat dilihat secara langsung, tetapi kehadirannya terkadang dapat disimpulkan dari efek medan gravitasinya pada objek terdekat.

Sistem bintang dan lubang hitam, yang diberi nama GRO J1655-40, terletak sekitar 10.000 tahun cahaya di dalam galaksi Bima Sakti kita. Ditemukan pada tahun 1994, ia menarik perhatian para astronom dengan semburan intens sinar-X dan rentetan gelombang radio saat lubang hitam mengeluarkan gas menuju bintang pendampingnya yang berjarak 7,4 juta mil jauhnya.

Para peneliti dari Spanyol dan Amerika mulai melihat lebih dekat pada bintang pendamping, percaya bahwa ia dapat mempertahankan semacam jejak, yang menunjukkan proses pembentukan lubang hitam.

Lubang hitam seukuran bintang dianggap sebagai tubuh bintang besar yang menyusut ke ukuran itu setelah menghabiskan semua bahan bakar hidrogennya. Tetapi untuk alasan yang belum dipahami, bintang yang memudar itu berubah menjadi supernova sebelum meledak.

Pengamatan oleh sistem GRO J1655-40 pada bulan Agustus dan September 1994 memungkinkan untuk menetapkan bahwa aliran gas yang dikeluarkan memiliki kecepatan hingga 92% dari kecepatan cahaya, yang sebagian membuktikan keberadaan lubang hitam di sana.

Debu bintang.

Jika para ilmuwan tidak salah, maka bagian dari bintang yang meledak, yang mungkin 25-40 kali lebih besar dari Matahari kita, berubah menjadi satelit yang masih hidup.

Inilah persisnya data yang ditemukan para astronom.

Atmosfer bintang pendamping mengandung konsentrasi oksigen, magnesium, silikon, dan belerang yang lebih tinggi dari biasanya - elemen berat yang hanya dapat dibuat dalam jumlah banyak pada suhu multimiliar derajat yang dicapai selama ledakan supernova. Ini adalah bukti pertama yang benar-benar mengkonfirmasi validitas teori bahwa beberapa lubang hitam pertama kali muncul sebagai supernova, karena apa yang mereka lihat tidak dapat dilahirkan oleh bintang yang diamati oleh para astronom.