Čierna diera je vo fyzike definovaná ako oblasť v časopriestore, ktorej gravitačná príťažlivosť je taká silná, že ju nedokážu opustiť ani objekty pohybujúce sa rýchlosťou svetla, vrátane kvánt samotného svetla. Hranica tejto oblasti sa nazýva horizont udalostí a jej charakteristická veľkosť sa nazýva gravitačný polomer, ktorý sa nazýva polomer Čierneho lesa. Čierne diery sú najzáhadnejšie objekty vo vesmíre. Za svoje nešťastné meno vďačia americkému astrofyzikovi Johnovi Wheelerovi. Bol to on, kto v populárnej prednáške „Náš vesmír: známy a neznámy“ v roku 1967 nazval tieto superhusté telesá dierami. Predtým sa takéto objekty nazývali „zrútené hviezdy“ alebo „kolapsy“. Pojem „čierna diera“ sa však zakorenil a zmeniť ho je jednoducho nemožné. Vo vesmíre existujú dva typy čiernych dier: 1 - supermasívne čierne diery, ktorých hmotnosť je miliónkrát väčšia ako hmotnosť Slnka (predpokladá sa, že takéto objekty sa nachádzajú v centrách galaxií); 2 - menej hmotné čierne diery, ktoré sú výsledkom kompresie obrovských umierajúcich hviezd, ich hmotnosť je viac ako tri hmotnosti Slnka; ako sa hviezda zmršťuje, hmota sa stále viac zhutňuje a v dôsledku toho sa gravitácia objektu zvyšuje do takej miery, že ju svetlo nedokáže prekonať. Žiarenie ani hmota nemôžu uniknúť čiernej diere. Čierne diery sú supersilné gravitátory.
Polomer, na ktorý sa hviezda musí zmenšiť, aby sa zmenila na čiernu dieru, sa nazýva gravitačný polomer. Pre čierne diery vytvorené z hviezd je to len niekoľko desiatok kilometrov. V niektorých pároch dvojhviezd je jedna z nich neviditeľná pre najsilnejší teleskop, ale hmotnosť neviditeľnej zložky v takomto gravitačnom systéme sa ukáže byť extrémne veľká. S najväčšou pravdepodobnosťou sú takýmito objektmi buď neutrónové hviezdy alebo čierne diery. Niekedy neviditeľné zložky v takýchto pároch odtrhávajú hmotu z normálnej hviezdy. V tomto prípade je plyn oddelený od vonkajších vrstiev viditeľnej hviezdy a padá do neznáma kam - do neviditeľnej čiernej diery. Pred pádom do diery však plyn vyžaruje elektromagnetické vlny rôznych vlnových dĺžok, vrátane veľmi krátkych röntgenových vĺn. Navyše v blízkosti neutrónovej hviezdy alebo čiernej diery sa plyn veľmi zahrieva a stáva sa zdrojom silného vysokoenergetického elektromagnetického žiarenia v oblasti röntgenového žiarenia a gama žiarenia. Takéto žiarenie neprechádza zemskou atmosférou, možno ho však pozorovať pomocou vesmírnych teleskopov. Jeden z pravdepodobných kandidátov na čierne diery sa považuje za silný zdroj röntgenového žiarenia v súhvezdí Labuť.
Každý človek, ktorý sa zoznámi s astronómiou, skôr či neskôr zažije silnú zvedavosť na najzáhadnejšie objekty vo vesmíre – čierne diery. Toto sú skutoční majstri temnoty, ktorí sú schopní „pohltiť“ akýkoľvek atóm, ktorý prechádza okolo, a nenechajú uniknúť ani svetlu – ich príťažlivosť je taká silná. Tieto objekty predstavujú skutočnú výzvu pre fyzikov a astronómov. Tí prví stále nedokážu pochopiť, čo sa deje s hmotou, ktorá spadla do čiernej diery, a tí druhí, hoci vysvetľujú energeticky najnáročnejšie javy vesmíru existenciou čiernych dier, nikdy nemali možnosť pozorovať žiadnu z nich. priamo. Porozprávame sa o týchto najzaujímavejších nebeských objektoch, zistíme, čo už bolo objavené a čo zostáva vedieť, aby sme poodhalili rúško tajomstva.
Čo je čierna diera?
Názov "black hole" (v angličtine - black hole) navrhol v roku 1967 americký teoretický fyzik John Archibald Wheeler (pozri fotografiu vľavo). Slúžil na označenie nebeského telesa, ktorého príťažlivosť je taká silná, že ho nepustí ani svetlo. Preto je „čierna“, pretože nevyžaruje svetlo.
nepriame pozorovania
Toto je dôvod takejto záhady: keďže čierne diery nežiaria, nemôžeme ich priamo vidieť a sme nútení ich hľadať a študovať len pomocou nepriamych dôkazov, ktoré ich existencia zanecháva v okolitom priestore. Inými slovami, ak čierna diera pohltí hviezdu, čiernu dieru nevidíme, ale môžeme pozorovať ničivé účinky jej silného gravitačného poľa.
Laplaceova intuícia
Napriek tomu, že výraz „čierna diera“ označujúci hypotetickú konečnú fázu vývoja hviezdy, ktorá sa pod vplyvom gravitácie zrútila do seba, sa objavil pomerne nedávno, myšlienka o možnosti existencie takýchto telies vznikla. pred viac ako dvoma storočiami. Angličan John Michell a Francúz Pierre-Simon de Laplace nezávisle vyslovili hypotézu o existencii „neviditeľných hviezd“; pričom vychádzali zo zaužívaných zákonov dynamiky a Newtonovho zákona univerzálnej gravitácie. Dnes už čierne diery dostali svoj správny popis na základe Einsteinovej všeobecnej teórie relativity.
Laplace vo svojom diele „Statement of the system of the world“ (1796) napísal: „Jasná hviezda s rovnakou hustotou ako Zem, s priemerom 250-krát väčším ako priemer Slnka, v dôsledku svojej gravitačnej príťažlivosti, nedovolí, aby sa k nám dostali lúče svetla. Preto je možné, že najväčšie a najjasnejšie nebeské telesá sú z tohto dôvodu neviditeľné.
Nepremožiteľná gravitácia
Laplaceova myšlienka bola založená na koncepte únikovej rýchlosti (druhá kozmická rýchlosť). Čierna diera je taký hustý objekt, že svojou príťažlivosťou dokáže zadržať aj svetlo, ktoré vyvinie najvyššiu rýchlosť v prírode (takmer 300 000 km/s). V praxi, aby ste unikli z čiernej diery, potrebujete rýchlosť vyššiu ako rýchlosť svetla, ale to je nemožné!
To znamená, že hviezda tohto druhu by bola neviditeľná, pretože ani svetlo by nedokázalo prekonať jej silnú gravitáciu. Einstein vysvetlil túto skutočnosť prostredníctvom fenoménu vychýlenia svetla pod vplyvom gravitačného poľa. V skutočnosti je v blízkosti čiernej diery časopriestor tak zakrivený, že sa dráhy svetelných lúčov tiež uzatvárajú. Aby sme Slnko premenili na čiernu dieru, budeme musieť celú jeho hmotu sústrediť do gule s polomerom 3 km a Zem sa bude musieť zmeniť na guľu s polomerom 9 mm!
Typy čiernych dier
Asi pred desiatimi rokmi pozorovania naznačili existenciu dvoch typov čiernych dier: hviezdnej, ktorej hmotnosť je porovnateľná s hmotnosťou Slnka alebo ju mierne prevyšuje, a supermasívnej, ktorej hmotnosť je od niekoľkých stoviek tisíc až po mnoho miliónov hmotnosti Slnka. Relatívne nedávno však röntgenové snímky a spektrá s vysokým rozlíšením získané z umelých satelitov, ako sú Chandra a XMM-Newton, priniesli do popredia tretí typ čiernej diery – s priemernou hmotnosťou tisíckrát prevyšujúcou hmotnosť Slnka. .
hviezdne čierne diery
Hviezdne čierne diery sa stali známymi skôr ako ostatné. Vznikajú, keď hviezde s vysokou hmotnosťou na konci svojej evolučnej cesty dôjde jadrové palivo a zrúti sa do seba v dôsledku vlastnej gravitácie. Výbuch otriasajúci hviezdou (známy ako „výbuch supernovy“) má katastrofálne následky: ak je jadro hviezdy viac ako 10-násobok hmotnosti Slnka, žiadna jadrová sila nevydrží gravitačný kolaps, ktorý bude mať za následok vznik čierna diera.
Supermasívne čierne diery
Supermasívne čierne diery, ktoré boli prvýkrát zaznamenané v jadrách niektorých aktívnych galaxií, majú odlišný pôvod. Existuje niekoľko hypotéz týkajúcich sa ich zrodu: hviezdna čierna diera, ktorá milióny rokov požiera všetky hviezdy, ktoré ju obklopujú; zlúčený zhluk čiernych dier; kolosálny oblak plynu, ktorý sa zrútil priamo do čiernej diery. Tieto čierne diery patria medzi energeticky najaktívnejšie objekty vo vesmíre. Nachádzajú sa v centrách mnohých galaxií, ak nie všetkých. Takúto čiernu dieru má aj naša Galaxia. Niekedy v dôsledku prítomnosti takejto čiernej diery sa jadrá týchto galaxií stanú veľmi jasnými. Galaxie s čiernymi dierami v strede, obklopené veľkým množstvom padajúcej hmoty, a preto schopné produkovať obrovské množstvo energie, sa nazývajú „aktívne“ a ich jadrá sa nazývajú „aktívne galaktické jadrá“ (AGN). Napríklad kvazary (od nás najvzdialenejšie vesmírne objekty dostupné pre naše pozorovanie) sú aktívne galaxie, v ktorých vidíme len veľmi jasné jadro.
Stredné a "mini"
Ďalšou záhadou zostávajú stredne ťažké čierne diery, ktoré sa podľa nedávnych štúdií môžu nachádzať v strede niektorých guľových hviezdokôp, ako napríklad M13 a NCC 6388. Mnohí astronómovia sú voči týmto objektom skeptickí, no niektoré nedávne výskumy naznačujú prítomnosť tzv. čierne diery.stredne veľké aj neďaleko od stredu našej Galaxie. Anglický fyzik Stephen Hawking tiež predložil teoretický predpoklad o existencii štvrtého typu čiernej diery – „minidiery“ s hmotnosťou len miliardy ton (čo sa približne rovná hmotnosti veľkej hory). Hovoríme o primárnych objektoch, teda o tých, ktoré sa objavili v prvých okamihoch života Vesmíru, keď bol tlak ešte veľmi vysoký. Zatiaľ však nebola objavená žiadna stopa po ich existencii.
Ako nájsť čiernu dieru
Len pred pár rokmi sa nad čiernymi dierami rozsvietilo svetlo. Vďaka neustále sa zdokonaľujúcim prístrojom a technológiám (pozemským aj vesmírnym) sú tieto objekty čoraz menej tajomné; presnejšie povedané, priestor okolo nich sa stáva menej tajomným. V skutočnosti, keďže samotná čierna diera je neviditeľná, môžeme ju rozpoznať iba vtedy, ak je obklopená dostatkom hmoty (hviezdy a horúci plyn), ktorá ju obieha v malej vzdialenosti.
Sledovanie dvojitých systémov
Niektoré hviezdne čierne diery boli objavené pozorovaním orbitálneho pohybu hviezdy okolo neviditeľného binárneho spoločníka. Blízke binárne sústavy (teda pozostávajúce z dvoch hviezd veľmi blízko seba), v ktorých je jeden zo spoločníkov neviditeľný, sú obľúbeným objektom pozorovania astrofyzikov hľadajúcich čierne diery.
Náznakom prítomnosti čiernej diery (alebo neutrónovej hviezdy) je silná emisia röntgenového žiarenia, spôsobená zložitým mechanizmom, ktorý možno schematicky opísať nasledovne. Vďaka svojej silnej gravitácii môže čierna diera vytrhnúť hmotu zo sprievodnej hviezdy; tento plyn je distribuovaný vo forme plochého disku a padá v špirále do čiernej diery. Trenie spôsobené zrážkami častíc padajúceho plynu zahrieva vnútorné vrstvy disku na niekoľko miliónov stupňov, čo spôsobuje silné röntgenové žiarenie.
Röntgenové pozorovania
Pozorovania v röntgenových lúčoch objektov v našej Galaxii a susedných galaxiách, ktoré sa uskutočňujú už niekoľko desaťročí, umožnili odhaliť kompaktné binárne zdroje, z ktorých asi tucet sú systémy obsahujúce kandidátov na čierne diery. Hlavným problémom je určiť hmotnosť neviditeľného nebeského telesa. Hodnota hmotnosti (aj keď nie veľmi presná) sa dá zistiť štúdiom pohybu spoločníka alebo, čo je oveľa ťažšie, meraním intenzity röntgenového žiarenia dopadajúcej hmoty. Táto intenzita je spojená rovnicou s hmotnosťou telesa, na ktoré táto látka dopadá.
Kandidát na Nobelovu cenu
Niečo podobné možno povedať o supermasívnych čiernych dierach pozorovaných v jadrách mnohých galaxií, ktorých hmotnosti sa odhadujú meraním orbitálnych rýchlostí plynu dopadajúceho do čiernej diery. V tomto prípade, spôsobeným silným gravitačným poľom veľmi veľkého objektu, je pozorovaním v rádiovom dosahu, ako aj v optických lúčoch odhalený rýchly nárast rýchlosti oblakov plynu obiehajúcich v strede galaxií. Pozorovania v oblasti röntgenového žiarenia môžu potvrdiť zvýšené uvoľňovanie energie spôsobené pádom hmoty do čiernej diery. Výskum röntgenového žiarenia na začiatku 60. rokov začal Talian Riccardo Giacconi, ktorý pôsobil v USA. V roku 2002 mu bola udelená Nobelova cena ako uznanie za jeho „prelomové príspevky k astrofyzike, ktoré viedli k objavu zdrojov röntgenového žiarenia vo vesmíre“.
Cygnus X-1: prvý kandidát
Naša Galaxia nie je imúnna voči prítomnosti objektov kandidátov na čierne diery. Našťastie žiadny z týchto objektov nie je tak blízko k nám, aby predstavoval nebezpečenstvo pre existenciu Zeme alebo slnečnej sústavy. Napriek veľkému počtu zaznamenaných kompaktných röntgenových zdrojov (a to sú najpravdepodobnejšie kandidáti na nájdenie čiernych dier), nie sme si istí, či skutočne obsahujú čierne diery. Jediný z týchto zdrojov, ktorý nemá alternatívnu verziu, je blízka dvojhviezda Cygnus X-1, teda najjasnejší zdroj röntgenového žiarenia v súhvezdí Labuť.
masívne hviezdy
Tento systém s obežnou dobou 5,6 dňa pozostáva z veľmi jasnej modrej hviezdy veľkej veľkosti (jej priemer je 20-krát väčší ako Slnko a jej hmotnosť je asi 30-krát), ľahko rozlíšiteľnej aj vo vašom teleskope. neviditeľná druhá hviezda, ktorej hmotnosť sa odhaduje na niekoľko hmotností Slnka (do 10). Druhá hviezda, ktorá sa nachádza vo vzdialenosti 6500 svetelných rokov od nás, by bola dokonale viditeľná, keby to bola obyčajná hviezda. Jeho neviditeľnosť, silné röntgenové lúče systému a napokon aj odhad hmotnosti vedú väčšinu astronómov k presvedčeniu, že ide o prvý potvrdený objav hviezdnej čiernej diery.
Pochybnosti
Nájdu sa však aj skeptici. Medzi nimi je aj jeden z najväčších výskumníkov čiernych dier, fyzik Stephen Hawking. Dokonca sa stavil so svojím americkým kolegom Keelom Thornom, silným zástancom klasifikácie Cygnus X-1 ako čiernej diery.
Spor o povahu objektu Cygnus X-1 nie je jedinou Hawkingovou stávkou. Po tom, čo sa niekoľko desaťročí venoval teoretickým štúdiám o čiernych dierach, presvedčil sa o klamnosti svojich predchádzajúcich predstáv o týchto záhadných objektoch. Predovšetkým Hawking predpokladal, že hmota po páde do čiernej diery navždy zmizne a spolu s ňou zmizne aj všetka jej informačná batožina. . Bol si tým taký istý, že sa na túto tému v roku 1997 stavil so svojím americkým kolegom Johnom Preskillom.
Priznanie chyby
21. júla 2004 Hawking vo svojom prejave na Kongrese relativity v Dubline priznal, že Preskill mal pravdu. Čierne diery nevedú k úplnému zmiznutiu hmoty. Navyše majú určitý druh „pamäte“. V ich vnútri môžu byť uložené stopy toho, čo absorbovali. Takže „vyparovaním“ (teda pomalým vyžarovaním žiarenia v dôsledku kvantového efektu) môžu túto informáciu vrátiť nášmu Vesmíru.
Čierne diery v galaxii
Astronómovia majú stále veľa pochybností o prítomnosti hviezdnych čiernych dier v našej Galaxii (ako tá, ktorá patrí do binárneho systému Cygnus X-1); ale o supermasívnych čiernych dierach sa pochybuje oveľa menej.
V centre
V našej galaxii je minimálne jedna supermasívna čierna diera. Jeho zdroj, známy ako Sagittarius A*, sa nachádza presne v strede roviny Mliečnej dráhy. Jeho názov sa vysvetľuje tým, že ide o najsilnejší rádiový zdroj v súhvezdí Strelca. V tomto smere sa nachádzajú geometrické aj fyzické centrá nášho galaktického systému. Supermasívna čierna diera spojená so zdrojom rádiových vĺn, Sagittarius A*, sa nachádza vo vzdialenosti asi 26 000 svetelných rokov od nás a má hmotnosť odhadovanú na približne 4 milióny slnečných hmôt, ktorá je uzavretá v priestore, ktorého objem je porovnateľný s objem slnečnej sústavy. Jeho relatívna blízkosť k nám (táto supermasívna čierna diera je nepochybne najbližšie k Zemi) spôsobila, že objekt sa v posledných rokoch dostal pod obzvlášť hlbokú kontrolu vesmírneho observatória Chandra. Ukázalo sa najmä, že je to aj silný zdroj röntgenového žiarenia (nie však taký silný ako zdroje v aktívnych galaktických jadrách). Sagittarius A* môže byť spiacim zvyškom toho, čo bolo pred miliónmi alebo miliardami rokov aktívnym jadrom našej Galaxie.
Druhá čierna diera?
Niektorí astronómovia sa však domnievajú, že v našej Galaxii je ešte jedno prekvapenie. Hovoríme o druhej čiernej diere s priemernou hmotnosťou, ktorá drží pohromade zhluk mladých hviezd a nedovoľuje im spadnúť do supermasívnej čiernej diery nachádzajúcej sa v strede samotnej Galaxie. Ako je možné, že vo vzdialenosti menšej ako jeden svetelný rok od nej môže byť hviezdokopa s vekom, ktorý sotva dosiahol 10 miliónov rokov, teda podľa astronomických štandardov veľmi mladý? Odpoveď podľa vedcov spočíva v tom, že hviezdokopa sa tam nezrodila (prostredie okolo centrálnej čiernej diery je príliš nepriateľské pre vznik hviezd), ale bola tam „nakreslená“ existenciou druhej čiernej diery vo vnútri. to, ktorý má množstvo priemerných hodnôt.
Na obežnej dráhe
Jednotlivé hviezdy zhluku priťahované supermasívnou čiernou dierou sa začali posúvať smerom ku galaktickému stredu. Avšak namiesto toho, aby boli rozptýlené do vesmíru, zostávajú spolu kvôli príťažlivosti druhej čiernej diery umiestnenej v strede zhluku. Hmotnosť tejto čiernej diery sa dá odhadnúť podľa jej schopnosti udržať celú hviezdokopu „na reťazi“. Zdá sa, že stredne veľká čierna diera sa otočí okolo centrálnej čiernej diery asi za 100 rokov. To znamená, že dlhodobé pozorovania počas mnohých rokov nám umožnia „vidieť“.
Pojem čierna diera pozná každý – od školákov až po starších ľudí, používa sa v vedeckej a beletrii, v žltých médiách a na vedeckých konferenciách. Ale nie každý vie, čo presne tieto diery sú.
Z histórie čiernych dier
1783 Prvú hypotézu o existencii takého javu ako čierna diera predložil v roku 1783 anglický vedec John Michell. Vo svojej teórii spojil dva výtvory Newtona – optiku a mechaniku. Michellova myšlienka bola takáto: ak je svetlo prúdom drobných častíc, tak ako všetky ostatné telesá, častice by mali zažiť príťažlivosť gravitačného poľa. Ukazuje sa, že čím je hviezda hmotnejšia, tým ťažšie je pre svetlo odolávať jej príťažlivosti. 13 rokov po Michellovi predložil francúzsky astronóm a matematik Laplace (s najväčšou pravdepodobnosťou nezávisle od svojho britského kolegu) podobnú teóriu.
1915 Všetky ich diela však zostali až do začiatku 20. storočia nevyžiadané. V roku 1915 Albert Einstein publikoval Všeobecnú teóriu relativity a ukázal, že gravitácia je zakrivenie časopriestoru spôsobené hmotou a o niekoľko mesiacov neskôr ju nemecký astronóm a teoretický fyzik Karl Schwarzschild použil na riešenie konkrétneho astronomického problému. Skúmal štruktúru zakriveného časopriestoru okolo Slnka a znovu objavil fenomén čiernych dier.
(John Wheeler vymyslel termín „čierne diery“)
1967 Americký fyzik John Wheeler načrtol priestor, ktorý sa dá pokrčiť ako kus papiera do nekonečne malého bodu a označil ho ako „čierna diera“.
1974 Britský fyzik Stephen Hawking dokázal, že čierne diery, hoci pohlcujú hmotu bez návratu, môžu vyžarovať žiarenie a nakoniec sa odpariť. Tento jav sa nazýva „Hawkingovo žiarenie“.
2013 Najnovší výskum pulzarov a kvazarov, ako aj objav žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia, konečne umožnil popísať samotný pojem čiernych dier. V roku 2013 sa oblak plynu G2 dostal veľmi blízko k čiernej diere a je pravdepodobné, že ho pohltí, pričom pozorovanie jedinečného procesu poskytuje skvelé príležitosti na nové objavy prvkov čiernej diery.
(Masívny objekt Sagittarius A *, jeho hmotnosť je 4 milióny krát väčšia ako Slnko, čo znamená zhluk hviezd a vytvorenie čiernej diery)
2017. Skupina vedcov zo spolupráce niekoľkých krajín s teleskopom Event Horizon Telescope, ktorá spájala osem ďalekohľadov z rôznych miest zemských kontinentov, vykonala pozorovania čiernej diery, ktorá je supermasívnym objektom a nachádza sa v galaxii M87, v súhvezdí Panna. Hmotnosť objektu je 6,5 miliardy (!) hmotností Slnka, giganticky krát väčšia ako masívny objekt Sagittarius A *, pre porovnanie, priemer je o niečo menší ako vzdialenosť od Slnka po Pluto.
Pozorovania sa uskutočňovali v niekoľkých etapách, počnúc jarou 2017 a počas obdobia 2018. Množstvo informácií sa vypočítalo v petabajtoch, ktoré sa potom museli dešifrovať a získať skutočný obraz ultra vzdialeného objektu. Predskenovanie všetkých údajov a ich spojenie do jedného celku preto trvalo ďalšie celé dva roky.
2019Údaje boli úspešne dekódované a zobrazené, čím sa vytvoril vôbec prvý obraz čiernej diery.
(Vôbec prvá snímka čiernej diery v galaxii M87 v súhvezdí Panna)
Rozlíšenie obrazu vám umožňuje vidieť tieň bodu, z ktorého niet návratu v strede objektu. Obraz bol získaný ako výsledok interferometrických pozorovaní s extra dlhou základnou čiarou. Ide o takzvané synchrónne pozorovania jedného objektu z viacerých rádioteleskopov, vzájomne prepojených sieťou a umiestnených v rôznych častiach zemegule, nasmerovaných jedným smerom.
Čo sú to vlastne čierne diery?
Lakonické vysvetlenie javu znie takto.
Čierna diera je časopriestorová oblasť, ktorej gravitačná príťažlivosť je taká silná, že ju nemôže opustiť žiadny objekt, vrátane svetelných kvánt.
Čierna diera bola kedysi masívnou hviezdou. Pokiaľ termonukleárne reakcie udržujú v jeho útrobách vysoký tlak, všetko zostáva normálne. No časom sa zásoby energie vyčerpajú a nebeské teleso sa vplyvom vlastnej gravitácie začne zmenšovať. Konečným štádiom tohto procesu je kolaps hviezdneho jadra a vytvorenie čiernej diery.
- 1. Vyvrhnutie prúdu čiernej diery vysokou rýchlosťou
- 2. Disk hmoty vyrastie do čiernej diery
- 3. Čierna diera
- 4. Podrobná schéma oblasti čiernej diery
- 5. Veľkosť nájdených nových pozorovaní
Najbežnejšia teória hovorí, že podobné javy sú v každej galaxii, teda aj v strede našej Mliečnej dráhy. Obrovská gravitácia diery je schopná udržať okolo seba niekoľko galaxií, čo im bráni v pohybe od seba. "Oblasť pokrytia" môže byť rôzna, všetko závisí od hmotnosti hviezdy, ktorá sa zmenila na čiernu dieru, a môže byť tisíce svetelných rokov.
Schwarzschildov polomer
Hlavnou vlastnosťou čiernej diery je, že akákoľvek hmota, ktorá sa do nej dostane, sa už nikdy nemôže vrátiť. To isté platí pre svetlo. Vo svojom jadre sú diery telesá, ktoré úplne absorbujú všetko svetlo, ktoré na ne dopadá a nevyžarujú svoje vlastné. Takéto predmety sa môžu vizuálne javiť ako zrazeniny absolútnej tmy.
- 1. Hmota sa pohybuje polovičnou rýchlosťou svetla
- 2. Fotónový krúžok
- 3. Vnútorný fotónový kruh
- 4. Horizont udalostí v čiernej diere
Na základe Einsteinovej Všeobecnej teórie relativity, ak sa teleso priblíži ku kritickej vzdialenosti od stredu diery, už sa nemôže vrátiť. Táto vzdialenosť sa nazýva Schwarzschildov polomer. Čo presne sa deje v tomto okruhu, nie je s určitosťou známe, ale existuje najbežnejšia teória. Predpokladá sa, že všetka hmota čiernej diery je sústredená v nekonečne malom bode a v jeho strede je objekt s nekonečnou hustotou, ktorý vedci nazývajú singulárna porucha.
Ako spadne do čiernej diery
(Na obrázku čierna diera Strelca A * vyzerá ako extrémne jasný zhluk svetla)
Nie je to tak dávno, v roku 2011, vedci objavili oblak plynu a dali mu jednoduchý názov G2, ktorý vyžaruje nezvyčajné svetlo. Takáto žiara môže spôsobiť trenie v plyne a prachu spôsobené pôsobením čiernej diery Sagittarius A * a ktoré sa okolo nej otáčajú vo forme akréčného disku. Stávame sa tak pozorovateľmi úžasného fenoménu pohlcovania oblaku plynu supermasívnou čiernou dierou.
Podľa nedávnych štúdií sa najbližšie priblíženie k čiernej diere uskutoční v marci 2014. Môžeme si znovu vytvoriť obraz o tom, ako sa toto vzrušujúce predstavenie bude odohrávať.
- 1. Keď sa oblak plynu prvýkrát objaví v údajoch, pripomína obrovskú guľu plynu a prachu.
- 2. Teraz, od júna 2013, je oblak od čiernej diery vzdialený desiatky miliárd kilometrov. Padá do nej rýchlosťou 2500 km/s.
- 3. Očakáva sa, že oblak prejde čiernou dierou, ale slapové sily spôsobené rozdielom v príťažlivosti pôsobiacej na prednú a zadnú hranu oblaku spôsobia, že sa bude stále viac predlžovať.
- 4. Po rozbití oblaku sa väčšina z neho s najväčšou pravdepodobnosťou spojí s akrečným diskom okolo Sagittarius A*, čím sa v ňom vygenerujú rázové vlny. Teplota vystúpi na niekoľko miliónov stupňov.
- 5. Časť oblaku spadne priamo do čiernej diery. Nikto presne nevie, čo sa s touto látkou stane, ale očakáva sa, že v procese pádu bude vyžarovať silné prúdy röntgenových lúčov a nikto iný ju neuvidí.
Video: čierna diera pohltí oblak plynu
(Počítačová simulácia toho, koľko z oblaku plynu G2 zničí a spotrebuje čierna diera Sagittarius A*)
Čo je vo vnútri čiernej diery
Existuje teória, ktorá tvrdí, že čierna diera vo vnútri je prakticky prázdna a všetka jej hmota je sústredená v neuveriteľne malom bode umiestnenom v jej samom strede – singularite.
Podľa inej teórie, ktorá existuje už pol storočia, všetko, čo spadne do čiernej diery, ide do iného vesmíru umiestneného v samotnej čiernej diere. Teraz táto teória nie je hlavná.
A je tu aj tretia, najmodernejšia a húževnatá teória, podľa ktorej sa všetko, čo padne do čiernej diery, rozpúšťa vo vibráciách strún na jej povrchu, ktorý je označený ako horizont udalostí.
Aký je teda horizont udalostí? Pohľad do čiernej diery nie je možné ani pomocou supervýkonného teleskopu, pretože ani svetlo, ktoré sa dostane do obrovského kozmického lievika, nemá šancu vrátiť sa späť. Všetko, čo sa dá nejako zvážiť, je v jeho bezprostrednej blízkosti.
Horizont udalostí je podmienená čiara povrchu, spod ktorej nemôže uniknúť nič (ani plyn, ani prach, ani hviezdy, ani svetlo). A toto je veľmi tajomný bod, odkiaľ niet návratu v čiernych dierach vesmíru.
Tím astrofyzikov z projektu Event Horizon Telescope zverejnil 10. apríla vôbec prvú snímku čiernej diery. Tieto gigantické, no neviditeľné vesmírne objekty stále patria medzi najzáhadnejšie a najzaujímavejšie v našom vesmíre.
Prečítajte si nižšie
Čo je čierna diera?
Čierna diera je objekt (oblasť v časopriestore), ktorého gravitácia je taká silná, že priťahuje všetky známe objekty, vrátane tých, ktoré sa pohybujú rýchlosťou svetla. Kvantá samotného svetla tiež nemôžu opustiť túto oblasť, takže čierna diera je neviditeľná. Môžete pozorovať len elektromagnetické vlny, žiarenie a deformácie priestoru okolo čiernej diery. Publikovaný teleskopom horizontu udalostí, je zobrazený horizont udalostí čiernej diery - hranica oblasti so supersilnou gravitáciou, orámovaná akrečným diskom - svetelná hmota, ktorá je "nasávaná" dierou.
Pojem „čierna diera“ sa objavil v polovici 20. storočia, zaviedol ho americký teoretický fyzik John Archibald Wheeler. Prvýkrát tento termín použil na vedeckej konferencii v roku 1967.
Predpoklady o existencii objektov takých masívnych, že ani svetlo neprekoná ich príťažlivosť, sa však objavili už v 18. storočí. Moderná teória čiernych dier sa začala formovať v rámci všeobecnej teórie relativity. Zaujímavé je, že sám Albert Einstein neveril v existenciu čiernych dier.
Odkiaľ pochádzajú čierne diery?
Vedci sa domnievajú, že čierne diery sú rôzneho pôvodu. Masívne hviezdy sa na konci svojho života stávajú čiernou dierou: v priebehu miliárd rokov sa v nich mení zloženie plynov a teplota, čo vedie k nerovnováhe medzi gravitáciou hviezdy a tlakom horúcich plynov. Potom sa hviezda zrúti: jej objem sa zmenšuje, ale keďže sa hmotnosť nemení, hustota sa zvyšuje. Typická čierna diera s hviezdnou hmotnosťou má polomer 30 kilometrov a hustotu viac ako 200 miliónov ton na centimeter kubický. Pre porovnanie: aby sa Zem stala čiernou dierou, jej polomer musí byť 9 milimetrov.
Existuje aj iný typ čiernych dier – supermasívne čierne diery, ktoré tvoria jadro väčšiny galaxií. Ich hmotnosť je miliarda krát väčšia ako hmotnosť hviezdnych čiernych dier. Pôvod supermasívnych čiernych dier nie je známy, predpokladá sa však, že kedysi to boli čierne diery s hviezdnou hmotnosťou, ktoré rástli pohlcovaním iných hviezd.
Existuje aj kontroverzná myšlienka existencie prvotných čiernych dier, ktoré sa mohli objaviť v dôsledku stlačenia akejkoľvek hmoty na začiatku existencie vesmíru. Okrem toho existuje predpoklad, že na Veľkom hadrónovom urýchľovači vznikajú veľmi malé čierne diery s hmotnosťou blízkou hmotnosti elementárnych častíc. Zatiaľ však neexistuje potvrdenie tejto verzie.
Pohltí čierna diera našu galaxiu?
V strede galaxie Mliečna dráha sa nachádza čierna diera – Sagittarius A*. Jeho hmotnosť je štyri milióny krát väčšia ako hmotnosť Slnka a jeho veľkosť - 25 miliónov kilometrov - sa približne rovná priemeru 18 sĺnk. Takéto váhy vedú niektorých k otázke: ohrozuje čierna diera celú našu galaxiu? Dôvody na takéto domnienky nie sú len sci-fi: pred niekoľkými rokmi vedci informovali o galaxii W2246-0526, ktorá sa nachádza 12,5 miliardy svetelných rokov od našej planéty. Podľa popisu astronómov, ktorý sa nachádza v strede W2246-0526, ho supermasívna čierna diera postupne trhá a žiarenie, ktoré je výsledkom tohto procesu, urýchľuje obrovské horúce oblaky plynu vo všetkých smeroch. Galaxia roztrhaná čiernou dierou žiari jasnejšie ako 300 biliónov sĺnk.
Nič také však neohrozuje našu domácu galaxiu (aspoň krátkodobo). Väčšina objektov v Mliečnej dráhe, vrátane slnečnej sústavy, je príliš ďaleko od čiernej diery, aby pocítila jej ťah. Navyše „naša“ čierna diera nevťahuje všetok materiál ako vysávač, ale funguje len ako gravitačná kotva pre skupinu hviezd, ktoré okolo nej obiehajú – ako Slnko pre planéty.
Avšak aj keď sa niekedy dostaneme za horizont udalostí čiernej diery, s najväčšou pravdepodobnosťou si to ani nevšimneme.
Čo sa stane, ak „spadnete“ do čiernej diery?
Objekt ťahaný čiernou dierou sa odtiaľ s najväčšou pravdepodobnosťou nebude môcť vrátiť. Aby ste prekonali gravitáciu čiernej diery, musíte vyvinúť rýchlosť vyššiu ako rýchlosť svetla, ale ľudstvo ešte nevie, ako sa to dá.
Gravitačné pole okolo čiernej diery je veľmi silné a nerovnomerné, takže všetky objekty v jeho blízkosti menia tvar a štruktúru. Strana objektu, ktorá je bližšie k horizontu udalostí, je priťahovaná väčšou silou a klesá s väčším zrýchlením, takže celý objekt je natiahnutý a stáva sa ako cestoviny. Tento jav opísal vo svojej knihe Stručná história času slávny teoretický fyzik Stephen Hawking. Ešte pred Hawkingom tento jav nazývali astrofyzici špagetifikácia.
Ak opíšete špagetovanie z pohľadu astronauta, ktorý ako prvý priletel k nohám čiernej diery, potom mu gravitačné pole stiahne nohy a potom telo natiahne a roztrhne a premení ho na prúd subatomárnych častíc.
Zvonku nie je možné vidieť pád do čiernej diery, pretože absorbuje svetlo. Vonkajší pozorovateľ uvidí iba to, že objekt približujúci sa k čiernej diere sa postupne spomaľuje a potom sa úplne zastaví. Potom bude silueta objektu čoraz viac rozmazaná, červená a nakoniec navždy zmizne.
Podľa Stephena Hawkinga všetky objekty priťahované čiernou dierou zostávajú v horizonte udalostí. Z teórie relativity vyplýva, že v blízkosti čiernej diery sa čas spomalí až zastaví, takže pre toho, kto spadne, sa samotný pád do čiernej diery nemusí nikdy stať.
Čo je vo vnútri?
Zo zrejmých dôvodov na túto otázku v súčasnosti neexistuje spoľahlivá odpoveď. Vedci sa však zhodujú, že vo vnútri čiernej diery už neplatia nám známe fyzikálne zákony. Podľa jednej z najvzrušujúcejších a najexotickejších hypotéz je časopriestorové kontinuum okolo čiernej diery natoľko zdeformované, že sa v samotnej realite vytvorí diera, ktorá môže byť portálom do iného vesmíru – alebo takzvanej červej diery.
Čierne diery: najzáhadnejšie objekty vo vesmíre
Čierne diery, temná hmota, temná hmota... Toto sú nepochybne najzvláštnejšie a najzáhadnejšie objekty vo vesmíre. Ich bizarné vlastnosti môžu popierať fyzikálne zákony vo vesmíre a dokonca aj povahu existujúcej reality. Aby vedci pochopili, čo sú čierne diery, ponúkajú „zmenu orientačných bodov“, naučia sa myslieť mimo rámca a uplatniť trochu fantázie. Čierne diery vznikajú z jadier superhmotných hviezd, ktoré možno opísať ako oblasť vesmíru, kde sa v prázdnote sústreďuje obrovská hmota a nič, dokonca ani svetlo, nemôže uniknúť tamojšej gravitačnej príťažlivosti. Toto je oblasť, kde druhá priestorová rýchlosť prevyšuje rýchlosť svetla: A čím je objekt pohybu hmotnejší, tým rýchlejšie sa musí pohybovať, aby sa zbavil svojej gravitácie. Toto je známe ako druhá úniková rýchlosť.
Collier Encyclopedia nazýva čiernou dierou oblasť vo vesmíre, ktorá vznikla v dôsledku úplného gravitačného kolapsu hmoty, v ktorej je gravitačná príťažlivosť taká silná, že ju nemôže opustiť ani hmota, ani svetlo, ani iné nosiče informácií. Preto vnútro čiernej diery kauzálne nesúvisí so zvyškom vesmíru; fyzikálne procesy prebiehajúce vo vnútri čiernej diery nemôžu ovplyvniť procesy mimo nej. Čierna diera je obklopená povrchom s vlastnosťou jednosmernej membrány: hmota a žiarenie cez ňu voľne prepadajú do čiernej diery, ale nič odtiaľ nemôže uniknúť. Tento povrch sa nazýva „horizont udalostí“.
História objavov
Čierne diery, ktoré predpovedala všeobecná teória relativity (teória gravitácie navrhnutá Einsteinom v roku 1915) a ďalšie modernejšie teórie gravitácie, boli matematicky podložené R. Oppenheimerom a H. Snyderom v roku 1939. Ale vlastnosti priestoru a času v blízkosti týchto objektov sa ukázali byť také nezvyčajné, že ich astronómovia a fyzici nebrali vážne 25 rokov. Astronomické objavy v polovici 60. rokov nás však prinútili pozerať sa na čierne diery ako na možnú fyzikálnu realitu. Nové objavy a prieskum môžu zásadne zmeniť naše chápanie priestoru a času a osvetliť miliardy kozmických záhad.
Vznik čiernych dier
Kým vo vnútri hviezdy prebiehajú termonukleárne reakcie, udržiavajú si vysokú teplotu a tlak, čím bránia tomu, aby sa hviezda zrútila pod vplyvom vlastnej gravitácie. Jadrové palivo sa však časom vyčerpá a hviezda sa začne zmenšovať. Výpočty ukazujú, že ak hmotnosť hviezdy nepresiahne tri hmotnosti Slnka, potom vyhrá „bitku s gravitáciou“: jej gravitačný kolaps zastaví tlak „degenerovanej“ hmoty a hviezda sa navždy zmení na biely trpaslík alebo neutrónová hviezda. Ak je však hmotnosť hviezdy viac ako tri slnečné, nič nemôže zastaviť jej katastrofický kolaps a rýchlo sa dostane pod horizont udalostí a stane sa čiernou dierou.
Je čierna diera šiškovou dierou?
Čokoľvek, čo nevyžaruje svetlo, je ťažké vidieť. Jedným zo spôsobov, ako hľadať čiernu dieru, je hľadať oblasti vo vesmíre, ktoré majú veľa hmoty a sú v tmavom priestore. Pri hľadaní týchto typov objektov ich astronómovia našli v dvoch hlavných oblastiach: v centrách galaxií a v binárnych hviezdnych systémoch v našej Galaxii. Celkovo, ako naznačujú vedci, existujú desiatky miliónov takýchto objektov.
