A incrível história dos buracos negros. Buracos negros: a história da descoberta dos objetos mais misteriosos do universo que nunca veremos

« Ficção científica pode ser útil - estimula a imaginação e alivia o medo do futuro. No entanto fatos científicos pode ser muito mais incrível. A ficção científica nem sequer imaginou coisas como buracos negros »
Stephen Hawking

Nas profundezas do universo para o homem residem incontáveis mistérios e mistérios. Um deles são os buracos negros - objetos que nem podem ser entendidos as maiores mentes humanidade. Centenas de astrofísicos estão tentando descobrir a natureza dos buracos negros, mas este estágio ainda nem provamos sua existência na prática.

Diretores de cinema dedicam seus filmes a eles e, entre pessoas comuns Os buracos negros tornaram-se um fenômeno tão cult que são identificados com o fim do mundo e a morte iminente. Eles são temidos e odiados, mas ao mesmo tempo são idolatrados e se curvam diante do desconhecido, do qual esses estranhos fragmentos do Universo estão repletos. Concordo, ser engolido por um buraco negro é esse tipo de romance. Com a ajuda deles, é possível, e eles também podem se tornar guias para nós.

A imprensa amarela muitas vezes especula sobre a popularidade dos buracos negros. Encontrar manchetes nos jornais relacionadas ao fim do mundo no planeta devido a outra colisão com um buraco negro supermassivo não é um problema. Muito pior é que a parte analfabeta da população leva tudo a sério e gera um pânico real. Para trazer alguma clareza, faremos uma viagem às origens da descoberta dos buracos negros e tentaremos entender o que é e como se relacionar com ele.

estrelas invisíveis

Acontece que os físicos modernos descrevem a estrutura do nosso Universo com a ajuda da teoria da relatividade, que Einstein forneceu cuidadosamente à humanidade no início do século XX. Ainda mais misteriosos são os buracos negros, no horizonte de eventos dos quais todas as leis da física conhecidas por nós, incluindo a teoria de Einstein, deixam de funcionar. Não é maravilhoso? Além disso, a conjectura sobre a existência de buracos negros foi expressa muito antes do nascimento do próprio Einstein.

Em 1783, houve um aumento significativo na Inglaterra atividade científica. Naquela época, a ciência andava lado a lado com a religião, se davam bem e os cientistas não eram mais considerados hereges. Além disso, pesquisa científica os sacerdotes fizeram. Um desses servos de Deus foi o pastor inglês John Michell, que se questionava não apenas sobre o ser, mas também bastante tarefas científicas. Michell era um cientista altamente condecorado: ele era originalmente um professor de matemática e linguística antiga em uma das faculdades, e depois disso, por uma série de descobertas, ele foi admitido na Royal Society de Londres.

John Michell lidava com sismologia, mas em seu tempo livre gostava de pensar no eterno e no cosmos. Foi assim que ele teve a ideia de que em algum lugar nas profundezas do Universo podem existir corpos supermassivos com gravidade tão poderosa que para superar a força gravitacional de tal corpo, é necessário mover-se a uma velocidade igual ou maior que a velocidade da luz. Se aceitarmos tal teoria como verdadeira, então desenvolveremos uma segunda velocidade cósmica (a velocidade necessária para superar atração gravitacional deixando o corpo) mesmo a luz não pode, então tal corpo permanecerá invisível a olho nu.

Michell chamou sua nova teoria de "estrelas escuras" e ao mesmo tempo tentou calcular a massa de tais objetos. Ele expressou sua opinião sobre o assunto em carta aberta Sociedade Real de Londres. Infelizmente, naquela época, essa pesquisa não tinha um valor particular para a ciência, então a carta de Michell foi enviada ao arquivo. Apenas duzentos anos depois, na segunda metade do século 20, foi encontrado entre milhares de outros registros cuidadosamente guardados na antiga biblioteca.

A primeira evidência científica da existência de buracos negros

Após o lançamento da Teoria Geral da Relatividade de Einstein, matemáticos e físicos começaram a resolver seriamente as equações apresentadas pelo cientista alemão, que deveriam nos dizer muito sobre a estrutura do Universo. O astrônomo alemão, o físico Karl Schwarzschild decidiu fazer o mesmo em 1916.

O cientista, usando seus cálculos, chegou à conclusão de que a existência de buracos negros é possível. Ele também foi o primeiro a descrever o que mais tarde foi chamado de frase romântica "horizonte de eventos" - um limite imaginário do espaço-tempo em um buraco negro, depois de cruzar o qual chega a um ponto sem retorno. Nada escapa do horizonte de eventos, nem mesmo a luz. É além do horizonte de eventos que ocorre a chamada “singularidade”, onde as leis da física que conhecemos deixam de operar.

Continuando a desenvolver sua teoria e resolvendo equações, Schwarzschild descobriu novos segredos dos buracos negros para si e para o mundo. Assim, ele conseguiu calcular, apenas no papel, a distância do centro de um buraco negro, onde sua massa está concentrada, até o horizonte de eventos. Schwarzschild chamou essa distância de raio gravitacional.

Apesar do fato de que matematicamente as soluções de Schwarzschild eram excepcionalmente corretas e não podiam ser refutadas, comunidade científica o início do século 20 não podia aceitar imediatamente uma descoberta tão chocante, e a existência de buracos negros foi descartada como uma fantasia, que de vez em quando se manifestava na teoria da relatividade. Nos quinze anos seguintes, o estudo do espaço para a presença de buracos negros foi lento, e apenas alguns adeptos da teoria do físico alemão estavam envolvidos nele.

Estrelas que dão origem à escuridão

Depois que as equações de Einstein foram desmontadas, era hora de usar as conclusões tiradas para entender a estrutura do Universo. Em particular, na teoria da evolução das estrelas. Não é nenhum segredo que nada em nosso mundo dura para sempre. Até as estrelas têm seu próprio ciclo de vida, embora mais longo do que uma pessoa.

Um dos primeiros cientistas que se interessaram seriamente pela evolução estelar foi o jovem astrofísico Subramanyan Chandrasekhar, natural da Índia. Em 1930, publicou um trabalho científico que descrevia a suposta estrutura interna estrelas e seus ciclos de vida.

Já no início do século 20, os cientistas adivinharam um fenômeno como a contração gravitacional (colapso gravitacional). NO certo momento de sua vida, a estrela começa a encolher a uma velocidade tremenda sob a influência de forças gravitacionais. Como regra, isso acontece no momento da morte de uma estrela, no entanto, com um colapso gravitacional, existem várias maneiras para a existência de uma bola em brasa.

O supervisor de Chandrasekhar, Ralph Fowler, um respeitado físico teórico em seu tempo, sugeriu que durante um colapso gravitacional, qualquer estrela se transforma em uma estrela menor e mais quente - uma anã branca. Mas acabou que o aluno "quebrou" a teoria do professor, que era compartilhada pela maioria dos físicos no início do século passado. Segundo o trabalho de um jovem hindu, a morte de uma estrela depende de sua massa inicial. Por exemplo, apenas as estrelas cuja massa não excede 1,44 vezes a massa do Sol podem se tornar anãs brancas. Este número foi chamado de limite de Chandrasekhar. Se a massa da estrela excedeu esse limite, ela morre de uma maneira completamente diferente. Sob certas condições, tal estrela no momento da morte pode renascer em uma nova estrela de nêutrons - outro mistério do Universo moderno. A teoria da relatividade, por outro lado, nos diz mais uma opção - a compressão de uma estrela para valores ultra-pequenos, e aqui começa o mais interessante.

Em 1932, um artigo apareceu em uma das revistas científicas em que o brilhante físico da URSS Lev Landau sugeriu que durante o colapso, uma estrela supermassiva é comprimida em um ponto com raio infinitesimal e massa infinita. Apesar do fato de que tal evento é muito difícil de imaginar do ponto de vista de uma pessoa despreparada, Landau não estava longe da verdade. O físico também sugeriu que, de acordo com a teoria da relatividade, a gravidade em tal ponto seria tão grande que começaria a distorcer o espaço-tempo.

Os astrofísicos gostaram da teoria de Landau e continuaram a desenvolvê-la. Em 1939, na América, graças aos esforços de dois físicos - Robert Oppenheimer e Hartland Sneijder - surgiu uma teoria que descreve em detalhes uma estrela supermassiva no momento do colapso. Como resultado de tal evento, um verdadeiro buraco negro deveria ter aparecido. Apesar da persuasão dos argumentos, os cientistas continuaram a negar a possibilidade da existência de tais corpos, bem como a transformação de estrelas neles. Até Einstein se distanciou dessa ideia, acreditando que a estrela não é capaz de transformações tão fenomenais. Outros físicos não foram mesquinhos em suas declarações, chamando a possibilidade de tais eventos de ridícula.
No entanto, a ciência sempre chega à verdade, basta esperar um pouco. E assim aconteceu.

Os objetos mais brilhantes do universo

Nosso mundo é uma coleção de paradoxos. Às vezes coexistem coisas nele, cuja coexistência desafia qualquer lógica. Por exemplo, o termo "buraco negro" não estaria associado em uma pessoa normal à expressão "incrivelmente brilhante", mas a descoberta do início dos anos 60 do século passado permitiu que os cientistas considerassem essa afirmação incorreta.

Com a ajuda de telescópios, os astrofísicos conseguiram detectar objetos até então desconhecidos no céu estrelado, que se comportavam de maneira bastante estranha, apesar de parecerem estrelas comuns. Estudando esses estranhos luminares, o cientista americano Martin Schmidt chamou a atenção para sua espectrografia, cujos dados mostraram resultados diferentes da varredura de outras estrelas. Simplificando, essas estrelas não eram como as outras com as quais estamos acostumados.

De repente, Schmidt percebeu e chamou a atenção para a mudança do espectro na faixa vermelha. Descobriu-se que esses objetos estão muito mais distantes de nós do que as estrelas que estamos acostumados a ver no céu. Por exemplo, o objeto observado por Schmidt estava localizado a dois bilhões e meio de anos-luz do nosso planeta, mas brilhava tão intensamente quanto uma estrela a algumas centenas de anos-luz de distância. Acontece que a luz de um desses objetos é comparável ao brilho de uma galáxia inteira. Esta descoberta foi um verdadeiro avanço na astrofísica. O cientista chamou esses objetos de "quase-estelares" ou simplesmente "quasares".

Martin Schmidt continuou a estudar novos objetos e descobriu que um brilho tão brilhante pode ser causado por apenas uma razão - acreção. Acreção é o processo de absorção da matéria circundante por um corpo supermassivo com a ajuda da gravidade. O cientista chegou à conclusão de que no centro dos quasares existe um enorme buraco negro, que com uma força incrível atrai para si a matéria que o cerca no espaço. No processo de absorção da matéria pelo buraco, as partículas são aceleradas a velocidades enormes e começam a brilhar. A peculiar cúpula luminosa em torno de um buraco negro é chamada de disco de acreção. A sua visualização foi bem demonstrada no filme "Interestelar" de Christopher Nolan, que deu origem a muitas questões "como pode um buraco negro brilhar?".

Até o momento, os cientistas encontraram milhares de quasares no céu estrelado. Esses objetos estranhos e incrivelmente brilhantes são chamados de faróis do universo. Eles nos permitem imaginar um pouco melhor a estrutura do cosmos e nos aproximarmos do momento em que tudo começou.

Apesar do fato de os astrofísicos terem obtido evidências indiretas da existência de objetos invisíveis supermassivos no Universo por muitos anos, o termo "buraco negro" não existia até 1967. Evitar nomes complexos, físico americano John Archibald Wheeler sugeriu chamar esses objetos de "buracos negros". Por que não? Até certo ponto eles são pretos, porque não podemos vê-los. Além disso, eles atraem tudo, você pode cair neles, assim como em um buraco real. Sim, e saia de tal lugar de acordo com leis modernas física é simplesmente impossível. No entanto, Stephen Hawking afirma que, ao viajar por um buraco negro, você pode entrar em outro universo, outro mundo, e isso é esperança.

Medo do infinito

Devido ao excessivo mistério e romantização dos buracos negros, esses objetos se tornaram uma verdadeira história de terror entre as pessoas. A imprensa amarela adora especular sobre o analfabetismo da população, dando histórias surpreendentes sobre como um enorme buraco negro está se movendo em direção à nossa Terra, que engolirá o sistema solar em questão de horas, ou simplesmente emitirá ondas de gás tóxico em direção ao nosso planeta. planeta.

Especialmente popular é o tema da destruição do planeta com a ajuda do Grande Colisor de Hádrons, que foi construído na Europa em 2006 no território do Conselho Europeu de pesquisa nuclear(CERN). A onda de pânico começou quando alguém piada boba, mas cresceu como uma bola de neve. Alguém começou um boato de que um buraco negro poderia se formar no acelerador de partículas do colisor, que engoliria nosso planeta inteiramente. Claro, as pessoas indignadas começaram a exigir a proibição de experimentos no LHC, com medo de tal resultado. Ações judiciais começaram a chegar ao Tribunal Europeu exigindo o fechamento do colisor, e os cientistas que o criaram para serem punidos em toda a extensão da lei.

De fato, os físicos não negam que, quando as partículas colidem no Grande Colisor de Hádrons, podem aparecer objetos semelhantes em propriedades aos buracos negros, mas seu tamanho está no nível dos tamanhos de partículas elementares, e esses “buracos” existem por tão pouco tempo que não podemos sequer registrar sua ocorrência.

Um dos principais especialistas que estão tentando dissipar a onda de ignorância na frente das pessoas é Stephen Hawking - o famoso físico teórico, que, além disso, é considerado um verdadeiro "guru" em relação aos buracos negros. Hawking provou que os buracos negros nem sempre absorvem a luz que aparece nos discos de acreção, e parte dela é espalhada no espaço. Esse fenômeno foi chamado de radiação Hawking, ou evaporação do buraco negro. Hawking também estabeleceu uma relação entre o tamanho de um buraco negro e a taxa de sua "evaporação" - quanto menor, menos existe no tempo. E isso significa que todos os oponentes do Grande Colisor de Hádrons não devem se preocupar: os buracos negros nele não poderão existir nem por um milionésimo de segundo.

Teoria não comprovada na prática

Infelizmente, as tecnologias da humanidade neste estágio de desenvolvimento não nos permitem testar a maioria das teorias desenvolvidas por astrofísicos e outros cientistas. Por um lado, a existência de buracos negros é comprovada de forma bastante convincente no papel e deduzida usando fórmulas em que tudo convergia com todas as variáveis. Por outro lado, na prática, ainda não conseguimos ver um buraco negro real com nossos próprios olhos.

Apesar de todas as divergências, os físicos sugerem que no centro de cada uma das galáxias existe um buraco negro supermassivo, que reúne estrelas em aglomerados com sua gravidade e faz você viajar pelo Universo em uma grande e amigável companhia. Em nossa galáxia Via Láctea, de acordo com várias estimativas, existem de 200 a 400 bilhões de estrelas. Todas essas estrelas giram em torno de algo que tem uma massa enorme, em torno de algo que não podemos ver com um telescópio. Provavelmente é um buraco negro. Ela deveria ter medo? - Não, pelo menos não nos próximos bilhões de anos, mas podemos fazer outro filme interessante sobre ela.

O pensamento científico às vezes constrói objetos com propriedades tão paradoxais que até mesmo os cientistas mais astutos se recusam a reconhecê-los. O exemplo mais óbvio na história da física moderna é a falta de interesse a longo prazo em buracos negros, estados extremos campo gravitacional previsto há quase 90 anos. Por muito tempo eles foram considerados uma abstração puramente teórica, e somente nas décadas de 1960 e 1970 eles acreditaram em sua realidade. No entanto, a equação básica da teoria dos buracos negros foi derivada há mais de duzentos anos.

A visão de John Michell

O nome de John Michell, físico, astrônomo e geólogo, professor da Universidade de Cambridge e pastor da Igreja da Inglaterra, foi completamente imerecidamente perdido entre as estrelas da ciência inglesa no século XVIII. Michell lançou as bases da sismologia, a ciência dos terremotos, realizou um excelente estudo do magnetismo e muito antes de Coulomb inventar a balança de torção que ele usava para medições gravimétricas. Em 1783, ele tentou combinar as duas grandes criações de Newton, a mecânica e a ótica. Newton considerava a luz um fluxo partículas menores. Michell sugeriu que os corpúsculos leves, como a matéria comum, obedecem às leis da mecânica. A consequência desta hipótese acabou por ser muito não trivial - corpos celestiais podem se transformar em armadilhas de luz.

Como Michell pensou? Uma bala de canhão disparada da superfície de um planeta superará completamente sua gravidade somente se velocidade inicial excede o valor agora chamado de segundo velocidade do espaço e velocidade de fuga. Se a gravidade do planeta é tão forte que a velocidade de escape excede a velocidade da luz, os corpúsculos de luz disparados no zênite não podem escapar ao infinito. O mesmo acontecerá com a luz refletida. Portanto, para um observador muito distante, o planeta será invisível. Michell calculou o valor crítico do raio de tal planeta, Rcr, dependendo de sua massa, M, reduzida à massa do nosso Sol, Ms: Rcr = 3 km x M/Ms.

John Michell acreditou em suas fórmulas e assumiu que as profundezas do espaço escondem muitas estrelas que não podem ser vistas da Terra com nenhum telescópio. Mais tarde, o grande matemático francês, astrônomo e físico Pierre Simon Laplace, que o incluiu na primeira (1796) e na segunda (1799) edições de sua Exposição do Sistema do Mundo. Mas a terceira edição foi publicada em 1808, quando a maioria dos físicos já considerava a luz como vibrações do éter. A existência de estrelas "invisíveis" contradiz teoria das ondas luz, e Laplace achou melhor não mencioná-los. Em épocas posteriores, essa ideia foi considerada uma curiosidade, digna de exposição apenas em trabalhos sobre a história da física.

Modelo Schwarzschild

Em novembro de 1915, Albert Einstein publicou uma teoria da gravidade que ele chamou de teoria geral relatividade (GR). Este trabalho imediatamente encontrou um leitor agradecido na pessoa de seu colega da Academia de Ciências de Berlim Karl Schwarzschild. Foi Schwarzschild quem foi o primeiro no mundo a aplicar a relatividade geral para resolver um problema astrofísico específico, para calcular a métrica do espaço-tempo fora e dentro de um corpo esférico não giratório (para concretude, chamaremos de estrela).

Segue-se dos cálculos de Schwarzschild que a gravidade de uma estrela não distorce muito a estrutura newtoniana de espaço e tempo apenas em Aquele caso, se seu raio for muito mais que isso a mesma magnitude que John Michell calculou! Este parâmetro foi inicialmente chamado de raio de Schwarzschild, e agora é chamado de raio gravitacional. De acordo com a relatividade geral, a gravidade não afeta a velocidade da luz, mas reduz a frequência das vibrações da luz na mesma proporção em que diminui o tempo. Se o raio de uma estrela é 4 vezes maior que o raio gravitacional, o fluxo do tempo em sua superfície diminui em 15% e o espaço adquire uma curvatura perceptível. Com um excesso duplo, ele se dobra mais e o tempo diminui sua corrida em 41%. Quando o raio gravitacional é atingido, o tempo na superfície da estrela para completamente (todas as frequências são zeradas, a radiação é congelada e a estrela se apaga), mas a curvatura do espaço ainda é finita. Longe do sol, a geometria ainda permanece euclidiana, e o tempo não muda sua velocidade.

Apesar de os valores do raio gravitacional para Michell e Schwarzschild serem os mesmos, os próprios modelos não têm nada em comum. Para Michell, o espaço e o tempo não mudam, mas a luz desacelera. Uma estrela cujas dimensões são menores que seu raio gravitacional continua a brilhar, mas é visível apenas para um observador não muito distante. Para Schwarzschild, a velocidade da luz é absoluta, mas a estrutura do espaço e do tempo depende da gravidade. Uma estrela que caiu sob o raio gravitacional desaparece para qualquer observador, não importa onde ele esteja (mais precisamente, pode ser detectado por efeitos gravitacionais, mas não por radiação).

Da descrença à afirmação

Schwarzschild e seus contemporâneos acreditavam que essa estranha objetos espaciais não existem na natureza. O próprio Einstein não apenas aderiu a esse ponto de vista, mas também acreditou erroneamente que conseguiu fundamentar sua opinião matematicamente.

Na década de 1930, um jovem astrofísico indiano, Chandrasekhar, provou que uma estrela que gastou seu combustível nuclear perde sua casca e se transforma em uma anã branca de resfriamento lento apenas se sua massa for inferior a 1,4 massas solares. Logo, o americano Fritz Zwicky adivinhou que corpos extremamente densos de matéria de nêutrons surgem em explosões de supernovas; Mais tarde, Lev Landau chegou à mesma conclusão. Após o trabalho de Chandrasekhar, era óbvio que apenas estrelas com massa superior a 1,4 massas solares poderiam sofrer tal evolução. Portanto, surgiu uma questão natural - existe um limite de massa superior para supernovas que as estrelas de nêutrons deixam para trás?

No final dos anos 30, o futuro pai do americano bomba atômica Robert Oppenheimer descobriu que tal limite existe de fato e não excede vários massas solares. Não foi possível então fazer uma avaliação mais precisa; sabe-se agora que as massas das estrelas de nêutrons devem estar na faixa de 1,5-3 M s . Mas mesmo de cálculos aproximados Oppenheimer e seu aluno de pós-graduação George Volkov seguiram que os descendentes mais massivos de supernovas não se tornam estrelas de nêutrons, mas vá para algum outro estado. Em 1939, Oppenheimer e Hartland Snyder provaram, usando um modelo idealizado, que uma estrela massiva em colapso encolhe em direção à sua raio gravitacional. De suas fórmulas, de fato, segue-se que a estrela não para por aí, mas os co-autores se abstiveram de uma conclusão tão radical.

A resposta final foi encontrada na segunda metade do século 20 pelos esforços de uma galáxia de físicos teóricos brilhantes, incluindo os soviéticos. Descobriu-se que tal colapso sempre comprime a estrela "até o fim", destruindo completamente sua substância. Como resultado, surge uma singularidade, um "superconcentrado" do campo gravitacional, fechado em um volume infinitamente pequeno. Para um furo fixo, este é um ponto, para um furo rotativo, é um anel. A curvatura do espaço-tempo e, consequentemente, a força da gravidade perto da singularidade tendem ao infinito. No final de 1967, o físico americano John Archibald Wheeler foi o primeiro a chamar esse colapso estelar final de buraco negro. Novo termo amado por físicos e jornalistas encantados que o espalharam pelo mundo (embora os franceses não gostassem no início, porque a expressão trou noir sugeria associações duvidosas).

Lá, além do horizonte

Um buraco negro não é matéria nem radiação. Com alguma figuratividade, podemos dizer que se trata de um campo gravitacional autossustentável, concentrado em uma região altamente curva do espaço-tempo. Seu limite externo é definido por uma superfície fechada, o horizonte de eventos. Se a estrela não girava antes do colapso, essa superfície acaba sendo uma esfera regular, cujo raio coincide com o raio de Schwarzschild.

significado físico o horizonte é muito claro. Um sinal de luz enviado de sua vizinhança externa pode percorrer uma distância infinita. Mas os sinais enviados da região interna não apenas não cruzarão o horizonte, mas inevitavelmente “cairão” na singularidade. O horizonte é o limite espacial entre eventos que podem se tornar conhecidos pelos astrônomos terrestres (e quaisquer outros) e eventos cuja informação não será divulgada em nenhuma circunstância.

Como deveria ser "segundo Schwarzschild", longe do horizonte, a atração de um buraco é inversamente proporcional ao quadrado da distância, portanto, para um observador distante, ele se manifesta como um corpo pesado comum. Além da massa, o buraco herda o momento de inércia da estrela colapsada e sua carga elétrica. E todas as outras características da estrela predecessora (estrutura, composição, tipo espectral etc.) caem no esquecimento.

Vamos enviar uma sonda para o buraco com uma estação de rádio que envia um sinal uma vez por segundo de acordo com o tempo de bordo. Para um observador distante, à medida que a sonda se aproxima do horizonte, os intervalos de tempo entre os sinais aumentam - em princípio, indefinidamente. Assim que o navio cruzar o horizonte invisível, ficará completamente silencioso para o mundo "sobre o buraco". No entanto, esse desaparecimento não será sem vestígios, pois a sonda dará ao buraco sua massa, carga e torque.

radiação do buraco negro

Todos os modelos anteriores foram construídos exclusivamente com base na relatividade geral. No entanto, nosso mundo é governado por leis mecânica quântica, que não ignoram os buracos negros. Essas leis não nos permitem considerar a singularidade central ponto matemático. Em um contexto quântico, seu diâmetro é dado pelo comprimento de Planck-Wheeler, aproximadamente igual a 10 -33 centímetros. Nesta região, o espaço comum deixa de existir. É geralmente aceito que o centro do buraco é preenchido com várias estruturas topológicas que aparecem e morrem de acordo com as leis probabilísticas quânticas. As propriedades desse quase-espaço borbulhante, que Wheeler chamou de espuma quântica, ainda são pouco compreendidas.

Disponibilidade singularidade quântica Tem relação direta ao destino dos corpos materiais que caem profundamente no buraco negro. Ao se aproximar do centro do buraco, qualquer objeto feito de materiais atualmente conhecidos será esmagado e dilacerado pelas forças das marés. No entanto, mesmo que futuros engenheiros e tecnólogos criem algumas ligas e compósitos super-resistentes com propriedades desconhecidas hoje, todos eles estão fadados a desaparecer de qualquer maneira: afinal, na zona de singularidade não há tempo nem espaço familiares.

Agora vamos olhar para o horizonte do buraco através de uma lente da mecânica quântica. Espaço vazio — vácuo físico- na verdade, não é de forma alguma vazio. Devido às flutuações quânticas de vários campos no vácuo, muitas partículas virtuais nascem e morrem continuamente. Como a gravidade perto do horizonte é muito forte, suas flutuações criam explosões gravitacionais extremamente fortes. Quando overclock em tais campos, os "virtuais" recém-nascidos adquirem energia extra e às vezes se tornam partículas normais de vida longa.

Partículas virtuais sempre nascem em pares que se movem em direções opostas(isto é exigido pela lei da conservação da quantidade de movimento). Se uma flutuação gravitacional extrai um par de partículas do vácuo, pode acontecer que uma delas se materialize fora do horizonte e a segunda (a antipartícula da primeira) dentro. A partícula "interna" cairá no buraco, mas a partícula "externa" condições fávoraveis pode deixar. Como resultado, o buraco se transforma em uma fonte de radiação e, portanto, perde energia e, consequentemente, massa. Portanto, os buracos negros são fundamentalmente instáveis.

Este fenômeno é chamado de efeito Hawking, após a notável física inglesa-teórico que o descobriu em meados da década de 1970. Stephen Hawking, em particular, provou que o horizonte de um buraco negro emite fótons exatamente da mesma maneira que um corpo absolutamente preto aquecido a uma temperatura T = 0,5 x 10 -7 x M s /M. Segue-se que, à medida que o buraco se torna mais fino, sua temperatura aumenta e a "evaporação", é claro, aumenta. Este processo é extremamente lento e o tempo de vida de um buraco de massa M é de cerca de 10 65 x (M/M s) 3 anos. Quando seu tamanho se torna igual ao comprimento Planck-Wheeler, o buraco perde estabilidade e explode, liberando a mesma energia da explosão simultânea de um milhão de dez megatons bombas de hidrogênio. Curiosamente, a massa do buraco no momento do seu desaparecimento ainda é bastante grande, 22 microgramas. De acordo com alguns modelos, o buraco não desaparece sem deixar vestígios, mas deixa para trás uma relíquia estável da mesma massa, o chamado maximon.

Máximo nasceu há 40 anos - como termo e como ideia física. Em 1965, o acadêmico M. A. Markov sugeriu que existe um limite superior para a massa das partículas elementares. Ele sugeriu que esse valor limite fosse considerado a dimensão da massa, que pode ser combinada a partir de três constantes físicas fundamentais - a constante h de Planck, a velocidade da luz C e a constante gravitacional G (para os amantes de detalhes: para fazer isso, você precisa multiplique h e C, divida o resultado por G e extraia Raiz quadrada). Esses são os mesmos 22 microgramas mencionados no artigo, esse valor é chamado de massa de Planck. A partir das mesmas constantes é possível construir um valor com a dimensão do comprimento (o comprimento Planck-Wheeler sairá, 10 -33 cm) e com a dimensão do tempo (10 -43 seg).
Markov foi mais longe em seu raciocínio. De acordo com sua hipótese, a evaporação de um buraco negro leva à formação de um "resíduo seco" - um maximon. Markov chamou essas estruturas de buracos negros elementares. Até que ponto essa teoria corresponde à realidade ainda é uma questão em aberto. De qualquer forma, análogos dos máximos de Markov foram revividos em alguns modelos de buracos negros baseados na teoria das supercordas.

Profundidades do espaço

Os buracos negros não são proibidos pelas leis da física, mas eles existem na natureza? Evidência absolutamente estrita da presença no espaço de pelo menos um desses objetos ainda não foi encontrada. No entanto, é altamente provável que em alguns sistemas binários as fontes de raios X sejam buracos negros de origem estelar. Essa radiação deve surgir como resultado da sucção da atmosfera de uma estrela comum pelo campo gravitacional de um buraco vizinho. O gás durante seu movimento para o horizonte de eventos é fortemente aquecido e emite quanta de raios X. Pelo menos duas dúzias de fontes de raios-X são agora consideradas candidatas adequadas para o papel dos buracos negros. Além disso, as estatísticas estelares sugerem que existem cerca de dez milhões de buracos de origem estelar somente em nossa galáxia.

Os buracos negros também podem se formar no processo de condensação gravitacional da matéria nos núcleos galácticos. É assim que surgem buracos gigantescos com uma massa de milhões e bilhões de massas solares, que, com toda a probabilidade, são encontrados em muitas galáxias. Aparentemente, no centro da Via Láctea, coberto de nuvens de poeira, existe um buraco com uma massa de 3-4 milhões de massas solares.

Stephen Hawking chegou à conclusão de que buracos negros de massa arbitrária poderiam nascer imediatamente após grande explosão que deu origem ao nosso universo. Buracos primários pesando até um bilhão de toneladas já evaporaram, mas os mais pesados ainda podem se esconder nas profundezas do espaço e, no devido tempo, organizar fogos de artifício cósmicos na forma surtos poderosos radiação gama. No entanto, tais explosões nunca foram observadas até agora.

fábrica de buracos negros

É possível acelerar as partículas no acelerador a uma energia tão alta que sua colisão daria origem a um buraco negro? À primeira vista, essa ideia é simplesmente louca - a explosão do buraco destruirá toda a vida na Terra. Além disso, é tecnicamente inviável. Se a massa mínima de um buraco é de fato 22 microgramas, então em unidades de energia isto é 10 28 elétron-volts. Este limite é 15 ordens de magnitude superior à capacidade do acelerador mais poderoso do mundo, o Large Hadron Collider (LHC), que será lançado no CERN em 2007.

No entanto, é possível que a estimativa padrão da massa mínima de um furo seja significativamente superestimada. De qualquer forma, é o que dizem os físicos que desenvolvem a teoria das supercordas, que inclui a teoria quântica da gravidade (embora longe de ser completa). De acordo com essa teoria, o espaço não tem menos de três dimensões, mas pelo menos nove. Não notamos dimensões extras, porque elas são enroladas em uma escala tão pequena que nossos instrumentos não as percebem. No entanto, a gravidade é onipresente, penetra em dimensões ocultas. NO espaço tridimensional a força da gravidade é inversamente proporcional ao quadrado da distância, e em nove dimensões à oitava potência. Portanto, em mundo multidimensional a intensidade do campo gravitacional com a diminuição da distância aumenta muito mais rápido do que em três dimensões. Nesse caso, o comprimento de Planck aumenta muitas vezes e a massa mínima do furo cai drasticamente.

A teoria das cordas prevê que um buraco negro com uma massa de apenas 10 -20 g pode nascer no espaço de nove dimensões. massa relativista prótons acelerados no superacelerador zern. De acordo com o cenário mais otimista, ele será capaz de produzir um buraco a cada segundo, que durará cerca de 10 a 26 segundos. No processo de sua evaporação, nascerão todos os tipos de partículas elementares, que serão fáceis de registrar. O desaparecimento do buraco levará à liberação de energia, que não é suficiente nem para aquecer um micrograma de água por milésimo de grau. Portanto, há esperança de que o LHC se transforme em uma fábrica de buracos negros inofensivos. Se esses modelos estiverem corretos, os detectores de raios cósmicos orbitais de nova geração também serão capazes de detectar esses buracos.

Todos os itens acima se aplicam a buracos negros estacionários. Enquanto isso, também existem furos rotativos que possuem um buquê propriedades mais interessantes. Os resultados da análise teórica da radiação dos buracos negros também levaram a um sério repensar do conceito de entropia, que também merece uma discussão à parte. Mais sobre isso na próxima edição.

A hipótese da existência de buracos negros foi apresentada pela primeira vez pelo astrônomo inglês J. Michell em 1783 com base em teoria corpuscular luz e a teoria newtoniana da gravidade. Naquela época, a teoria ondulatória de Huygens e seu famoso princípio da onda foram simplesmente esquecidos. A teoria das ondas não foi ajudada pelo apoio de alguns cientistas veneráveis, em particular, os famosos acadêmicos de São Petersburgo M.V. Lomonosov e L. Euler. A lógica do raciocínio que levou Michell ao conceito de buraco negro é muito simples: se a luz consiste em partículas-corpúsculos do éter luminífero, então essas partículas, como outros corpos, devem sofrer atração do campo gravitacional. Consequentemente, quanto mais massiva a estrela (ou planeta), maior a atração de seu lado pelos corpúsculos e mais difícil é para a luz deixar a superfície de tal corpo.

Uma lógica adicional sugere que na natureza pode haver tal estrelas massivas, cuja atração os corpúsculos não podem mais superar, e eles sempre parecerão pretos para um observador externo, embora eles mesmos possam brilhar com um brilho deslumbrante, como o Sol. Fisicamente, isso significa que a segunda velocidade cósmica na superfície de tal estrela não deve ser menor que a velocidade da luz. Os cálculos de Michell mostram que a luz nunca deixará uma estrela se seu raio na densidade solar média for 500 solar. Tal estrela já pode ser chamada de buraco negro.

Após 13 anos, o matemático e astrônomo francês P.S. Laplace expressou, provavelmente, independentemente de Michell, uma hipótese semelhante sobre a existência de tais objetos exóticos. Usando um método de cálculo complicado, Laplace encontrou o raio de uma esfera para uma determinada densidade, na superfície da qual a velocidade parabólica é igual à velocidade da luz. De acordo com Laplace, os corpúsculos de luz, sendo partículas gravitantes, devem ser retardados por estrelas massivas que emitem luz, que têm uma densidade igual a densidade Terra, e o raio é 250 vezes maior que o sol.

Esta teoria de Laplace foi incluída apenas nas duas primeiras edições vitalícias de seu livro famoso"Declaração do sistema do mundo", publicado em 1796 e 1799. Sim, talvez até o astrônomo austríaco F.K. von Zach tenha se interessado pela teoria de Laplace, publicando-a em 1798 sob o título "Prova do teorema de que a força de atração de um corpo pesado pode ser tão grande que a luz não pode fluir dele".

Neste ponto, a história do estudo dos buracos negros parou por mais de 100 anos. Parece que o próprio Laplace abandonou silenciosamente uma hipótese tão extravagante, uma vez que a excluiu de todas as outras edições vitalícias de seu livro, que apareceram em 1808, 1813 e 1824. Talvez Laplace não quisesse replicar a quase fantástica hipótese de estrelas colossais que não emitem mais luz. Talvez ele tenha sido interrompido por novos dados astronômicos sobre a invariabilidade da magnitude da aberração da luz em estrelas diferentes, que contradiz algumas das conclusões de sua teoria, com base nas quais ele baseou seus cálculos. Mas a maioria causa provável O fato de todos terem esquecido os misteriosos objetos hipotéticos de Michell-Laplace é o triunfo da teoria ondulatória da luz, cuja procissão triunfal começou nos primeiros anos do século XIX.

O início deste triunfo foi estabelecido pela palestra Booker do físico inglês T. Jung "The Theory of Light and Color", publicada em 1801, onde Jung corajosamente, ao contrário de Newton e outros famosos defensores da teoria corpuscular (incluindo Laplace) , delineou a essência da teoria ondulatória da luz, dizendo que a luz emitida consiste em movimentos ondulatórios do éter luminífero. Inspirado pela descoberta da polarização da luz, Laplace começou a "salvar" os corpúsculos ao construir uma teoria da dupla refração da luz nos cristais baseada na dupla ação das moléculas dos cristais nos corpúsculos de luz. Mas os trabalhos subsequentes dos físicos O.Zh. Fresnel, F. D. Aragon, J. Fraunhofer e outros não deixaram pedra sobre pedra na teoria corpuscular, que foi seriamente lembrada apenas um século depois, após a descoberta dos quanta. Todo o raciocínio sobre buracos negros na estrutura da teoria ondulatória da luz naquela época parecia ridículo.

Os buracos negros não foram lembrados imediatamente após a "reabilitação" da teoria corpuscular da luz, quando começaram a falar sobre ela em um novo nível qualitativo graças à hipótese dos quanta (1900) e dos fótons (1905). Os buracos negros foram redescobertos pela segunda vez somente após a criação da relatividade geral em 1916, quando o físico teórico e astrônomo alemão K. Schwarzschild, alguns meses após a publicação das equações de Einstein, os usou para investigar a estrutura do espaço-tempo curvo nas proximidades do Sol. Como resultado, ele redescobriu o fenômeno dos buracos negros, mas em um nível mais profundo.

A descoberta teórica final dos buracos negros ocorreu em 1939, quando Oppenheimer e Snyder realizaram a primeira solução explícita das equações de Einstein ao descrever a formação de um buraco negro a partir de uma nuvem de poeira em colapso. O próprio termo "buraco negro" foi introduzido pela primeira vez na ciência pelo físico americano J. Wheeler em 1968, durante os anos do rápido renascimento do interesse pela relatividade geral, cosmologia e astrofísica, causado pelas conquistas da extra-atmosférica (em particular , raio-x) astronomia, a descoberta radiação relíquia, pulsares e quasares.

História dos buracos negros

Alexey Levin

O pensamento científico às vezes não constrói objetos com propriedades tão paradoxais que até mesmo os cientistas mais astutos se recusam a reconhecê-los. O exemplo mais óbvio na história da física moderna é a falta de interesse a longo prazo pelos buracos negros, estados extremos do campo gravitacional previstos há quase 90 anos. Por muito tempo eles foram considerados uma abstração puramente teórica, e somente nas décadas de 1960 e 1970 eles passaram a acreditar em sua realidade. No entanto, a equação básica da teoria dos buracos negros foi derivada há mais de duzentos anos.