Uimitoarea istorie a găurilor negre. Găuri negre: povestea descoperirii celor mai misterioase obiecte din univers pe care nu le vom vedea niciodată

« Operă științifico-fantastică poate fi util - stimulează imaginația și ameliorează teama de viitor. in orice caz fapte științifice poate fi mult mai uimitor. Science-fiction nici măcar nu a imaginat astfel de lucruri ca găuri negre »
Stephen Hawking

În adâncurile universului pentru om se află nenumărate mistere și mistere. Una dintre ele sunt găurile negre - obiecte care nici măcar nu pot fi înțelese cele mai mari minți umanitatea. Sute de astrofizicieni încearcă să descopere natura găurilor negre, dar această etapă nici măcar nu le-am dovedit în practică existența.

Regizorii de film își dedică filmele lor și printre oameni normali Găurile negre au devenit un fenomen atât de cult încât sunt identificate cu sfârșitul lumii și cu moartea iminentă. Sunt temuți și urâți, dar în același timp sunt idolatrați și se înclină în fața necunoscutului, de care sunt pline aceste fragmente ciudate ale Universului. De acord, să fii înghițit de o gaură neagră este genul ăsta de romantism. Cu ajutorul lor, este posibil și ei pot deveni și ghiduri pentru noi în.

Presa galbenă speculează adesea cu privire la popularitatea găurilor negre. Găsirea titlurilor în ziare legate de sfârșitul lumii pe planetă din cauza unei alte coliziuni cu o gaură neagră supermasivă nu este o problemă. Mult mai rău este că partea analfabetă a populației ia totul în serios și stârnește o adevărată panică. Pentru a aduce o oarecare claritate, vom merge într-o călătorie la originile descoperirii găurilor negre și vom încerca să înțelegem ce este și cum să ne raportăm la el.

stele invizibile

S-a întâmplat că fizicienii moderni descriu structura Universului nostru cu ajutorul teoriei relativității, pe care Einstein a oferit-o cu atenție omenirii la începutul secolului al XX-lea. Cu atât mai misterioase sunt găurile negre, pe orizontul de evenimente al cărora toate legile fizicii cunoscute nouă, inclusiv teoria lui Einstein, încetează să mai opereze. Nu este minunat? În plus, conjectura despre existența găurilor negre a fost exprimată cu mult înainte de nașterea lui Einstein însuși.

În 1783, a avut loc o creștere semnificativă în Anglia activitate științifică. În acele vremuri, știința mergea cot la cot cu religia, se înțelegeau bine împreună, iar oamenii de știință nu mai erau considerați eretici. În plus, cercetare științifică preoţii au făcut. Unul dintre acești slujitori ai lui Dumnezeu a fost pastorul englez John Michell, care și-a pus întrebări nu numai despre a fi, ci și destul de sarcini științifice. Michell a fost un om de știință foarte decorat: a fost inițial profesor de matematică și lingvistica anticăîntr-unul dintre colegii, iar după aceea, pentru o serie de descoperiri, a fost admis la Societatea Regală din Londra.

John Michell s-a ocupat de seismologie, dar în timpul liber îi plăcea să se gândească la etern și la cosmos. Așa i-a venit ideea că undeva în adâncurile Universului pot exista corpuri supramasive cu o gravitație atât de puternică încât pentru a depăși forța gravitațională a unui astfel de corp, este necesar să se deplaseze cu o viteză egală cu sau mai mare decât viteza luminii. Dacă acceptăm o astfel de teorie ca adevărată, atunci dezvoltăm o a doua viteză cosmică (viteza necesară pentru a depăși atracție gravitațională părăsind corpul) chiar și lumina nu poate, așa că un astfel de corp va rămâne invizibil cu ochiul liber.

Michell a numit noua sa teorie „stelele întunecate” și, în același timp, a încercat să calculeze masa unor astfel de obiecte. Și-a exprimat gândurile despre această problemă în scrisoare deschisă Societatea Regală din Londra. Din păcate, în acele vremuri, o astfel de cercetare nu avea o valoare deosebită pentru știință, așa că scrisoarea lui Michell a fost trimisă la arhivă. Doar două sute de ani mai târziu, în a doua jumătate a secolului al XX-lea, a fost găsit printre mii de alte înregistrări păstrate cu grijă în biblioteca antică.

Primele dovezi științifice ale existenței găurilor negre

După lansarea Teoriei generale a relativității a lui Einstein, matematicienii și fizicienii s-au apucat serios să rezolve ecuațiile prezentate de omul de știință german, care trebuiau să ne spună multe despre structura Universului. Astronomul german, fizicianul Karl Schwarzschild a decis să facă același lucru în 1916.

Omul de știință, folosind calculele sale, a ajuns la concluzia că existența găurilor negre este posibilă. El a fost, de asemenea, primul care a descris ceea ce a fost numit mai târziu expresia romantică „orizont de evenimente” - o graniță imaginară a spațiu-timp la o gaură neagră, după trecerea căreia apare un punct de neîntoarcere. Nimic nu scapă din orizontul evenimentelor, nici măcar lumina. Dincolo de orizontul evenimentelor apare așa-numita „singularitate”, unde legile fizicii cunoscute de noi încetează să mai funcționeze.

Continuând să-și dezvolte teoria și să rezolve ecuațiile, Schwarzschild a descoperit noi secrete ale găurilor negre pentru el și pentru lume. Așadar, el a putut calcula, doar pe hârtie, distanța de la centrul unei găuri negre, unde este concentrată masa acesteia, până la orizontul evenimentelor. Schwarzschild a numit această distanță raza gravitațională.

În ciuda faptului că din punct de vedere matematic, soluțiile lui Schwarzschild erau excepțional de corecte și nu puteau fi infirmate, comunitatea științificăînceputul secolului al XX-lea nu a putut accepta imediat o astfel de descoperire șocantă, iar existența găurilor negre a fost eliminată ca o fantezie, care s-a manifestat din când în când în teoria relativității. În următorul deceniu și jumătate, studiul spațiului pentru prezența găurilor negre a fost lent și doar câțiva adepți ai teoriei fizicianului german au fost implicați în el.

Stele care dau naștere întunericului

După ce ecuațiile lui Einstein au fost demontate, a venit timpul să folosim concluziile trase pentru a înțelege structura Universului. În special, în teoria evoluției stelelor. Nu este un secret pentru nimeni că nimic în lumea noastră nu durează pentru totdeauna. Chiar și stelele au propriul lor ciclu de viață, deși mai lung decât o persoană.

Unul dintre primii oameni de știință care a devenit serios interesat de evoluția stelară a fost tânărul astrofizician Subramanyan Chandrasekhar, originar din India. În 1930, a publicat o lucrare științifică care descrie presupusul structura interna stelele și ciclurile lor de viață.

Deja la începutul secolului al XX-lea, oamenii de știință au ghicit despre un astfel de fenomen precum contracția gravitațională (colapsul gravitațional). LA anumit moment din viața sa, steaua începe să se micșoreze cu o viteză extraordinară sub influența forte gravitationale. De regulă, acest lucru se întâmplă în momentul morții unei stele, cu toate acestea, cu un colaps gravitațional, există mai multe modalități pentru existența ulterioară a unei mingi încinse.

Supraveghetorul lui Chandrasekhar, Ralph Fowler, un fizician teoretic respectat la vremea lui, a sugerat că, în timpul unui colaps gravitațional, orice stea se transformă într-una mai mică și mai fierbinte - o pitică albă. Dar s-a dovedit că elevul a „încălcat” teoria profesorului, care a fost împărtășită de majoritatea fizicienilor la începutul secolului trecut. Conform lucrării unui tânăr hindus, moartea unei stele depinde de masa sa inițială. De exemplu, doar acele stele a căror masă nu depășește de 1,44 ori masa Soarelui pot deveni pitice albe. Acest număr a fost numit limită Chandrasekhar. Dacă masa stelei a depășit această limită, atunci ea moare într-un mod complet diferit. În anumite condiții, o astfel de stea în momentul morții poate renaște într-o nouă stea neutronică - un alt mister al Universului modern. Teoria relativității, pe de altă parte, ne spune încă o opțiune - comprimarea unei stele la valori ultra-mici și aici începe cea mai interesantă.

În 1932, într-una dintre revistele științifice a apărut un articol în care geniatul fizician din URSS Lev Landau sugera că, în timpul prăbușirii, o stea supermasivă este comprimată într-un punct cu o rază infinitezimală și o masă infinită. În ciuda faptului că un astfel de eveniment este foarte greu de imaginat din punctul de vedere al unei persoane nepregătite, Landau nu era departe de adevăr. Fizicianul a mai sugerat că, conform teoriei relativității, gravitația într-un astfel de punct ar fi atât de mare încât ar începe să distorsioneze spațiu-timp.

Astrofizicienilor le-a plăcut teoria lui Landau și au continuat să o dezvolte. În 1939, în America, datorită eforturilor a doi fizicieni - Robert Oppenheimer și Hartland Sneijder - a apărut o teorie care descrie în detaliu o stea supermasivă în momentul prăbușirii. În urma unui astfel de eveniment ar fi trebuit să apară o adevărată gaură neagră. În ciuda caracterului persuasiv al argumentelor, oamenii de știință au continuat să nege posibilitatea existenței unor astfel de corpuri, precum și transformarea stelelor în ele. Chiar și Einstein s-a distanțat de această idee, crezând că steaua nu este capabilă de astfel de transformări fenomenale. Alți fizicieni nu au fost zgârciți în declarațiile lor, considerând ridicolă posibilitatea unor astfel de evenimente.
Cu toate acestea, știința ajunge întotdeauna la adevăr, trebuie doar să așteptați puțin. Și așa s-a întâmplat.

Cele mai strălucitoare obiecte din univers

Lumea noastră este o colecție de paradoxuri. Uneori coexistă în ea lucruri, a căror coexistență sfidează orice logică. De exemplu, termenul „gaură neagră” nu ar fi asociat la o persoană normală cu expresia „incredibil de strălucitor”, dar descoperirea de la începutul anilor ’60 ai secolului trecut a permis oamenilor de știință să considere incorectă această afirmație.

Cu ajutorul telescoapelor, astrofizicienii au reușit să detecteze pe cerul înstelat obiecte necunoscute până acum, care s-au comportat destul de ciudat, în ciuda faptului că arătau ca stele obișnuite. Studiind aceste lumini ciudate, omul de știință american Martin Schmidt a atras atenția asupra spectrografiei lor, ale cărei date au arătat rezultate diferite de scanarea altor stele. Mai simplu spus, aceste vedete nu erau ca celelalte cu care suntem obișnuiți.

Dintr-o dată i-a dat seama lui Schmidt și a atras atenția asupra schimbării spectrului în gama roșie. S-a dovedit că aceste obiecte sunt mult mai departe de noi decât stelele pe care suntem obișnuiți să le vedem pe cer. De exemplu, obiectul observat de Schmidt a fost situat la două miliarde și jumătate de ani-lumină de planeta noastră, dar a strălucit la fel de puternic ca o stea la câteva sute de ani lumină distanță. Se pare că lumina unui astfel de obiect este comparabilă cu luminozitatea unei galaxii întregi. Această descoperire a fost o adevărată descoperire în astrofizică. Omul de știință a numit aceste obiecte „cvasi-stelare” sau pur și simplu „quasar”.

Martin Schmidt a continuat să studieze noi obiecte și a descoperit că o astfel de strălucire strălucitoare poate fi cauzată de un singur motiv - acumularea. Acreția este procesul de absorbție a materiei înconjurătoare de către un corp supramasiv cu ajutorul gravitației. Omul de știință a ajuns la concluzia că în centrul quasarului există o gaură neagră uriașă, care cu o forță incredibilă atrage în sine materia care o înconjoară în spațiu. În procesul de absorbție a materiei de către gaură, particulele sunt accelerate la viteze enorme și încep să strălucească. Cupola luminoasă particulară din jurul unei găuri negre se numește disc de acreție. Vizualizarea sa a fost bine demonstrată în filmul lui Christopher Nolan „Interstellar”, care a dat naștere la multe întrebări „cum poate străluci o gaură neagră?”.

Până în prezent, oamenii de știință au găsit mii de quasari pe cerul înstelat. Aceste obiecte ciudate, incredibil de strălucitoare sunt numite faruri ale universului. Ele ne permit să ne imaginăm puțin mai bine structura cosmosului și să ne apropiem de momentul de la care a început totul.

În ciuda faptului că astrofizicienii au obținut dovezi indirecte pentru existența unor obiecte invizibile supermasive în Univers de mulți ani, termenul de „găură neagră” nu a existat până în 1967. A evita nume complexe, fizician american John Archibald Wheeler a sugerat denumirea unor astfel de obiecte „găuri negre”. De ce nu? Într-o oarecare măsură sunt negre, pentru că nu le putem vedea. În plus, atrag totul, poți cădea în ele, la fel ca într-o gaură adevărată. Da, și plecați dintr-un astfel de loc conform legi moderne fizica este pur și simplu imposibilă. Cu toate acestea, Stephen Hawking susține că atunci când călătorești printr-o gaură neagră, poți intra într-un alt Univers, o altă lume, iar aceasta este speranța.

Frica de infinit

Datorită misterului excesiv și romantizării găurilor negre, aceste obiecte au devenit o adevărată poveste de groază printre oameni. Presa galbenă adoră să speculeze asupra analfabetismului populației, oferind povești uimitoare despre modul în care o gaură neagră uriașă se deplasează către Pământul nostru, care va înghiți sistemul solar în câteva ore sau pur și simplu va emite valuri de gaz toxic către noi. planetă.

Deosebit de populară este tema distrugerii planetei cu ajutorul Large Hadron Collider, care a fost construit în Europa în 2006 pe teritoriul Consiliului European pentru cercetare nucleară(CERN). Valul de panică a început ca cineva glumă prostească, dar a crescut ca un bulgăre de zăpadă. Cineva a lansat un zvon că s-ar putea forma o gaură neagră în acceleratorul de particule al ciocnitorului, care ar înghiți planeta noastră în întregime. Desigur, oamenii indignați au început să ceară interzicerea experimentelor la LHC, de teamă de un astfel de rezultat. Au început să apară procese la Curtea Europeană, cerând închiderea ciocnitorului, iar oamenii de știință care l-au creat să fie pedepsiți în cea mai mare măsură a legii.

De fapt, fizicienii nu neagă faptul că atunci când particulele se ciocnesc în Large Hadron Collider, pot apărea obiecte similare ca proprietăți cu găurile negre, dar dimensiunea lor este la nivelul dimensiunilor particulelor elementare și astfel de „găuri” există pentru o perioadă atât de scurtă. că nici măcar nu putem înregistra apariţia lor.

Unul dintre principalii experți care încearcă să risipească valul de ignoranță în fața oamenilor este Stephen Hawking – celebrul fizician teoretician, care, de altfel, este considerat un adevărat „guru” în ceea ce privește găurile negre. Hawking a demonstrat că găurile negre nu absorb întotdeauna lumina care apare în discurile de acreție, iar o parte din aceasta este împrăștiată în spațiu. Acest fenomen a fost numit radiație Hawking sau evaporarea găurii negre. Hawking a stabilit, de asemenea, o relație între dimensiunea unei găuri negre și rata de „evaporare” a acesteia - cu cât este mai mică, cu atât există mai puțin în timp. Și asta înseamnă că toți oponenții lui Large Hadron Collider nu ar trebui să-și facă griji: găurile negre din el nu vor putea exista nici măcar pentru o milione de secundă.

Teorie nedemonstrată în practică

Din păcate, tehnologiile omenirii în acest stadiu de dezvoltare nu ne permit să testăm majoritatea teoriilor dezvoltate de astrofizicieni și alți oameni de știință. Pe de o parte, existența găurilor negre este dovedită destul de convingător pe hârtie și dedusă folosind formule în care totul convergea cu fiecare variabilă. Pe de altă parte, în practică, nu am reușit încă să vedem cu ochii noștri o adevărată gaură neagră.

În ciuda tuturor dezacordurilor, fizicienii sugerează că în centrul fiecăreia dintre galaxii există o gaură neagră supermasivă, care adună stele în grupuri cu gravitația sa și te face să călătorești în jurul Universului într-o companie mare și prietenoasă. În galaxia noastră Calea Lactee, conform diverselor estimări, există între 200 și 400 de miliarde de stele. Toate aceste stele se învârt în jurul a ceva care are o masă uriașă, în jurul a ceva ce nu putem vedea cu un telescop. Cel mai probabil este o gaură neagră. Ar trebui să-i fie frică? - Nu, cel puțin nu în următoarele miliarde de ani, dar putem face un alt film interesant despre ea.

Gândirea științifică construiește uneori obiecte cu proprietăți atât de paradoxale încât chiar și cei mai pricepuți oameni de știință refuză la început să le recunoască. Cel mai evident exemplu din istoria fizicii moderne este lipsa de interes pe termen lung pentru găurile negre, stările extreme. câmp gravitațional prezis acum aproape 90 de ani. Multă vreme au fost considerate o abstractizare pur teoretică și abia în anii 1960 și 70 au crezut în realitatea lor. Cu toate acestea, ecuația de bază a teoriei găurilor negre a fost derivată acum peste două sute de ani.

Perspectiva lui John Michell

Numele lui John Michell, fizician, astronom și geolog, profesor la Universitatea din Cambridge și pastor al Bisericii Angliei, s-a pierdut complet nemeritat printre vedetele științei engleze în secolul al XVIII-lea. Michell a pus bazele seismologiei, știința cutremurelor, a efectuat un studiu excelent al magnetismului și cu mult înainte ca Coulomb să inventeze balanța de torsiune pe care a folosit-o pentru măsurători gravimetrice. În 1783, a încercat să combine cele două mari creații ale lui Newton, mecanica și optica. Newton considera că lumina este un curent cele mai mici particule. Michell a sugerat că corpusculii de lumină, ca și materia obișnuită, respectă legile mecanicii. Consecința acestei ipoteze s-a dovedit a fi foarte nebanală - corpuri cerești se poate transforma în capcane ușoare.

Cum a gândit Michell? O minge de tun trasă de pe suprafața unei planete își va depăși complet gravitația numai dacă aceasta viteza de pornire depășește valoarea numită acum a doua viteza spatialași viteza de scăpare. Dacă gravitația planetei este atât de puternică încât viteza de evacuare depășește viteza luminii, corpusculii de lumină aprinși la zenit nu pot scăpa la infinit. Același lucru se va întâmpla cu lumina reflectată. Prin urmare, pentru un observator foarte îndepărtat, planeta va fi invizibilă. Michell a calculat valoarea critică a razei unei astfel de planete, Rcr, în funcție de masa sa, M, redusă la masa Soarelui nostru, Ms: Rcr = 3 km x M/Ms.

John Michell a crezut în formulele sale și a presupus că adâncurile spațiului ascund multe stele care nu pot fi văzute de pe Pământ cu niciun telescop. Mai târziu, marele matematician francez, astronomul și fizicianul Pierre Simon Laplace, care l-a inclus atât în prima (1796) cât și în cea de-a doua (1799) ediție a Expoziției sale despre sistemul lumii. Dar a treia ediție a fost publicată în 1808, când majoritatea fizicienilor considerau deja că lumina sunt vibrații ale eterului. Existența stelelor „invizibile” contrazisă teoria undelor lumină, iar Laplace s-a gândit că ar fi mai bine să nu le menționeze. În vremurile ulterioare, această idee a fost considerată o curiozitate, demnă de expunere doar în lucrări de istoria fizicii.

Modelul Schwarzschild

În noiembrie 1915, Albert Einstein a publicat o teorie a gravitației pe care a numit-o teorie generală relativitatea (GR). Această lucrare a găsit imediat un cititor apreciativ în persoana colegului său de la Academia de Științe din Berlin, Karl Schwarzschild. Schwarzschild a fost primul din lume care a aplicat relativitatea generală pentru a rezolva o problemă astrofizică specifică, pentru a calcula metrica spațiu-timp în exteriorul și în interiorul unui corp sferic nerotitor (pentru concretitate, îl vom numi stea).

Din calculele lui Schwarzschild rezultă că gravitația unei stele nu distorsionează foarte mult structura newtoniană a spațiului și timpului doar în acel caz, dacă raza lui este mare mai mult decat atat chiar amploarea pe care a calculat-o John Michell! Acest parametru a fost numit mai întâi raza Schwarzschild, iar acum se numește raza gravitațională. Conform relativității generale, gravitația nu afectează viteza luminii, ci reduce frecvența vibrațiilor luminii în aceeași proporție în care încetinește timpul. Dacă raza unei stele este de 4 ori mai mare decât raza gravitațională, atunci curgerea timpului pe suprafața ei încetinește cu 15%, iar spațiul capătă o curbură vizibilă. Cu un exces dublu, se îndoaie mai mult, iar timpul își încetinește alergarea cu 41%. Când se atinge raza gravitațională, timpul de pe suprafața stelei se oprește complet (toate frecvențele sunt zero, radiația este înghețată și steaua se stinge), dar curbura spațiului acolo este încă finită. Departe de soare, geometria rămâne încă euclidiană, iar timpul nu își schimbă viteza.

În ciuda faptului că valorile razei gravitaționale pentru Michell și Schwarzschild sunt aceleași, modelele în sine nu au nimic în comun. Pentru Michell, spațiul și timpul nu se schimbă, dar lumina încetinește. O stea ale cărei dimensiuni sunt mai mici decât raza gravitațională continuă să strălucească, dar este vizibilă doar pentru un observator nu prea îndepărtat. Pentru Schwarzschild, viteza luminii este absolută, dar structura spațiului și timpului depinde de gravitație. O stea care a căzut sub raza gravitațională dispare pentru orice observator, indiferent unde se află (mai precis, poate fi detectată de efecte gravitaționale, dar nu prin radiație).

De la neîncredere la afirmare

Schwarzschild și contemporanii săi credeau că atât de ciudat obiecte spațiale nu există în natură. Einstein însuși nu numai că a aderat la acest punct de vedere, dar a crezut în mod eronat că a reușit să-și fundamenteze matematic opinia.

În anii 1930, un tânăr astrofizician indian, Chandrasekhar, a demonstrat că o stea care și-a consumat combustibilul nuclear își pierde coaja și se transformă într-o pitică albă care se răcește lent numai dacă masa sa este mai mică de 1,4 mase solare. Curând, americanul Fritz Zwicky a ghicit că corpurile extrem de dense de materie neutronică apar în exploziile supernovei; Mai târziu, Lev Landau a ajuns la aceeași concluzie. După lucrările lui Chandrasekhar, era evident că numai stelele cu o masă mai mare de 1,4 mase solare puteau suferi o astfel de evoluție. Prin urmare, a apărut o întrebare firească - există o limită superioară de masă pentru supernove pe care stelele cu neutroni o lasă în urmă?

La sfârșitul anilor 30, viitorul tată al americanului bombă atomică Robert Oppenheimer a constatat că o astfel de limită există într-adevăr și nu depășește mai multe masele solare. Atunci nu a fost posibil să se facă o evaluare mai precisă; acum se știe că masele stelelor neutronice trebuie să fie în intervalul 1,5-3 M s . Dar chiar și din calcule aproximative Oppenheimer și studentul său absolvent George Volkov au urmărit că cei mai masivi descendenți ai supernovelor nu devin stele neutronice, dar mergi într-o altă stare. În 1939, Oppenheimer și Hartland Snyder au demonstrat, folosind un model idealizat, că o stea masivă care se prăbușește se micșorează spre ea. raza gravitationala. Din formulele lor, de fapt, rezultă că vedeta nu se oprește aici, dar coautorii s-au abținut de la o concluzie atât de radicală.

Răspunsul final a fost găsit în a doua jumătate a secolului al XX-lea prin eforturile unei galaxii de fizicieni teoreticieni străluciți, inclusiv sovietici. S-a dovedit că un astfel de colaps mereu comprimă steaua „până la capăt”, distrugându-i complet substanța. Ca urmare, apare o singularitate, un „superconcentrat” al câmpului gravitațional, închis într-un volum infinit de mic. Pentru o gaură fixă, acesta este un punct, pentru o gaură rotativă, este un inel. Curbura spațiu-timpului și, în consecință, forța gravitațională din apropierea singularității tind spre infinit. La sfârșitul anului 1967, fizicianul american John Archibald Wheeler a fost primul care a numit un astfel de colaps stelar final o gaură neagră. Termen nou iubit de fizicieni și de jurnaliştii încântaţi care l-au răspândit în întreaga lume (deşi francezilor nu le-a plăcut la început, pentru că expresia trou noir sugera asocieri dubioase).

Acolo, dincolo de orizont

O gaură neagră nu este nici materie, nici radiație. Cu o oarecare figurativitate, putem spune că acesta este un câmp gravitațional auto-susținut, concentrat într-o regiune foarte curbă a spațiu-timpului. Limita sa exterioară este definită de o suprafață închisă, orizontul evenimentelor. Dacă steaua nu s-a rotit înainte de prăbușire, această suprafață se dovedește a fi o sferă regulată, a cărei rază coincide cu raza Schwarzschild.

sens fizic orizontul este foarte clar. Un semnal luminos trimis din vecinătatea sa exterioară poate parcurge o distanță infinită. Dar semnalele trimise din regiunea interioară nu numai că nu vor traversa orizontul, dar vor „cădea” inevitabil în singularitate. Orizontul este granița spațială dintre evenimentele care pot deveni cunoscute de către astronomii terestre (și de orice alții) și evenimente despre care informațiile despre care nu vor apărea sub nicio circumstanță.

Așa cum ar trebui să fie „după Schwarzschild”, departe de orizont, atracția unei găuri este invers proporțională cu pătratul distanței, prin urmare, pentru un observator îndepărtat, se manifestă ca un corp greu obișnuit. Pe lângă masă, gaura moștenește momentul de inerție al stelei prăbușite și sarcina sa electrică. Și toate celelalte caracteristici ale stelei predecesoare (structură, compoziție, clasa spectrală etc.) intra în uitare.

Să trimitem o sondă în gaură cu un post de radio care trimite un semnal o dată pe secundă, în funcție de timpul de bord. Pentru un observator îndepărtat, pe măsură ce sonda se apropie de orizont, intervalele de timp dintre semnale vor crește - în principiu, la infinit. De îndată ce nava traversează orizontul invizibil, va fi complet tăcută pentru lumea „de peste gaură”. Cu toate acestea, această dispariție nu va rămâne fără urmă, deoarece sonda va oferi găurii masa, sarcina și cuplul.

radiația găurii negre

Toate modelele anterioare au fost construite exclusiv pe baza relativității generale. Cu toate acestea, lumea noastră este guvernată de legi mecanica cuantică, care nu ignoră găurile negre. Aceste legi nu ne permit să luăm în considerare singularitatea centrală punct matematic. În context cuantic, diametrul său este dat de lungimea Planck-Wheeler, aproximativ egală cu 10 -33 de centimetri. În această regiune, spațiul obișnuit încetează să mai existe. Este în general acceptat că centrul găurii este umplut cu diferite structuri topologice care apar și mor în conformitate cu legile probabilistice cuantice. Proprietățile unui astfel de cvasi-spațiu, pe care Wheeler l-a numit spumă cuantică, sunt încă puțin înțelese.

Disponibilitate singularitate cuantică Are relație directă la soarta corpurilor materiale care cad adânc în gaura neagră. Când se apropie de centrul găurii, orice obiect realizat din materiale cunoscute în prezent va fi zdrobit și sfâșiat de forțele mareelor. Cu toate acestea, chiar dacă viitorii ingineri și tehnologi creează niște aliaje și compozite super-rezistente cu proprietăți nevăzute astăzi, toate sunt încă sortite să dispară: la urma urmei, nu există nici timp obișnuit, nici spațiu obișnuit în zona de singularitate.

Acum să ne uităm la orizontul găurii printr-o lentilă mecanică cuantică. Spațiu gol — vid fizic- de fapt, nu este deloc gol. Datorită fluctuațiilor cuantice ale diferitelor câmpuri în vid, multe particule virtuale se nasc și mor continuu. Deoarece gravitația în apropierea orizontului este foarte puternică, fluctuațiile sale creează explozii gravitaționale extrem de puternice. Când sunt overclockate în astfel de domenii, „virtualele” nou-născute dobândesc energie suplimentarăși uneori devin particule normale cu viață lungă.

Particulele virtuale se nasc întotdeauna în perechi care se mută directii opuse(acest lucru este cerut de legea conservării impulsului). Dacă o fluctuație gravitațională extrage o pereche de particule din vid, se poate întâmpla ca una dintre ele să se materializeze în afara orizontului, iar a doua (antiparticula primei) în interior. Particula „internă” va cădea în gaură, dar particula „externă”. conditii favorabile pot pleca. Ca urmare, gaura se transformă într-o sursă de radiații și, prin urmare, pierde energie și, în consecință, masă. Prin urmare, găurile negre sunt fundamental instabile.

Acest fenomen se numește efectul Hawking, după remarcabil fizica engleza-teoretician care a descoperit-o la mijlocul anilor 1970. Stephen Hawking, în special, a demonstrat că orizontul unei găuri negre emite fotoni exact în același mod ca un corp absolut negru încălzit la o temperatură T = 0,5 x 10 -7 x M s /M. Rezultă că, pe măsură ce gaura devine mai subțire, temperatura acesteia crește, iar „evaporarea”, desigur, crește. Acest proces este extrem de lent, iar durata de viață a unei găuri de masă M este de aproximativ 10 65 x (M/M s) 3 ani. Când mărimea ei devine egal cu lungimea Planck-Wheeler, gaura își pierde stabilitatea și explodează, eliberând aceeași energie ca și explozia simultană a unui milion de zece megatone. bombe cu hidrogen. În mod curios, masa găurii în momentul dispariției este încă destul de mare, 22 de micrograme. Potrivit unor modele, gaura nu dispare fără urmă, ci lasă în urmă o relicvă stabilă de aceeași masă, așa-numitul maximon.

Maximon s-a născut acum 40 de ani – ca termen și ca idee fizică. În 1965, academicianul M. A. Markov a sugerat că există o limită superioară a masei particulelor elementare. El a sugerat ca această valoare limită să fie considerată dimensiunea masei, care poate fi combinată din trei constante fizice fundamentale - constanta lui Planck h, viteza luminii C și constanta gravitațională G (pentru iubitorii de detalii: pentru a face acest lucru, trebuie să înmulțiți h și C, împărțiți rezultatul la G și extrageți Rădăcină pătrată). Acestea sunt aceleași 22 de micrograme care sunt menționate în articol, această valoare se numește masa Planck. Din aceleași constante se poate construi o valoare cu dimensiunea lungimii (va ieși lungimea Planck-Wheeler, 10 -33 cm) și cu dimensiunea timpului (10 -43 sec).
Markov a mers mai departe în raționamentul său. Conform ipotezei sale, evaporarea unei găuri negre duce la formarea unui „reziduu uscat” - un maximon. Markov a numit astfel de structuri găuri negre elementare. În ce măsură această teorie corespunde realității este încă o întrebare deschisă. În orice caz, analogii maximonilor Markov au fost reînviați în unele modele de găuri negre bazate pe teoria superstringurilor.

Adâncimile spațiului

Găurile negre nu sunt interzise de legile fizicii, dar există ele în natură? Dovezi absolut stricte ale prezenței în spațiu a cel puțin unui astfel de obiect nu au fost încă găsite. Cu toate acestea, este foarte probabil ca în unele sisteme binare sursele de raze X să fie găuri negre de origine stelară. Această radiație ar trebui să apară ca rezultat al aspirației atmosferei unei stele obișnuite de către câmpul gravitațional al unei găuri învecinate. Gazul în timpul mișcării sale către orizontul evenimentelor este puternic încălzit și emite cuante de raze X. Cel puțin două duzini de surse de raze X sunt acum considerate candidați potriviți pentru rolul găurilor negre. Mai mult, statisticile stelare sugerează că există aproximativ zece milioane de găuri de origine stelară numai în Galaxia noastră.

Găurile negre se pot forma și în procesul de condensare gravitațională a materiei din nucleele galactice. Așa apar găuri gigantice cu o masă de milioane și miliarde de mase solare, care, după toate probabilitățile, se găsesc în multe galaxii. Se pare că în centrul Căii Lactee, acoperit cu nori de praf, există o gaură cu o masă de 3-4 milioane de mase solare.

Stephen Hawking a ajuns la concluzia că găurile negre de masă arbitrară s-ar putea naște imediat după Marea explozie care a dat naștere universului nostru. Găurile primare care cântăresc până la un miliard de tone s-au evaporat deja, dar cele mai grele se pot ascunde în continuare în adâncurile spațiului și, în timp util, pot aranja artificii cosmice sub formă focare puternice radiații gama. Cu toate acestea, astfel de explozii nu au fost observate până acum.

fabrică de găuri negre

Este posibil să se accelereze particulele din accelerator la o energie atât de mare încât ciocnirea lor să dea naștere unei găuri negre? La prima vedere, această idee este pur și simplu nebună - explozia găurii va distruge toată viața de pe Pământ. În plus, este imposibil din punct de vedere tehnic. Dacă masa minimă a unei găuri este într-adevăr de 22 de micrograme, atunci în unități energetice aceasta este 10 28 electron volți. Acest prag este cu 15 ordine de mărime mai mare decât cel mai puternic accelerator din lume, Large Hadron Collider (LHC), care va fi lansat la CERN în 2007.

Cu toate acestea, este posibil ca estimarea standard a masei minime a unei găuri să fie semnificativ supraestimată. În orice caz, asta spun fizicienii care dezvoltă teoria supercordurilor, care include teoria cuantică a gravitației (deși departe de a fi completă). Conform acestei teorii, spațiul are nu mai puțin de trei dimensiuni, dar cel puțin nouă. Nu observăm dimensiuni suplimentare, deoarece sunt buclete la o scară atât de mică încât instrumentele noastre nu le percep. Cu toate acestea, gravitația este omniprezentă, pătrunde în dimensiuni ascunse. LA spatiu tridimensional forța gravitației este invers proporțională cu pătratul distanței, iar în nouă dimensiuni cu puterea a opta. Prin urmare, în lume multidimensională intensitatea câmpului gravitațional cu distanța în scădere crește mult mai repede decât în trei dimensiuni. În acest caz, lungimea Planck crește de multe ori, iar masa minimă a găurii scade brusc.

Teoria corzilor prezice că o gaură neagră cu o masă de numai 10 -20 g poate fi născută în spațiu cu nouă dimensiuni. masa relativistă protonii accelerați în superacceleratorul zern. Conform celui mai optimist scenariu, el va putea produce câte o gaură în fiecare secundă, care va trăi aproximativ 10 -26 de secunde. În procesul de evaporare a acestuia se vor naște tot felul de particule elementare, care vor fi ușor de înregistrat. Dispariția găurii va duce la eliberarea de energie, care nu este suficientă nici măcar pentru a încălzi un microgram de apă pe miime de grad. Prin urmare, există speranța că LHC se va transforma într-o fabrică de găuri negre inofensive. Dacă aceste modele sunt corecte, atunci detectoarele de raze cosmice orbitale de nouă generație vor putea de asemenea să detecteze astfel de găuri.

Toate cele de mai sus se aplică găurilor negre staționare. Între timp, există și găuri rotative care au un buchet cele mai interesante proprietăți. Rezultatele analizei teoretice a radiației găurii negre au condus și la o regândire serioasă a conceptului de entropie, care merită și o discuție separată. Mai multe despre asta în numărul următor.

Ipoteza existenței găurilor negre a fost formulată pentru prima dată de astronomul englez J. Michell în 1783 pe baza teoria corpusculară lumina și teoria newtoniană a gravitației. La acea vreme, teoria valurilor a lui Huygens și faimoasa lui principiul valului au fost pur și simplu uitate. Teoria valurilor nu a fost ajutată de sprijinul unor venerabili oameni de știință, în special, celebrii academicieni din Sankt Petersburg M.V. Lomonosov și L. Euler. Logica raționamentului care l-a condus pe Michell la conceptul unei găuri negre este foarte simplă: dacă lumina constă din particule-corpuscule ale eterului luminifer, atunci aceste particule, ca și alte corpuri, trebuie să experimenteze atracția din câmpul gravitațional. În consecință, cu cât steaua (sau planeta) este mai masivă, cu atât este mai mare atracția din partea sa față de corpusculi și cu atât este mai dificil pentru lumina să părăsească suprafața unui astfel de corp.

O logică suplimentară sugerează că în natură ar putea exista așa ceva stele masive, a cărui atracție corpusculii nu o mai pot depăși și vor apărea mereu negri unui observator extern, deși ei înșiși pot străluci cu o strălucire orbitoare, ca Soarele. Din punct de vedere fizic, aceasta înseamnă că a doua viteză cosmică de pe suprafața unei astfel de stele nu trebuie să fie mai mică decât viteza luminii. Calculele lui Michell arată că lumina nu va părăsi niciodată o stea dacă raza ei la densitatea medie solară este de 500 solare. O astfel de stea poate fi deja numită o gaură neagră.

După 13 ani, matematicianul și astronomul francez P.S. Laplace a exprimat, cel mai probabil, independent de Michell, o ipoteză similară despre existența unor astfel de obiecte exotice. Folosind o metodă de calcul greoaie, Laplace a găsit raza unei sfere pentru o densitate dată, pe suprafața căreia viteza parabolică este egală cu viteza luminii. Potrivit lui Laplace, corpusculii de lumină, fiind particule gravitatoare, trebuie să fie întârziați de stele masive care emit lumină, care au o densitate egală cu densitatea Pământul, iar raza este de 250 de ori mai mare decât soarele.

Această teorie a lui Laplace a fost inclusă doar în primele două ediții de viață ale sale carte celebră„Declarație despre sistemul lumii”, publicată în 1796 și 1799. Da, poate chiar astronomul austriac F.K. von Zach s-a interesat de teoria lui Laplace, publicând-o în 1798 sub titlul „Dovada teoremei că forța de atracție a unui corp greu poate fi atât de mare încât lumina nu poate curge din el”.

În acest moment, istoria studiului găurilor negre sa oprit de mai bine de 100 de ani. Se pare că Laplace însuși a abandonat în liniște o astfel de ipoteză extravagantă, deoarece a exclus-o din toate celelalte ediții de viață ale cărții sale, care a apărut în 1808, 1813 și 1824. Poate că Laplace nu a vrut să reproducă ipoteza aproape fantastică a stelelor colosale care nu mai emit lumină. Poate că a fost oprit de noi date astronomice despre invariabilitatea mărimii aberației luminii în stele diferite, care a contrazis unele dintre concluziile teoriei sale, pe baza cărora și-a bazat calculele. Dar cel mai mult cauza probabila Faptul că toată lumea a uitat de misterioase obiecte ipotetice Michell-Laplace este triumful teoriei ondulatorii a luminii, a cărei procesiune triumfală a început încă din primii ani ai secolului al XIX-lea.

Începutul acestui triumf a fost pus de prelegerea Booker a fizicianului englez T. Jung „The Theory of Light and Color”, publicată în 1801, unde Jung cu îndrăzneală, spre deosebire de Newton și alți susținători celebri ai teoriei corpusculare (inclusiv Laplace) , a subliniat esența teoriei ondulatorii a luminii, spunând că lumina emisă constă din mișcări sub formă de undă ale eterului luminifer. Inspirat de descoperirea polarizării luminii, Laplace a început să „salveze” corpusculii prin construirea unei teorii a dublei refracții a luminii în cristale bazată pe acțiunea dublă a moleculelor de cristal asupra corpusculilor de lumină. Dar lucrările ulterioare ale fizicienilor O.Zh. Fresnel, F.D. Aragon, J. Fraunhofer și alții nu au lăsat nimic neîntors în teoria corpusculară, care a fost amintită serios abia un secol mai târziu, după descoperirea cuantelor. Toate raționamentele despre găurile negre în cadrul teoriei ondulatorii a luminii la acea vreme păreau ridicole.

Găurile negre nu au fost imediat amintite după „reabilitarea” teoriei corpusculare a luminii, când au început să se vorbească despre ea la un nou nivel calitativ grație ipotezei cuantelor (1900) și fotonilor (1905). Găurile negre au fost redescoperite pentru a doua oară abia după crearea relativității generale în 1916, când fizicianul teoretician și astronomul german K. Schwarzschild, la câteva luni după publicarea ecuațiilor lui Einstein, le-a folosit pentru a investiga structura curbei spațiu-timp. în vecinătatea Soarelui. Drept urmare, a redescoperit fenomenul găurilor negre, dar la un nivel mai profund.

Descoperirea teoretică finală a găurilor negre a avut loc în 1939, când Oppenheimer și Snyder au realizat prima soluție explicită a ecuațiilor lui Einstein în descrierea formării unei găuri negre dintr-un nor de praf care se prăbușește. Termenul „gaură neagră” în sine a fost introdus pentru prima dată în știință de către fizicianul american J. Wheeler în 1968, în anii renașterii rapide a interesului pentru relativitatea generală, cosmologie și astrofizică, cauzat de realizările extra-atmosferice (în special , raze X) astronomie, descoperirea radiații relicve, pulsari și quasari.

Istoria găurilor negre

Alexey Levin

Gândirea științifică nu construiește uneori obiecte cu proprietăți atât de paradoxale încât chiar și cei mai pricepuți oameni de știință refuză la început să le recunoască. Cel mai evident exemplu din istoria fizicii moderne este lipsa de interes pe termen lung pentru găurile negre, stări extreme ale câmpului gravitațional prezise acum aproape 90 de ani. Multă vreme au fost considerate o abstractizare pur teoretică și abia în anii 1960 și 70 au ajuns să creadă în realitatea lor. Cu toate acestea, ecuația de bază a teoriei găurilor negre a fost derivată acum peste două sute de ani.