Sejarah lubang hitam yang menakjubkan. Lubang hitam: kisah penemuan benda paling misterius di alam semesta yang tidak akan pernah kita lihat

« Fiksi ilmiah dapat bermanfaat - merangsang imajinasi dan menghilangkan rasa takut akan masa depan. Namun fakta ilmiah bisa jauh lebih menakjubkan. Fiksi ilmiah bahkan tidak membayangkan hal-hal seperti lubang hitam »
Stephen Hawking

Di kedalaman alam semesta bagi manusia terdapat misteri dan misteri yang tak terhitung jumlahnya. Salah satunya adalah lubang hitam - benda yang bahkan tidak bisa dipahami pikiran terbesar kemanusiaan. Ratusan astrofisikawan mencoba menemukan sifat lubang hitam, tetapi tahap ini kami bahkan belum membuktikan keberadaan mereka dalam praktik.

Sutradara film mendedikasikan film mereka untuk mereka, dan di antara orang biasa Lubang hitam telah menjadi fenomena pemujaan sehingga mereka diidentikkan dengan akhir dunia dan kematian yang akan segera terjadi. Mereka ditakuti dan dibenci, tetapi pada saat yang sama mereka diidolakan dan tunduk di hadapan yang tidak diketahui, yang penuh dengan fragmen-fragmen aneh Semesta ini. Setuju, ditelan lubang hitam adalah romansa semacam itu. Dengan bantuan mereka, itu mungkin, dan mereka juga bisa menjadi panduan bagi kita.

Pers kuning sering berspekulasi tentang popularitas lubang hitam. Menemukan berita utama di surat kabar yang terkait dengan akhir dunia di planet ini karena tabrakan lain dengan lubang hitam supermasif bukanlah masalah. Jauh lebih buruk adalah bahwa bagian dari populasi yang buta huruf menganggap segala sesuatu dengan serius dan menimbulkan kepanikan yang nyata. Untuk memperjelas, kita akan melakukan perjalanan ke asal mula penemuan lubang hitam dan mencoba memahami apa itu dan bagaimana menghubungkannya.

bintang tak terlihat

Kebetulan fisikawan modern menggambarkan struktur Alam Semesta kita dengan bantuan teori relativitas, yang diberikan Einstein dengan hati-hati kepada umat manusia pada awal abad ke-20. Yang lebih misterius adalah lubang hitam, di cakrawala peristiwa di mana semua hukum fisika yang kita ketahui, termasuk teori Einstein, berhenti beroperasi. Bukankah itu indah? Selain itu, dugaan tentang keberadaan lubang hitam telah diungkapkan jauh sebelum Einstein sendiri lahir.

Pada tahun 1783, terjadi peningkatan yang signifikan di Inggris kegiatan ilmiah. Pada masa itu, sains berjalan beriringan dengan agama, mereka rukun, dan para ilmuwan tidak lagi dianggap sesat. Lebih-lebih lagi, penelitian ilmiah dilakukan oleh para pendeta. Salah satu dari hamba Tuhan ini adalah pendeta Inggris John Michell, yang bertanya pada dirinya sendiri tidak hanya tentang keberadaan, tetapi juga ketenangan tugas ilmiah. Michell adalah seorang ilmuwan yang sangat terkenal: dia awalnya adalah seorang guru matematika dan linguistik kuno di salah satu perguruan tinggi, dan setelah itu, untuk sejumlah penemuan, ia diterima di Royal Society of London.

John Michell berurusan dengan seismologi, tetapi di waktu luangnya dia suka memikirkan yang abadi dan kosmos. Beginilah cara dia memunculkan gagasan bahwa di suatu tempat di kedalaman Semesta mungkin ada benda supermasif dengan gravitasi yang begitu kuat sehingga untuk mengatasi gaya gravitasi benda seperti itu, perlu untuk bergerak dengan kecepatan yang sama dengan atau lebih tinggi dari kecepatan cahaya. Jika kita menerima teori seperti itu sebagai kebenaran, maka kembangkan kecepatan kosmik kedua (kecepatan yang diperlukan untuk mengatasi tarikan gravitasi meninggalkan tubuh) bahkan cahaya tidak bisa, jadi tubuh seperti itu akan tetap tidak terlihat oleh mata telanjang.

Michell menyebut teori barunya "bintang gelap", dan pada saat yang sama mencoba menghitung massa benda-benda tersebut. Dia mengungkapkan pemikirannya tentang masalah ini di surat Terbuka Perkumpulan Kerajaan London. Sayangnya, pada masa itu, penelitian semacam itu tidak bernilai khusus bagi sains, jadi surat Michell dikirim ke arsip. Hanya dua ratus tahun kemudian, pada paruh kedua abad ke-20, ditemukan di antara ribuan catatan lain yang disimpan dengan hati-hati di perpustakaan kuno.

Bukti ilmiah pertama keberadaan lubang hitam

Setelah merilis Teori Relativitas Umum Einstein, matematikawan dan fisikawan dengan serius mulai memecahkan persamaan yang disajikan oleh ilmuwan Jerman, yang seharusnya memberi tahu kita banyak tentang struktur Alam Semesta. Astronom Jerman, fisikawan Karl Schwarzschild memutuskan untuk melakukan hal yang sama pada tahun 1916.

Ilmuwan, menggunakan perhitungannya, sampai pada kesimpulan bahwa keberadaan lubang hitam itu mungkin. Dia juga orang pertama yang menggambarkan apa yang kemudian disebut frasa romantis "cakrawala peristiwa" - batas imajiner ruang-waktu di lubang hitam, setelah melintasinya, ada titik yang tidak bisa kembali. Tidak ada yang lolos dari cakrawala peristiwa, bahkan cahaya. Di luar cakrawala peristiwa itulah yang disebut "singularitas" terjadi, di mana hukum fisika yang kita kenal berhenti beroperasi.

Terus mengembangkan teorinya dan memecahkan persamaan, Schwarzschild menemukan rahasia baru lubang hitam untuk dirinya sendiri dan dunia. Jadi, dia mampu menghitung, hanya di atas kertas, jarak dari pusat lubang hitam, tempat massanya terkonsentrasi, ke cakrawala peristiwa. Schwarzschild menyebut jarak ini sebagai radius gravitasi.

Terlepas dari kenyataan bahwa solusi Schwarzschild secara matematis sangat benar dan tidak dapat disangkal, komunitas sains awal abad ke-20 tidak dapat segera menerima penemuan yang begitu mengejutkan, dan keberadaan lubang hitam dihapuskan sebagai sebuah fantasi, yang sekarang dan kemudian memanifestasikan dirinya dalam teori relativitas. Selama lima belas tahun berikutnya, studi tentang ruang untuk keberadaan lubang hitam berjalan lambat, dan hanya beberapa penganut teori fisikawan Jerman yang terlibat di dalamnya.

Bintang yang melahirkan kegelapan

Setelah persamaan Einstein dipisahkan, inilah saatnya menggunakan kesimpulan yang ditarik untuk memahami struktur Alam Semesta. Secara khusus, dalam teori evolusi bintang. Bukan rahasia lagi bahwa tidak ada sesuatu pun di dunia kita yang bertahan selamanya. Bahkan bintang-bintang memiliki siklus hidupnya sendiri, meskipun lebih lama dari manusia.

Salah satu ilmuwan pertama yang menjadi sangat tertarik pada evolusi bintang adalah astrofisikawan muda Subramanyan Chandrasekhar, yang berasal dari India. Pada tahun 1930, ia menerbitkan sebuah karya ilmiah yang menggambarkan dugaan struktur internal bintang dan siklus hidupnya.

Sudah pada awal abad ke-20, para ilmuwan menebak tentang fenomena seperti kontraksi gravitasi (keruntuhan gravitasi). PADA momen tertentu selama hidupnya, bintang mulai menyusut dengan kecepatan yang luar biasa di bawah pengaruh gaya gravitasi. Sebagai aturan, ini terjadi pada saat kematian bintang, namun, dengan keruntuhan gravitasi, ada beberapa cara untuk keberadaan bola merah-panas lebih lanjut.

Supervisor Chandrasekhar, Ralph Fowler, seorang fisikawan teoretis yang disegani pada masanya, menyarankan bahwa selama keruntuhan gravitasi, setiap bintang berubah menjadi bintang yang lebih kecil dan lebih panas - katai putih. Tetapi ternyata siswa "melanggar" teori guru, yang dianut oleh sebagian besar fisikawan pada awal abad terakhir. Menurut karya seorang pemuda Hindu, kematian sebuah bintang bergantung pada massa awalnya. Misalnya, hanya bintang-bintang yang massanya tidak melebihi 1,44 kali massa Matahari yang dapat menjadi katai putih. Angka ini disebut batas Chandrasekhar. Jika massa bintang melebihi batas ini, maka ia mati dengan cara yang sama sekali berbeda. Dalam kondisi tertentu, bintang seperti itu pada saat kematian dapat dilahirkan kembali menjadi bintang neutron baru - misteri lain dari Alam Semesta modern. Teori relativitas, di sisi lain, memberi tahu kita satu opsi lagi - kompresi bintang ke nilai yang sangat kecil, dan di sini yang paling menarik dimulai.

Pada tahun 1932, sebuah artikel muncul di salah satu jurnal ilmiah di mana fisikawan brilian dari USSR Lev Landau menyarankan bahwa selama keruntuhan, sebuah bintang supermasif dikompresi menjadi titik dengan radius sangat kecil dan massa tak terbatas. Terlepas dari kenyataan bahwa peristiwa seperti itu sangat sulit untuk dibayangkan dari sudut pandang orang yang tidak siap, Landau tidak jauh dari kebenaran. Fisikawan itu juga menyarankan bahwa, menurut teori relativitas, gravitasi pada titik seperti itu akan sangat besar sehingga akan mulai mendistorsi ruang-waktu.

Ahli astrofisika menyukai teori Landau, dan mereka terus mengembangkannya. Pada tahun 1939, di Amerika, berkat upaya dua fisikawan - Robert Oppenheimer dan Hartland Sneijder - sebuah teori muncul yang menjelaskan secara rinci sebuah bintang supermasif pada saat keruntuhan. Sebagai hasil dari peristiwa seperti itu, lubang hitam yang nyata seharusnya muncul. Terlepas dari argumen yang meyakinkan, para ilmuwan terus menyangkal kemungkinan keberadaan benda-benda seperti itu, serta transformasi bintang menjadi mereka. Bahkan Einstein menjauhkan diri dari ide ini, percaya bahwa bintang tidak mampu melakukan transformasi fenomenal seperti itu. Fisikawan lain tidak pelit dalam pernyataan mereka, menyebut kemungkinan peristiwa seperti itu konyol.
Namun, sains selalu mencapai kebenaran, Anda hanya perlu menunggu sedikit. Dan begitulah yang terjadi.

Objek paling terang di alam semesta

Dunia kita adalah kumpulan paradoks. Terkadang hal-hal hidup berdampingan di dalamnya, koeksistensi yang menentang logika apa pun. Misalnya, istilah "lubang hitam" tidak akan dikaitkan pada orang normal dengan ungkapan "sangat terang", tetapi penemuan awal 60-an abad terakhir memungkinkan para ilmuwan untuk menganggap pernyataan ini salah.

Dengan bantuan teleskop, astrofisikawan berhasil mendeteksi objek yang sampai sekarang tidak diketahui di langit berbintang, yang berperilaku cukup aneh meskipun faktanya mereka tampak seperti bintang biasa. Mempelajari tokoh-tokoh aneh ini, ilmuwan Amerika Martin Schmidt menarik perhatian pada spektrografi mereka, yang datanya menunjukkan hasil yang berbeda dari pemindaian bintang lain. Sederhananya, bintang-bintang ini tidak seperti yang biasa kita lihat.

Tiba-tiba Schmidt sadar, dan dia menarik perhatian pada pergeseran spektrum dalam kisaran merah. Ternyata benda-benda ini jauh lebih jauh dari kita daripada bintang-bintang yang biasa kita lihat di langit. Misalnya, objek yang diamati oleh Schmidt terletak dua setengah miliar tahun cahaya dari planet kita, tetapi bersinar seterang bintang beberapa ratus tahun cahaya jauhnya. Ternyata cahaya dari satu objek tersebut sebanding dengan kecerahan seluruh galaksi. Penemuan ini merupakan terobosan nyata dalam astrofisika. Ilmuwan menyebut benda-benda ini "quasi-stellar" atau hanya "quasar".

Martin Schmidt terus mempelajari objek baru dan menemukan bahwa cahaya terang seperti itu hanya dapat disebabkan oleh satu alasan - akresi. Akresi adalah proses penyerapan materi di sekitarnya oleh benda supermasif dengan bantuan gravitasi. Ilmuwan sampai pada kesimpulan bahwa di pusat quasar ada lubang hitam besar, yang dengan kekuatan luar biasa menarik materi yang mengelilinginya di ruang angkasa dengan kekuatan luar biasa. Dalam proses penyerapan materi oleh lubang, partikel dipercepat hingga kecepatan luar biasa dan mulai bersinar. Kubah bercahaya aneh di sekitar lubang hitam disebut piringan akresi. Visualisasinya ditunjukkan dengan baik dalam film Christopher Nolan "Interstellar", yang memunculkan banyak pertanyaan "bagaimana lubang hitam bisa bersinar?".

Sampai saat ini, para ilmuwan telah menemukan ribuan quasar di langit berbintang. Benda aneh dan sangat terang ini disebut suar alam semesta. Mereka memungkinkan kita untuk membayangkan struktur kosmos sedikit lebih baik dan lebih dekat ke saat dari mana semuanya dimulai.

Terlepas dari kenyataan bahwa astrofisikawan telah memperoleh bukti tidak langsung untuk keberadaan objek tak terlihat supermasif di Semesta selama bertahun-tahun, istilah "lubang hitam" tidak ada sampai tahun 1967. Menghindari nama kompleks, fisikawan Amerika John Archibald Wheeler menyarankan untuk menyebut objek seperti itu "lubang hitam". Kenapa tidak? Sampai batas tertentu mereka berwarna hitam, karena kita tidak dapat melihatnya. Selain itu, mereka menarik segalanya, Anda bisa jatuh ke dalamnya, seperti di lubang sungguhan. Ya, dan keluar dari tempat seperti itu menurut hukum modern fisika tidak mungkin. Namun, Stephen Hawking mengklaim bahwa ketika bepergian melalui lubang hitam, Anda bisa masuk ke Alam Semesta lain, dunia lain, dan ini adalah harapan.

Takut akan ketidakterbatasan

Karena misteri dan romantisasi lubang hitam yang berlebihan, benda-benda ini telah menjadi cerita horor nyata di antara orang-orang. Pers kuning suka berspekulasi tentang populasi yang buta huruf, memberikan cerita luar biasa tentang bagaimana lubang hitam besar bergerak menuju Bumi kita, yang akan menelan tata surya dalam hitungan jam, atau hanya memancarkan gelombang gas beracun ke arah kita. planet.

Terutama populer adalah tema kehancuran planet ini dengan bantuan Large Hadron Collider, yang dibangun di Eropa pada tahun 2006 di wilayah Dewan Eropa untuk penelitian nuklir(CERN). Gelombang kepanikan dimulai sebagai seseorang lelucon konyol, tapi tumbuh seperti bola salju. Seseorang memulai desas-desus bahwa sebuah lubang hitam dapat terbentuk di akselerator partikel penumbuk, yang akan menelan planet kita seluruhnya. Tentu saja, orang-orang yang marah mulai menuntut larangan eksperimen di LHC, takut akan hasil seperti itu. Tuntutan hukum mulai datang ke Pengadilan Eropa menuntut untuk menutup collider, dan para ilmuwan yang menciptakannya harus dihukum semaksimal mungkin.

Faktanya, fisikawan tidak menyangkal bahwa ketika partikel bertabrakan di Large Hadron Collider, objek yang mirip dengan lubang hitam dapat muncul, tetapi ukurannya berada pada tingkat ukuran partikel dasar, dan "lubang" semacam itu ada untuk waktu yang singkat. bahwa kita bahkan tidak dapat merekam kejadiannya.

Salah satu ahli utama yang mencoba menghilangkan gelombang ketidaktahuan di depan orang-orang adalah Stephen Hawking - fisikawan teoretis terkenal, yang, apalagi, dianggap sebagai "guru" sejati tentang lubang hitam. Hawking membuktikan bahwa lubang hitam tidak selalu menyerap cahaya yang muncul di piringan akresi, dan sebagian dihamburkan ke luar angkasa. Fenomena ini disebut radiasi Hawking, atau penguapan lubang hitam. Hawking juga membangun hubungan antara ukuran lubang hitam dan tingkat "penguapan" - semakin kecil, semakin sedikit keberadaannya dalam waktu. Dan ini berarti bahwa semua penentang Large Hadron Collider tidak perlu khawatir: lubang hitam di dalamnya tidak akan bisa ada bahkan untuk sepersejuta detik pun.

Teori tidak terbukti dalam praktek

Sayangnya, teknologi umat manusia pada tahap perkembangan ini tidak memungkinkan kita untuk menguji sebagian besar teori yang dikembangkan oleh astrofisikawan dan ilmuwan lain. Di satu sisi, keberadaan lubang hitam cukup meyakinkan dibuktikan di atas kertas dan disimpulkan dengan bantuan formula di mana semuanya konvergen dengan setiap variabel. Di sisi lain, dalam praktiknya, kita belum berhasil melihat lubang hitam yang sebenarnya dengan mata kepala sendiri.

Terlepas dari semua ketidaksepakatan, fisikawan menyarankan bahwa di pusat masing-masing galaksi ada lubang hitam supermasif, yang mengumpulkan bintang-bintang ke dalam kelompok dengan gravitasinya dan membuat Anda melakukan perjalanan mengelilingi Semesta dalam sebuah perusahaan besar dan ramah. Di galaksi Bima Sakti kita, menurut berbagai perkiraan, ada 200 hingga 400 miliar bintang. Semua bintang ini berputar di sekitar sesuatu yang memiliki massa besar, di sekitar sesuatu yang tidak dapat kita lihat dengan teleskop. Kemungkinan besar itu adalah lubang hitam. Haruskah dia takut? - Tidak, setidaknya tidak dalam beberapa miliar tahun ke depan, tapi kita bisa membuat film menarik lainnya tentang dia.

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 medan gravitasi 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 terkecil. Michell menyarankan bahwa sel-sel cahaya, seperti materi biasa, mematuhi hukum mekanika. Konsekuensi dari hipotesis ini ternyata sangat non-sepele - benda angkasa dapat berubah menjadi perangkap cahaya.

Bagaimana menurut Michel? Bola meriam yang ditembakkan dari permukaan planet akan sepenuhnya mengatasi gravitasinya hanya jika kecepatan awal melebihi nilai yang sekarang disebut yang kedua kecepatan ruang dan kecepatan melarikan diri. 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. Nanti yang agung matematikawan Prancis, astronom dan fisikawan Pierre Simon Laplace, yang memasukkannya dalam edisi pertama (1796) dan 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 teori gelombang ringan, 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 bulan November 1915 Albert Einstein menerbitkan teori gravitasi yang disebutnya teori umum relativitas (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 bintang tidak terlalu mendistorsi struktur ruang dan waktu Newton, hanya dalam kasus itu, jika jari-jarinya jauh lebih dari itu besarnya 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 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 hal yang aneh itu benda luar angkasa 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?

Di akhir 30-an, calon ayah orang Amerika bom atom Robert Oppenheimer menemukan 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 . Tapi bahkan dari perkiraan perhitungan Oppenheimer dan mahasiswa pascasarjananya George Volkov mengikuti bahwa keturunan supernova yang paling masif tidak menjadi bintang neutron, tetapi pergi ke beberapa negara bagian lain. Pada tahun 1939, Oppenheimer dan Hartland Snyder membuktikan, dengan menggunakan model yang diidealkan, bahwa bintang besar yang runtuh menyusut ke arahnya. radius gravitasi. 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 dicintai oleh fisikawan dan jurnalis yang senang yang menyebarkannya ke seluruh dunia (walaupun 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 adalah 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, ia 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 menyerahkan massa, muatan, dan torsinya ke lubang.

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 mengizinkan kita untuk mempertimbangkan singularitas sentral 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.

Ketersediaan singularitas kuantum Memiliki hubungan langsung dengan nasib tubuh 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: bagaimanapun, di zona singularitas tidak ada waktu yang akrab atau ruang yang akrab.

Sekarang mari kita lihat cakrawala lubang melalui lensa mekanika kuantum. Ruang kosong — vakum fisik- sebenarnya, itu 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 di-overclock di bidang seperti itu, "virtual" yang baru lahir memperoleh energi ekstra dan terkadang menjadi partikel normal yang berumur panjang.

Partikel maya selalu lahir berpasangan yang bergerak masuk arah berlawanan(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" kondisi yang menguntungkan bisa pergi. 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, setelah yang luar biasa fisika bahasa inggris-theorist 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 sepuluh megaton bom hidrogen. Anehnya, massa lubang pada saat menghilang masih cukup besar, 22 mikrogram. Menurut beberapa model, lubang itu tidak menghilang 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 pangkat dua). 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 yang berasal dari 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 yang berubah-ubah dapat lahir segera setelah dentuman Besar yang memunculkan alam semesta kita. Lubang utama dengan berat hingga satu miliar ton telah menguap, tetapi lubang yang lebih berat masih dapat bersembunyi di kedalaman ruang dan, pada waktunya, mengatur kembang api kosmik dalam bentuk wabah yang kuat radiasi gamma. Namun, ledakan seperti itu belum pernah diamati sejauh ini.

pabrik lubang hitam

Apakah mungkin untuk mempercepat partikel-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 ini adalah 10 28 elektron volt. Ambang batas ini 15 kali lipat lebih tinggi dari 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. PADA ruang tiga dimensi gaya gravitasi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, dan dalam sembilan dimensi pangkat delapan. Oleh karena itu, dalam dunia multidimensi intensitas medan gravitasi dengan penurunan jarak meningkat jauh lebih cepat daripada di tiga dimensi. Dalam hal ini, panjang Planck meningkat berkali-kali, dan massa minimum lubang turun tajam.

Teori string memprediksi bahwa lubang hitam dengan massa hanya 10 -20 g dapat lahir di ruang sembilan dimensi. massa relativistik proton dipercepat dalam superakselerator zern. 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 juga lubang berputar yang memiliki karangan bunga properti paling 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 atas dasar teori sel cahaya dan teori gravitasi Newton. Pada saat itu, teori gelombang Huygens dan karyanya yang terkenal prinsip gelombang 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 masif 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 di alam mungkin ada bintang besar, daya tarik yang sel-selnya tidak dapat lagi diatasi, dan sel-sel itu akan selalu tampak hitam bagi pengamat luar, meskipun sel-sel itu 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 masif yang memancarkan cahaya, yang memiliki kerapatan. sama dengan kepadatan Bumi, dan jari-jarinya 250 kali lebih besar dari matahari.

Teori Laplace ini hanya disertakan dalam dua edisi pertama seumur hidupnya buku terkenal"Pernyataan sistem dunia", 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 mengabaikan 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 invariabilitas besarnya penyimpangan cahaya di bintang yang berbeda, yang bertentangan dengan beberapa kesimpulan teorinya, yang menjadi dasar perhitungannya. Tapi kebanyakan kemungkinan penyebab Fakta bahwa semua orang lupa tentang benda-benda hipotetis Michell-Laplace yang misterius 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 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 ilmu pengetahuan oleh fisikawan Amerika J. Wheeler pada tahun 1968, selama tahun-tahun kebangkitan pesat minat dalam relativitas umum, kosmologi dan astrofisika, yang disebabkan oleh pencapaian ekstra-atmosfer (khususnya , x-ray) astronomi, penemuan radiasi peninggalan, pulsar dan quasar.

Sejarah lubang hitam

Alexey Levin

Pemikiran ilmiah terkadang tidak membangun objek dengan sifat paradoks yang 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 menjadi percaya pada realitas mereka. Namun, persamaan dasar teori lubang hitam diturunkan lebih dari dua ratus tahun yang lalu.