Vedecké myslenie niekedy konštruuje predmety s takými paradoxnými vlastnosťami, že ich aj tí najbystrejší vedci spočiatku odmietajú rozpoznať. Najviditeľnejším príkladom v histórii modernej fyziky je dlhodobý nezáujem o čierne diery, extrémne stavy gravitačného poľa predpovedané takmer pred 90 rokmi. Dlho boli považované za čisto teoretickú abstrakciu a až v 60. a 70. rokoch verili v ich realitu. Základná rovnica teórie čiernych dier však bola odvodená pred viac ako dvesto rokmi.

Pohľad Johna Michella

Medzi hviezdami anglickej vedy 18. storočia sa úplne nezaslúžene stratilo meno Johna Michella, fyzika, astronóma a geológa, profesora na univerzite v Cambridge a pastora anglikánskej cirkvi. Michell položil základy seizmológie, vedy o zemetraseniach, vykonal vynikajúcu štúdiu magnetizmu a dávno predtým, ako Coulomb vynašiel torzné váhy, ktoré používal na gravimetrické merania. V roku 1783 sa pokúsil spojiť dva Newtonove veľké výtvory, mechaniku a optiku. Newton považoval svetlo za prúd drobných častíc. Michell navrhol, aby sa ľahké častice, podobne ako obyčajná hmota, riadili zákonmi mechaniky. Dôsledok tejto hypotézy sa ukázal ako veľmi netriviálny – nebeské telesá sa môžu zmeniť na pasce na svetlo.

Ako to Michell myslel? Delová guľa vystrelená z povrchu planéty úplne prekoná svoju gravitáciu iba vtedy, ak jej počiatočná rýchlosť presiahne to, čo sa dnes nazýva druhá vesmírna rýchlosť a úniková rýchlosť. Ak je gravitácia planéty taká silná, že úniková rýchlosť presiahne rýchlosť svetla, svetelné častice vystrelené v zenite nemôžu uniknúť do nekonečna. To isté sa stane s odrazeným svetlom. Preto pre veľmi vzdialeného pozorovateľa bude planéta neviditeľná. Michell vypočítal kritickú hodnotu polomeru takejto planéty Rcr v závislosti od jej hmotnosti M, redukovanej na hmotnosť nášho Slnka, Ms: Rcr = 3 km x M/Ms.

John Michell veril svojim vzorcom a predpokladal, že hlbiny vesmíru ukrývajú veľa hviezd, ktoré zo Zeme nemožno vidieť žiadnym ďalekohľadom. Neskôr k rovnakému záveru dospel veľký francúzsky matematik, astronóm a fyzik Pierre Simon Laplace a zaradil ho do prvého (1796) aj druhého (1799) vydania svojej Expozície systému sveta. Ale tretie vydanie vyšlo v roku 1808, keď už väčšina fyzikov považovala svetlo za vibrácie éteru. Existencia „neviditeľných“ hviezd bola v rozpore s vlnovou teóriou svetla a Laplace považoval za najlepšie ich jednoducho nespomínať. V nasledujúcich časoch bola táto myšlienka považovaná za kuriozitu, hodnú výkladu iba v prácach o histórii fyziky.

Schwarzschildov model

V novembri 1915 Albert Einstein publikoval teóriu gravitácie, ktorú nazval všeobecná teória relativity (GR). Toto dielo si okamžite našlo vďačného čitateľa v osobe jeho kolegu z berlínskej akadémie vied Karla Schwarzschilda. Bol to Schwarzschild, kto ako prvý na svete aplikoval všeobecnú teóriu relativity na vyriešenie konkrétneho astrofyzikálneho problému, na výpočet časopriestorovej metriky mimo a vo vnútri nerotujúceho guľového telesa (pre konkrétnosť ho budeme nazývať hviezda).

Zo Schwarzschildových výpočtov vyplýva, že gravitácia hviezdy veľmi neskresľuje newtonovskú štruktúru priestoru a času iba vtedy, ak je jej polomer oveľa väčší ako samotná hodnota, ktorú vypočítal John Michell! Tento parameter sa najprv nazýval Schwarzschildov polomer a teraz sa nazýva gravitačný polomer. Podľa všeobecnej teórie relativity gravitácia neovplyvňuje rýchlosť svetla, ale znižuje frekvenciu svetelných vibrácií v rovnakom pomere, v akom spomaľuje čas. Ak je polomer hviezdy 4-krát väčší ako gravitačný polomer, potom sa tok času na jej povrchu spomalí o 15% a priestor nadobudne zreteľné zakrivenie. Pri dvojnásobnom prekročení sa viac ohýba a čas spomalí jeho beh o 41 %. Po dosiahnutí gravitačného polomeru sa čas na povrchu hviezdy úplne zastaví (všetky frekvencie sa vynulujú, žiarenie zamrzne a hviezda zhasne), ale zakrivenie priestoru je stále konečné. Ďaleko od Slnka geometria stále zostáva euklidovská a čas nemení svoju rýchlosť.

Napriek tomu, že hodnoty gravitačného polomeru pre Michell a Schwarzschild sú rovnaké, samotné modely nemajú nič spoločné. Pre Michell sa priestor a čas nemenia, ale svetlo sa spomaľuje. Hviezda, ktorej rozmery sú menšie ako jej gravitačný polomer, naďalej svieti, no je viditeľná len pre nie príliš vzdialeného pozorovateľa. Pre Schwarzschilda je rýchlosť svetla absolútna, ale štruktúra priestoru a času závisí od gravitácie. Hviezda, ktorá spadla pod gravitačný polomer, zmizne pre každého pozorovateľa, bez ohľadu na to, kde sa nachádza (presnejšie, dá sa zachytiť gravitačnými účinkami, ale v žiadnom prípade nie žiarením).

Od nevery k tvrdeniu

Schwarzschild a jeho súčasníci verili, že také zvláštne kozmické objekty v prírode neexistujú. Sám Einstein sa tohto stanoviska nielen držal, ale sa aj mylne domnieval, že svoj názor dokázal matematicky podložiť.

V tridsiatych rokoch minulého storočia mladý indický astrofyzik Chandrasekhar dokázal, že hviezda, ktorá spotrebovala svoje jadrové palivo, zhadzuje svoj obal a mení sa na pomaly chladnúceho bieleho trpaslíka iba vtedy, ak je jej hmotnosť menšia ako 1,4 hmotnosti Slnka. Čoskoro Američan Fritz Zwicky uhádol, že extrémne husté telesá neutrónovej hmoty vznikajú pri výbuchoch supernov; Neskôr k rovnakému záveru dospel aj Lev Landau. Po práci Chandrasekhara bolo zrejmé, že takýmto vývojom môžu prejsť iba hviezdy s hmotnosťou väčšou ako 1,4 hmotnosti Slnka. Preto vyvstala prirodzená otázka – existuje horná hranica hmotnosti pre supernovy, ktorú za sebou neutrónové hviezdy zanechávajú?

Koncom tridsiatych rokov minulého storočia budúci otec americkej atómovej bomby Robert Oppenheimer zistil, že takáto hranica skutočne existuje a nepresahuje niekoľko hmotností Slnka. Vtedy nebolo možné poskytnúť presnejšie hodnotenie; teraz je známe, že hmotnosti neutrónových hviezd musia byť v rozmedzí 1,5-3 M s . Ale aj z približných výpočtov Oppenheimera a jeho postgraduálneho študenta Georga Volkova vyplynulo, že najhmotnejší potomkovia supernov sa nestávajú neutrónovými hviezdami, ale prechádzajú do nejakého iného stavu. V roku 1939 Oppenheimer a Hartland Snyder dokázali v idealizovanom modeli, že masívna kolabujúca hviezda sa sťahuje na svoj gravitačný polomer. Z ich vzorcov v podstate vyplýva, že hviezda tam nekončí, ale spoluautori sa zdržali takéhoto radikálneho záveru.

Konečnú odpoveď našlo v druhej polovici 20. storočia úsilie galaxie brilantných teoretických fyzikov, vrátane tých sovietskych. Ukázalo sa, že takýto kolaps vždy stláča hviezdu „na doraz“ a úplne ničí jej podstatu. V dôsledku toho vzniká singularita, „superkoncentrát“ gravitačného poľa, uzavretý v nekonečne malom objeme. Pre pevný otvor je to hrot, pre otočný otvor je to krúžok. Zakrivenie časopriestoru a následne sila gravitácie v blízkosti singularity má tendenciu k nekonečnu. Koncom roku 1967 americký fyzik John Archibald Wheeler ako prvý nazval takýto konečný hviezdny kolaps čiernou dierou. Nový termín si obľúbili fyzici a potešili novinárov, ktorí ho šírili po svete (hoci Francúzom sa spočiatku nepáčil, pretože výraz trou noir naznačoval pochybné asociácie).

Tam, za horizontom

Čierna diera nie je hmota ani žiarenie. S určitou obraznosťou môžeme povedať, že ide o samostatné gravitačné pole sústredené vo vysoko zakrivenej oblasti časopriestoru. Jeho vonkajšia hranica je definovaná uzavretým povrchom, horizontom udalostí. Ak sa hviezda pred kolapsom neotáčala, tento povrch sa ukázal ako pravidelná guľa, ktorej polomer sa zhoduje so Schwarzschildovým polomerom.

Fyzický význam horizontu je veľmi jasný. Svetelný signál vyslaný z jeho vonkajšieho okolia môže prejsť nekonečnú vzdialenosť. Ale signály vysielané z vnútornej oblasti nielenže neprekročia horizont, ale nevyhnutne „spadnú“ do singularity. Horizont je priestorová hranica medzi udalosťami, ktoré sa môžu stať známym pozemským (a ktorýmkoľvek iným) astronómom, a udalosťami, o ktorých informácie za žiadnych okolností nevyjdú.

Ako by malo byť „podľa Schwarzschilda“, ďaleko od horizontu je príťažlivosť diery nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti, preto sa pre vzdialeného pozorovateľa prejaví ako obyčajné ťažké teleso. Diera okrem hmotnosti zdedí aj moment zotrvačnosti zrútenej hviezdy a jej elektrický náboj. A všetky ostatné charakteristiky predchádzajúcej hviezdy (štruktúra, zloženie, spektrálny typ atď.) idú do zabudnutia.

Pošlime do diery sondu s rádiovou stanicou, ktorá vysiela signál raz za sekundu podľa palubného času. Pre vzdialeného pozorovateľa, keď sa sonda priblíži k horizontu, časové intervaly medzi signálmi sa budú zväčšovať – v zásade donekonečna. Len čo loď prekročí neviditeľný horizont, pre svet „nad dierou“ úplne stíchne. Toto zmiznutie však nezostane bez stopy, pretože sonda dodá otvoru jej hmotnosť, náboj a krútiaci moment.

žiarenie čiernej diery

Všetky predchádzajúce modely boli postavené výlučne na základe všeobecnej teórie relativity. Náš svet sa však riadi zákonmi kvantovej mechaniky, ktoré čierne diery neignorujú. Tieto zákony nám neumožňujú považovať centrálnu singularitu za matematický bod. V kvantovom kontexte je jeho priemer daný Planck-Wheelerovou dĺžkou, ktorá sa približne rovná 10-33 centimetrom. V tomto regióne bežný priestor prestáva existovať. Všeobecne sa uznáva, že stred diery je vyplnený rôznymi topologickými štruktúrami, ktoré sa objavujú a zanikajú v súlade s kvantovými pravdepodobnostnými zákonmi. Vlastnosti takého bublajúceho kvázi priestoru, ktorý Wheeler nazval kvantová pena, sú stále zle pochopené.

Prítomnosť kvantovej singularity priamo súvisí s osudom hmotných telies padajúcich hlboko do čiernej diery. Keď sa priblížite k stredu diery, akýkoľvek predmet vyrobený zo súčasne známych materiálov bude rozdrvený a roztrhnutý prílivovými silami. Aj keď budúci inžinieri a technológovia vytvoria nejaké superpevné zliatiny a kompozity s dnes nevídanými vlastnosťami, všetky sú stále odsúdené na zánik: koniec koncov, v zóne singularity nie je obvyklý čas ani obvyklý priestor.

Teraz sa pozrime na horizont diery cez kvantovo mechanickú šošovku. Prázdny priestor – fyzikálne vákuum – v skutočnosti v žiadnom prípade nie je prázdny. V dôsledku kvantových fluktuácií rôznych polí vo vákuu sa neustále rodí a umiera veľa virtuálnych častíc. Keďže gravitácia v blízkosti horizontu je veľmi silná, jej výkyvy vytvárajú mimoriadne silné gravitačné výbuchy. Pri zrýchlení v takýchto poliach získavajú novonarodené „virtuály“ ďalšiu energiu a niekedy sa stávajú normálnymi časticami s dlhou životnosťou.

Virtuálne častice sa vždy rodia v pároch, ktoré sa pohybujú v opačných smeroch (vyžaduje to zákon zachovania hybnosti). Ak gravitačná fluktuácia vytiahne z vákua pár častíc, môže sa stať, že jedna z nich sa materializuje mimo horizontu a druhá (antičastica prvej) vo vnútri. "Vnútorná" častica spadne do otvoru, ale "vonkajšia" častica môže za priaznivých podmienok uniknúť. V dôsledku toho sa diera mení na zdroj žiarenia, a preto stráca energiu a následne aj hmotnosť. Preto sú čierne diery zásadne nestabilné.

Tento jav sa nazýva Hawkingov efekt podľa pozoruhodného anglického teoretického fyzika, ktorý ho objavil v polovici 70. rokov 20. storočia. Najmä Stephen Hawking dokázal, že horizont čiernej diery vyžaruje fotóny presne rovnakým spôsobom ako absolútne čierne teleso zahriate na teplotu T = 0,5 x 10 -7 x M s /M. Z toho vyplýva, že ako sa diera stenčuje, zvyšuje sa jej teplota a samozrejme sa zvyšuje aj „vyparovanie“. Tento proces je extrémne pomalý a životnosť otvoru s hmotnosťou M je približne 10 65 x (M/M s) 3 roky. Keď sa jeho veľkosť rovná dĺžke Planck-Wheeler, otvor stratí stabilitu a exploduje, pričom uvoľní rovnakú energiu ako pri simultánnom výbuchu milióna desaťmegatonových vodíkových bômb. Je zvláštne, že hmotnosť otvoru v čase jeho zmiznutia je stále dosť veľká, 22 mikrogramov. Podľa niektorých modelov otvor nezmizne bez stopy, ale zanechá za sebou stabilný relikt rovnakej hmotnosti, takzvaný maximón.

Maximon sa narodil pred 40 rokmi - ako pojem a ako fyzická myšlienka. V roku 1965 akademik M. A. Markov navrhol, že existuje horná hranica hmotnosti elementárnych častíc. Navrhol, aby sa za túto hraničnú hodnotu považoval rozmer hmotnosti, ktorý možno kombinovať z troch základných fyzikálnych konštánt – Planckovej konštanty h, rýchlosti svetla C a gravitačnej konštanty G (pre milovníkov detailov: na to je potrebné vynásobte h a C, výsledok vydeľte G a extrahujte druhú odmocninu). Ide o rovnakých 22 mikrogramov, ktoré sú uvedené v článku, táto hodnota sa nazýva Planckova hmotnosť. Z rovnakých konštánt je možné zostrojiť hodnotu s rozmerom dĺžky (vyjde Planck-Wheelerova dĺžka 10 -33 cm) a s rozmerom času (10 -43 s).
Markov zašiel vo svojich úvahách ďalej. Podľa jeho hypotézy vedie vyparovanie čiernej diery k vytvoreniu „suchého zvyšku“ – maximónu. Markov nazval takéto štruktúry elementárne čierne diery. Do akej miery táto teória zodpovedá realite, je zatiaľ otvorenou otázkou. V každom prípade, analógy Markovových maximónov boli oživené v niektorých modeloch čiernych dier založených na teórii superstrun.

Hĺbky priestoru

Čierne diery nie sú zakázané fyzikálnymi zákonmi, ale existujú v prírode? Absolútne striktné dôkazy o prítomnosti aspoň jedného takéhoto objektu vo vesmíre sa zatiaľ nenašli. Je však vysoko pravdepodobné, že v niektorých binárnych systémoch sú zdrojom röntgenového žiarenia čierne diery hviezdneho pôvodu. Toto žiarenie by malo vzniknúť v dôsledku nasávania atmosféry obyčajnej hviezdy gravitačným poľom susednej diery. Plyn sa pri svojom pohybe k horizontu udalostí silne zahrieva a vyžaruje röntgenové kvantá. Najmenej dve desiatky röntgenových zdrojov sa dnes považujú za vhodných kandidátov na úlohu čiernych dier. Navyše, hviezdne štatistiky naznačujú, že len v našej Galaxii je asi desať miliónov dier hviezdneho pôvodu.

Čierne diery môžu vzniknúť aj v procese gravitačnej kondenzácie hmoty v galaktických jadrách. Takto vznikajú gigantické diery s hmotnosťou miliónov a miliárd slnečných hmôt, ktoré sa s najväčšou pravdepodobnosťou nachádzajú v mnohých galaxiách. Zdá sa, že v strede Mliečnej dráhy, pokrytej prachovými mrakmi, je diera s hmotnosťou 3-4 miliónov slnečných hmôt.

Stephen Hawking dospel k záveru, že čierne diery ľubovoľnej hmotnosti sa môžu zrodiť ihneď po Veľkom tresku, z ktorého vznikol náš vesmír. Primárne diery vážiace až miliardu ton sa už vyparili, no ťažšie sa môžu stále skrývať v hlbinách vesmíru a v pravý čas rozpútať kozmický ohňostroj v podobe silných zábleskov gama žiarenia. Takéto výbuchy však doteraz neboli nikdy pozorované.

továreň na čierne diery

Je možné častice v urýchľovači urýchliť na takú vysokú energiu, že by ich zrážkou vznikla čierna diera? Na prvý pohľad je tento nápad jednoducho šialený – výbuch diery zničí všetok život na Zemi. Navyše je to technicky nerealizovateľné. Ak je minimálna hmotnosť otvoru skutočne 22 mikrogramov, potom v energetických jednotkách je to 10 28 elektrónvoltov. Táto hranica je o 15 rádov vyššia ako najvýkonnejší urýchľovač na svete, Veľký hadrónový urýchľovač (LHC), ktorý bude spustený v CERN-e v roku 2007.

Je však možné, že štandardný odhad minimálnej hmotnosti otvoru je výrazne nadhodnotený. V každom prípade to hovoria fyzici, ktorí rozvíjajú teóriu superstrun, ktorá zahŕňa aj kvantovú teóriu gravitácie (aj keď zďaleka nie je úplná). Podľa tejto teórie má priestor nie menej ako tri rozmery, ale najmenej deväť. Extra rozmery nevnímame, pretože sú zacyklené v takej malej mierke, že ich naše prístroje nevnímajú. Gravitácia je však všadeprítomná, preniká do skrytých dimenzií. V troch dimenziách je gravitačná sila nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti a v deviatich dimenziách je to ôsma mocnina. Preto v multidimenzionálnom svete intenzita gravitačného poľa rastie s klesajúcou vzdialenosťou oveľa rýchlejšie ako v trojrozmernom. V tomto prípade sa Planckova dĺžka mnohonásobne zvyšuje a minimálna hmotnosť otvoru prudko klesá.

Teória strún predpovedá, že v deväťrozmernom priestore sa môže zrodiť čierna diera s hmotnosťou len 10 -20 g. Vypočítaná relativistická hmotnosť protónov zrýchlených v zernovom superurýchľovači je približne rovnaká. Podľa najoptimistickejšieho scenára bude schopný vyrobiť každú sekundu jednu dieru, ktorá bude žiť asi 10 -26 sekúnd. V procese jeho odparovania sa zrodia všetky druhy elementárnych častíc, ktoré sa budú dať ľahko zaregistrovať. Zmiznutie otvoru povedie k uvoľneniu energie, ktorá nestačí ani na zahriatie jedného mikrogramu vody na tisícinu stupňa. Preto existuje nádej, že LHC sa zmení na továreň na neškodné čierne diery. Ak sú tieto modely správne, potom budú takéto diery schopné odhaliť aj orbitálne detektory kozmického žiarenia novej generácie.

Všetko vyššie uvedené platí pre stacionárne čierne diery. Medzitým existujú rotačné otvory, ktoré majú veľa zaujímavých vlastností. Výsledky teoretickej analýzy žiarenia čiernych dier viedli aj k vážnemu prehodnoteniu pojmu entropia, čo si tiež zaslúži samostatnú diskusiu. Viac o tom v budúcom čísle.

Hypotézu o existencii čiernych dier prvýkrát vyslovil anglický astronóm J. Michell v roku 1783 na základe korpuskulárnej teórie svetla a newtonovskej teórie gravitácie. V tom čase sa na Huygensovu vlnovú teóriu a jeho slávny vlnový princíp jednoducho zabudlo. Teórii vĺn nepomohla ani podpora niektorých ctihodných vedcov, najmä slávnych petrohradských akademikov M.V. Lomonosov a L. Euler. Logika uvažovania, ktorá viedla Michella ku konceptu čiernej diery, je veľmi jednoduchá: ak sa svetlo skladá z častíc-korpuskúl svietivého éteru, potom tieto častice, podobne ako iné telesá, musia zažiť príťažlivosť gravitačného poľa. V dôsledku toho, čím hmotnejšia je hviezda (alebo planéta), tým väčšia je príťažlivosť z jej strany k telieskam a tým ťažšie je pre svetlo opustiť povrch takéhoto telesa.

Ďalšia logika naznačuje, že v prírode môžu existovať také masívne hviezdy, ktorých príťažlivosť už korpuskuly nedokážu prekonať a vonkajšiemu pozorovateľovi sa budú vždy zdať čierne, hoci samy môžu žiariť oslnivým leskom ako Slnko. Fyzicky to znamená, že druhá kozmická rýchlosť na povrchu takejto hviezdy nesmie byť menšia ako rýchlosť svetla. Michellove výpočty ukazujú, že svetlo nikdy neopustí hviezdu, ak jej polomer pri priemernej hustote Slnka je 500 Slnka. Takáto hviezda sa už dá nazvať čiernou dierou.

Po 13 rokoch francúzsky matematik a astronóm P.S. Laplace vyjadril, s najväčšou pravdepodobnosťou, nezávisle od Michella, podobnú hypotézu o existencii takýchto exotických predmetov. Pomocou ťažkopádnej metódy výpočtu našiel Laplace pre danú hustotu polomer gule, na povrchu ktorej sa parabolická rýchlosť rovná rýchlosti svetla. Podľa Laplacea by mali byť častice svetla, ktoré sú gravitačnými časticami, oneskorené masívnymi hviezdami vyžarujúcimi svetlo, ktoré majú hustotu rovnakú ako Zem a polomer 250-krát väčší ako ten slnečný.

Táto Laplaceova teória bola zahrnutá iba v prvých dvoch doživotných vydaniach jeho slávnej knihy „Exposition of the System of the World“, publikovanej v rokoch 1796 a 1799. Áno, možno sa o Laplaceovu teóriu začal zaujímať aj rakúsky astronóm F.K.von Zach, ktorý ju v roku 1798 publikoval pod názvom „Dôkaz vety, že sila príťažlivosti ťažkého telesa môže byť taká veľká, že z nej nemôže prúdiť svetlo“.

V tomto bode sa história štúdia čiernych dier zastavila na viac ako 100 rokov. Zdá sa, že sám Laplace potichu opustil takúto extravagantnú hypotézu, pretože ju vylúčil zo všetkých ostatných celoživotných vydaní svojej knihy, ktorá vyšla v rokoch 1808, 1813 a 1824. Možno Laplace nechcel replikovať takmer fantastickú hypotézu o kolosálnych hviezdach, ktoré už nevyžarujú svetlo. Možno ho zastavili nové astronomické údaje o invariantnosti veľkosti aberácie svetla v rôznych hviezdach, ktoré odporovali niektorým záverom jeho teórie, na základe ktorej vychádzal pri svojich výpočtoch. Ale najpravdepodobnejším dôvodom, prečo všetci zabudli na záhadné hypotetické objekty Michella-Laplacea, je triumf vlnovej teórie svetla, ktorej triumfálny sprievod sa začal v prvých rokoch 19. storočia.

Začiatok tohto triumfu položila Bookerova prednáška anglického fyzika T. Junga „The Theory of Light and Color“, publikovaná v roku 1801, kde Jung odvážne, na rozdiel od Newtona a iných slávnych priaznivcov korpuskulárnej teórie (vrátane Laplacea) , načrtol podstatu vlnovej teórie svetla s tým, že vyžarované svetlo pozostáva z vlnovitých pohybov svietivého éteru. Inšpirovaný objavom polarizácie svetla, Laplace začal „zachraňovať“ krvinky zostrojením teórie dvojitého lomu svetla v kryštáloch založenej na dvojitom pôsobení molekúl kryštálov na svetelné krvinky. Ale nasledujúce práce fyzikov O.Zh. Fresnel, F.D. Aragon, J. Fraunhofer a ďalší nenechali kameň na kameni v korpuskulárnej teórii, na ktorú sa vážne spomenulo až o storočie neskôr, po objavení kvanta. Všetky úvahy o čiernych dierach v rámci vlnovej teórie svetla v tom čase vyzerali smiešne.

Čierne diery sa hneď nespamätali po „rehabilitácii“ korpuskulárnej teórie svetla, keď sa o nej začalo rozprávať na novej kvalitatívnej úrovni vďaka hypotéze o kvantách (1900) a fotónoch (1905). Po druhýkrát boli čierne diery znovuobjavené až po vytvorení všeobecnej teórie relativity v roku 1916, keď ich nemecký teoretický fyzik a astronóm K. Schwarzschild niekoľko mesiacov po zverejnení Einsteinových rovníc použil na skúmanie štruktúry zakriveného časopriestoru. v blízkosti Slnka. V dôsledku toho znovu objavil fenomén čiernych dier, ale na hlbšej úrovni.

K poslednému teoretickému objavu čiernych dier došlo v roku 1939, keď Oppenheimer a Snyder vykonali prvé explicitné riešenie Einsteinových rovníc pri opise vzniku čiernej diery z kolabujúceho oblaku prachu. Samotný pojem „čierna diera“ prvýkrát zaviedol do vedy americký fyzik J. Wheeler v roku 1968, v rokoch rýchleho oživenia záujmu o všeobecnú teóriu relativity, kozmológie a astrofyziky, spôsobeného výdobytkami mimoatmosférických (najmä , röntgen) astronómia, objav kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia, pulzarov a kvazarov.

Vzhľadom na relatívne nedávny nárast záujmu o nakrúcanie populárno-vedeckých filmov o vesmírnom výskume, moderný divák už veľa počul o fenoménoch ako singularita alebo čierna diera. Filmy však očividne neodhaľujú celú podstatu týchto javov a niekedy dokonca skresľujú vykonštruované vedecké teórie pre väčší efekt. Z tohto dôvodu je predstava mnohých moderných ľudí o týchto javoch buď úplne povrchná, alebo úplne mylná. Jedným z riešení vzniknutého problému je tento článok, v ktorom sa pokúsime pochopiť doterajšie výsledky výskumu a odpovedať na otázku – čo je čierna diera?

V roku 1784 sa anglický kňaz a prírodovedec John Michell prvýkrát zmienil v liste Kráľovskej spoločnosti o hypotetickom masívnom telese, ktoré má takú silnú gravitačnú príťažlivosť, že jeho druhá kozmická rýchlosť by prekročila rýchlosť svetla. Druhá úniková rýchlosť je rýchlosť, ktorú by potreboval relatívne malý objekt, aby prekonal gravitáciu nebeského telesa a opustil uzavretú obežnú dráhu okolo tohto telesa. Podľa jeho výpočtov bude mať teleso s hustotou Slnka a s polomerom 500 slnečných polomerov na svojom povrchu druhú kozmickú rýchlosť rovnajúcu sa rýchlosti svetla. V tomto prípade ani svetlo neopustí povrch takéhoto telesa, a preto toto teleso iba pohltí prichádzajúce svetlo a zostane pre pozorovateľa neviditeľné – akási čierna škvrna na pozadí tmavého priestoru.

Koncept supermasívneho tela, ktorý navrhol Michell, však až do práce Einsteina nevzbudil veľký záujem. Pripomeňme, že ten druhý definoval rýchlosť svetla ako obmedzujúcu rýchlosť prenosu informácií. Okrem toho Einstein rozšíril teóriu gravitácie o rýchlosti blízke rýchlosti svetla (). V dôsledku toho už nebolo relevantné aplikovať Newtonovu teóriu na čierne diery.

Einsteinova rovnica

V dôsledku aplikácie všeobecnej teórie relativity na čierne diery a riešenia Einsteinových rovníc boli odhalené hlavné parametre čiernej diery, z ktorých sú len tri: hmotnosť, elektrický náboj a moment hybnosti. Treba si všimnúť významný prínos indického astrofyzika Subramanyan Chandrasekhar, ktorý vytvoril zásadnú monografiu: „Matematická teória čiernych dier“.

Riešenie Einsteinových rovníc teda predstavuje štyri možnosti pre štyri možné typy čiernych dier:

• Čierna diera bez rotácie a bez náboja – Schwarzschildovo riešenie. Jeden z prvých popisov čiernej diery (1916) pomocou Einsteinových rovníc, ale bez zohľadnenia dvoch z troch parametrov telesa. Riešenie nemeckého fyzika Karla Schwarzschilda umožňuje vypočítať vonkajšie gravitačné pole sférického masívneho telesa. Charakteristickým znakom konceptu čiernych dier nemeckého vedca je prítomnosť horizontu udalostí a horizontu udalostí za ním. Schwarzschild tiež najprv vypočítal gravitačný polomer, ktorý dostal svoje meno, ktorý určuje polomer gule, na ktorej by sa nachádzal horizont udalostí pre teleso s danou hmotnosťou.
• Čierna diera bez rotácie s nábojom - Reisner-Nordströmovo riešenie. Riešenie navrhnuté v rokoch 1916-1918 zohľadňujúce možný elektrický náboj čiernej diery. Tento náboj nemôže byť ľubovoľne veľký a je obmedzený v dôsledku výsledného elektrického odpudzovania. Ten musí byť kompenzovaný gravitačnou príťažlivosťou.
• Čierna diera s rotáciou a bez náboja - Kerrovo riešenie (1963). Rotujúca Kerrova čierna diera sa od statickej líši prítomnosťou takzvanej ergosféry (prečítajte si viac o tejto a ďalších zložkách čiernej diery).
• BH s rotáciou a nábojom - riešenie Kerr-Newman. Toto riešenie bolo vypočítané v roku 1965 av súčasnosti je najkompletnejšie, pretože zohľadňuje všetky tri parametre BH. Stále sa však predpokladá, že čierne diery v prírode majú nepatrný náboj.

Vznik čiernej diery

Existuje niekoľko teórií o tom, ako vzniká a objavuje sa čierna diera, z ktorých najznámejšia je vznik hviezdy s dostatočnou hmotnosťou v dôsledku gravitačného kolapsu. Takáto kompresia môže ukončiť vývoj hviezd s hmotnosťou väčšou ako tri hmotnosti Slnka. Po dokončení termonukleárnych reakcií vo vnútri takýchto hviezd sa začnú rýchlo zmenšovať na superhustú. Ak tlak plynu neutrónovej hviezdy nedokáže kompenzovať gravitačné sily, to znamená, že hmotnosť hviezdy prekonáva tzv. Oppenheimer-Volkov limit, potom kolaps pokračuje, v dôsledku čoho sa hmota stlačí do čiernej diery.

Druhým scenárom popisujúcim zrod čiernej diery je stlačenie protogalaktického plynu, teda medzihviezdneho plynu, ktorý je v štádiu premeny na galaxiu alebo nejaký druh zhluku. V prípade nedostatočného vnútorného tlaku na kompenzáciu rovnakých gravitačných síl môže vzniknúť čierna diera.

Ďalšie dva scenáre zostávajú hypotetické:

• Výskyt čiernej diery v dôsledku toho – tzv. prvotné čierne diery.
• Výskyt v dôsledku jadrových reakcií pri vysokých energiách. Príkladom takýchto reakcií sú experimenty na urýchľovačoch.

Štruktúra a fyzika čiernych dier

Štruktúra čiernej diery podľa Schwarzschilda zahŕňa iba dva prvky, ktoré boli spomenuté skôr: singularitu a horizont udalostí čiernej diery. Stručne povedané o singularite, možno poznamenať, že nie je možné cez ňu nakresliť priamku a tiež, že väčšina existujúcich fyzikálnych teórií v nej nefunguje. Fyzika singularity teda zostáva pre dnešných vedcov záhadou. čierna diera – ide o akúsi hranicu, cez ktorú fyzický objekt stráca schopnosť vrátiť sa za ňu a jednoznačne „spadnúť“ do singularity čiernej diery.

Štruktúra čiernej diery sa stáva o niečo komplikovanejšou v prípade Kerrovho riešenia, konkrétne v prítomnosti rotácie BH. Kerrovo riešenie znamená, že diera má ergosféru. Ergosféra – určitá oblasť nachádzajúca sa mimo horizontu udalostí, vo vnútri ktorej sa všetky telesá pohybujú v smere rotácie čiernej diery. Táto oblasť ešte nie je vzrušujúca a je možné ju opustiť, na rozdiel od horizontu udalostí. Ergosféra je pravdepodobne akási obdoba akrečného disku, ktorý predstavuje rotujúcu látku okolo masívnych telies. Ak je statická Schwarzschildova čierna diera znázornená ako čierna guľa, potom Kerryho čierna diera má v dôsledku prítomnosti ergosféry tvar splošteného elipsoidu, v podobe ktorého sme v starých kresbách často videli čierne diery. filmy alebo videohry.

• Koľko váži čierna diera? - Najväčší teoretický materiál o vzhľade čiernej diery je k dispozícii pre scenár jej vzhľadu v dôsledku kolapsu hviezdy. V tomto prípade je maximálna hmotnosť neutrónovej hviezdy a minimálna hmotnosť čiernej diery určená Oppenheimer-Volkovovou hranicou, podľa ktorej je spodná hranica hmotnosti BH 2,5 - 3 hmotnosti Slnka. Najťažšia čierna diera, aká bola kedy objavená (v galaxii NGC 4889), má hmotnosť 21 miliárd hmotností Slnka. Netreba však zabúdať na čierne diery, ktoré hypoteticky vznikajú v dôsledku jadrových reakcií pri vysokých energiách, ako sú tie v zrážačoch. Hmotnosť takýchto kvantových čiernych dier, inými slovami „Planckových čiernych dier“ je rádovo 2 10 −5 g.
• Veľkosť čiernej diery. Minimálny polomer BH možno vypočítať z minimálnej hmotnosti (2,5 - 3 hmotnosti Slnka). Ak je gravitačný polomer Slnka, teda oblasť, kde by bol horizont udalostí, asi 2,95 km, potom minimálny polomer BH 3 hmotností Slnka bude asi deväť kilometrov. Takéto relatívne malé veľkosti sa nezmestia do hlavy, keď ide o masívne predmety, ktoré priťahujú všetko naokolo. Pre kvantové čierne diery je však polomer -10 −35 m.
• Priemerná hustota čiernej diery závisí od dvoch parametrov: hmotnosti a polomeru. Hustota čiernej diery s hmotnosťou približne troch hmotností Slnka je približne 6 10 26 kg/m³, zatiaľ čo hustota vody je 1000 kg/m³. Takéto malé čierne diery však vedci nenašli. Väčšina zistených BH má hmotnosti väčšie ako 105 hmotností Slnka. Existuje zaujímavý vzorec, podľa ktorého čím je čierna diera masívnejšia, tým je jej hustota nižšia. V tomto prípade zmena hmotnosti o 11 rádov znamená zmenu hustoty o 22 rádov. Čierna diera s hmotnosťou 1 ·10 9 hmotnosti Slnka má teda hustotu 18,5 kg/m³, čo je o jednu menej ako hustota zlata. A čierne diery s hmotnosťou viac ako 10 10 hmotností Slnka môžu mať priemernú hustotu menšiu ako hustotu vzduchu. Na základe týchto výpočtov je logické predpokladať, že k vzniku čiernej diery nedochádza v dôsledku stláčania hmoty, ale v dôsledku nahromadenia veľkého množstva hmoty v určitom objeme. V prípade kvantových čiernych dier môže byť ich hustota približne 10 94 kg/m³.
• Teplota čiernej diery je tiež nepriamo úmerná jej hmotnosti. Táto teplota priamo súvisí s . Spektrum tohto žiarenia sa zhoduje so spektrom úplne čierneho telesa, teda telesa, ktoré pohltí všetko dopadajúce žiarenie. Spektrum žiarenia čierneho telesa závisí len od jeho teploty, potom sa dá teplota čiernej diery určiť z Hawkingovho spektra žiarenia. Ako už bolo spomenuté vyššie, toto žiarenie je tým silnejšie, čím je čierna diera menšia. Hawkingovo žiarenie zároveň zostáva hypotetické, keďže ho astronómovia ešte nepozorovali. Z toho vyplýva, že ak existuje Hawkingovo žiarenie, potom teplota pozorovaných BH je taká nízka, že neumožňuje detekovať toto žiarenie. Podľa výpočtov je dokonca aj teplota otvoru s hmotnosťou rádovo hmotnosti Slnka zanedbateľne malá (1 ·10 -7 K alebo -272 °C). Teplota kvantových čiernych dier môže dosiahnuť asi 10 12 K a pri ich rýchlom vyparovaní (asi 1,5 min.) môžu takéto čierne diery vyžarovať energiu rádovo desať miliónov atómových bômb. Ale, našťastie, vytvorenie takýchto hypotetických objektov si bude vyžadovať energiu 10 14-krát väčšiu, ako je dnes dosiahnutá na Veľkom hadrónovom urýchľovači. Takéto javy navyše astronómovia nikdy nepozorovali.

Z čoho sa skladá CHD?

Ďalšia otázka znepokojuje vedcov aj tých, ktorí majú jednoducho radi astrofyziku - z čoho pozostáva čierna diera? Na túto otázku neexistuje jediná odpoveď, pretože nie je možné pozerať sa za horizont udalostí obklopujúci akúkoľvek čiernu dieru. Navyše, ako už bolo spomenuté, teoretické modely čiernej diery poskytujú iba 3 jej zložky: ergosféru, horizont udalostí a singularitu. Je logické predpokladať, že v ergosfére sú len tie objekty, ktoré čierna diera priťahovala a ktoré sa okolo nej teraz točia – rôzne druhy kozmických telies a kozmického plynu. Horizont udalostí je len tenká implicitná hranica, za ktorou sú tie isté kozmické telesá neodvolateľne priťahované k poslednej hlavnej zložke čiernej diery – singularite. Povaha singularity dnes nebola študovaná a je príliš skoro hovoriť o jej zložení.

Podľa niektorých predpokladov môže čierna diera pozostávať z neutrónov. Ak sa budeme riadiť scenárom výskytu čiernej diery v dôsledku stlačenia hviezdy na neutrónovú hviezdu s jej následnou kompresiou, potom pravdepodobne hlavnú časť čiernej diery tvoria neutróny, z ktorých neutrónová hviezda sám pozostáva. Jednoducho povedané: keď sa hviezda zrúti, jej atómy sa stlačia takým spôsobom, že sa elektróny spoja s protónmi, čím sa vytvoria neutróny. Takáto reakcia v prírode skutočne prebieha, pri vzniku neutrónu dochádza k emisii neutrín. To sú však len dohady.

Čo sa stane, ak spadnete do čiernej diery?

Pád do astrofyzikálnej čiernej diery vedie k natiahnutiu tela. Predstavte si hypotetického samovražedného astronauta, ktorý mieri do čiernej diery a nemá na sebe nič iné ako skafander, nohy napred. Pri prekročení horizontu udalostí astronaut nezaznamená žiadne zmeny, napriek tomu, že už nemá možnosť dostať sa späť. V určitom bode sa astronaut dostane do bodu (mierne za horizontom udalostí), kde začne dochádzať k deformácii jeho tela. Keďže gravitačné pole čiernej diery je nerovnomerné a je reprezentované silovým gradientom, ktorý sa smerom k stredu zväčšuje, na nohy astronauta bude pôsobiť výrazne väčšia gravitácia ako napríklad na hlavu. Potom v dôsledku gravitácie, alebo skôr prílivových síl, nohy „padnú“ rýchlejšie. Telo sa teda začne postupne naťahovať do dĺžky. Na opísanie tohto javu astrofyzici vymysleli dosť kreatívny termín – špagetovanie. Ďalšie naťahovanie tela ho pravdepodobne rozloží na atómy, ktoré skôr či neskôr dosiahnu singularitu. Dá sa len hádať, čo bude človek v tejto situácii cítiť. Stojí za zmienku, že účinok napínania tela je nepriamo úmerný hmotnosti čiernej diery. To znamená, že ak BH s hmotnosťou troch Sĺnk okamžite natiahne/rozbije teleso, potom bude mať supermasívna čierna diera nižšie slapové sily a existujú návrhy, že niektoré fyzikálne materiály by mohli „tolerovať“ takúto deformáciu bez straty svojej štruktúry.

Ako viete, v blízkosti masívnych objektov plynie čas pomalšie, čo znamená, že čas pre samovražedného astronauta bude plynúť oveľa pomalšie ako pre pozemšťanov. V takom prípade možno prežije nielen svojich priateľov, ale aj samotnú Zem. Na určenie toho, o koľko času sa astronaut spomalí, budú potrebné výpočty, avšak z vyššie uvedeného možno predpokladať, že astronaut bude padať do čiernej diery veľmi pomaly a možno sa jednoducho nedožije okamihu, keď jeho telo začne deformovať sa.

Pozoruhodné je, že pre vonkajšieho pozorovateľa všetky telesá, ktoré prileteli k horizontu udalostí, zostanú na okraji tohto horizontu, kým ich obraz nezmizne. Dôvodom tohto javu je gravitačný červený posun. Trochu zjednodušene môžeme povedať, že svetlo dopadajúce na telo samovražedného astronauta „zamrznutého“ v horizonte udalostí zmení svoju frekvenciu v dôsledku spomaleného času. Ako čas plynie pomalšie, frekvencia svetla klesá a vlnová dĺžka sa zvyšuje. V dôsledku tohto javu sa na výstupe, teda pre vonkajšieho pozorovateľa, bude svetlo postupne posúvať smerom k nízkofrekvenčnej - červenej. Prebehne posun svetla pozdĺž spektra, keď sa samovražedný astronaut stále viac a viac vzďaľuje od pozorovateľa, aj keď takmer nebadateľne, a jeho čas plynie stále pomalšie. Svetlo odrazené jeho telom teda čoskoro presiahne viditeľné spektrum (obraz zmizne) a v budúcnosti bude možné telo astronauta zaznamenať iba v infračervenej oblasti, neskôr v oblasti rádiovej frekvencie a v dôsledku toho žiarenie bude úplne nepolapiteľné.

Napriek tomu, čo bolo napísané vyššie, sa predpokladá, že vo veľmi veľkých supermasívnych čiernych dierach sa slapové sily so vzdialenosťou až tak nemenia a pôsobia na padajúce teleso takmer rovnomerne. V takom prípade by si padajúca kozmická loď zachovala svoju štruktúru. Vzniká rozumná otázka – kam vedie čierna diera? Na túto otázku môže odpovedať práca niektorých vedcov, ktorá spája dva také javy, ako sú červie diery a čierne diery.

V roku 1935 Albert Einstein a Nathan Rosen, berúc do úvahy, predložili hypotézu o existencii takzvaných červích dier, ktoré spájajú dva body časopriestoru v miestach ich výrazného zakrivenia - most Einstein-Rosen. alebo červiu dieru. Na také mohutné zakrivenie priestoru budú potrebné telesá s gigantickou hmotnosťou, s úlohou ktorých by sa čierne diery dokonale vyrovnali.

Most Einstein-Rosen je považovaný za nepreniknuteľnú červiu dieru, keďže je malý a nestabilný.

V rámci teórie čiernych a bielych dier je možná priechodná červia diera. Kde biela diera je výstupom informácií, ktoré spadli do čiernej diery. Biela diera je opísaná v rámci všeobecnej teórie relativity, ale dnes zostáva hypotetická a nebola objavená. Ďalší model červej diery navrhli americkí vedci Kip Thorne a jeho postgraduálny študent Mike Morris, ktorý môže byť priechodný. Avšak ako v prípade Morris-Thorneovej červej diery, tak aj v prípade čiernych a bielych dier si možnosť cestovania vyžaduje existenciu takzvanej exotickej hmoty, ktorá má negatívnu energiu a navyše zostáva hypotetická.

Čierne diery vo vesmíre

Existencia čiernych dier bola potvrdená relatívne nedávno (september 2015), ale už predtým bolo k dispozícii množstvo teoretického materiálu o povahe čiernych dier, ako aj veľa kandidátskych objektov na úlohu čiernej diery. V prvom rade je potrebné vziať do úvahy rozmery čiernej diery, pretože od nich závisí samotná povaha javu:

• hviezdna hmotnosť čierna diera. Takéto objekty vznikajú v dôsledku kolapsu hviezdy. Ako už bolo spomenuté, minimálna hmotnosť telesa schopného sformovať takúto čiernu dieru je 2,5 – 3 hmotnosti Slnka.
• Stredne hmotné čierne diery. Podmienený prechodný typ čiernych dier, ktoré sa zväčšili v dôsledku absorpcie blízkych objektov, ako sú akumulácie plynu, susedná hviezda (v systémoch dvoch hviezd) a iné kozmické telesá.
• Supermasívna čierna diera. Kompaktné objekty s hmotnosťou 10 5 - 10 10 Slnka. Charakteristickými vlastnosťami takýchto BH sú paradoxne nízka hustota, ako aj slabé slapové sily, o ktorých sa hovorilo skôr. Je to supermasívna čierna diera v strede našej galaxie Mliečna dráha (Sagittarius A*, Sgr A*), ako aj väčšiny ostatných galaxií.

Kandidáti na CHD

Najbližšia čierna diera, či skôr kandidát na úlohu čiernej diery, je objekt (V616 Unicorn), ktorý sa nachádza vo vzdialenosti 3000 svetelných rokov od Slnka (v našej galaxii). Skladá sa z dvoch zložiek: hviezda s hmotnosťou polovice hmotnosti Slnka, ako aj neviditeľné malé teleso, ktorého hmotnosť je 3 - 5 hmotností Slnka. Ak sa ukáže, že tento objekt je malá čierna diera s hviezdnou hmotnosťou, potom to bude právom najbližšia čierna diera.

Po tomto objekte je druhou najbližšou čiernou dierou Cyg X-1 (Cyg X-1), ktorá bola prvým kandidátom na úlohu čiernej diery. Vzdialenosť k nej je približne 6070 svetelných rokov. Celkom dobre preštudovaný: má hmotnosť 14,8 hmotnosti Slnka a polomer horizontu udalostí asi 26 km.

Podľa niektorých zdrojov môže byť ďalším najbližším kandidátom na úlohu čiernej diery teleso v hviezdnom systéme V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), ktoré sa podľa odhadov v roku 1999 nachádzalo vo vzdialenosti 1600 svetelných rokov. Nasledujúce štúdie však túto vzdialenosť predĺžili najmenej 15-krát.

Koľko čiernych dier je v našej galaxii?

Na túto otázku neexistuje presná odpoveď, pretože je dosť ťažké ich pozorovať a počas celého štúdia oblohy sa vedcom podarilo v rámci Mliečnej dráhy odhaliť asi tucet čiernych dier. Bez toho, aby sme sa púšťali do výpočtov, poznamenávame, že v našej galaxii je asi 100 - 400 miliárd hviezd a približne každá tisíca hviezda má dostatočnú hmotnosť na vytvorenie čiernej diery. Je pravdepodobné, že počas existencie Mliečnej dráhy mohli vzniknúť milióny čiernych dier. Keďže je jednoduchšie zaregistrovať obrovské čierne diery, je logické predpokladať, že väčšina BH v našej galaxii nie je supermasívna. Je pozoruhodné, že výskum NASA v roku 2005 naznačuje prítomnosť celého roja čiernych dier (10-20 tisíc) obiehajúcich okolo stredu galaxie. Okrem toho v roku 2016 japonskí astrofyzici objavili v blízkosti objektu * masívny satelit - čiernu dieru, jadro Mliečnej dráhy. Vzhľadom na malý polomer (0,15 svetelných rokov) tohto telesa, ako aj jeho obrovskú hmotnosť (100 000 hmotností Slnka), vedci naznačujú, že tento objekt je tiež supermasívnou čiernou dierou.

Jadro našej galaxie, čierna diera Mliečnej dráhy (Sagittarius A *, Sgr A * alebo Sagittarius A *) je supermasívne a má hmotnosť 4,31 10 6 hmotností Slnka a polomer 0,00071 svetelných rokov (6,25 svetelných hodín alebo 6,75 miliardy km). Teplota Sagittarius A* spolu so zhlukom okolo neho je asi 1 10 7 K.

Najväčšia čierna diera

Najväčšia čierna diera vo vesmíre, ktorú vedci dokázali odhaliť, je supermasívna čierna diera, blazar FSRQ, v strede galaxie S5 0014+81, vo vzdialenosti 1,2·10 10 svetelných rokov od Zeme. Podľa predbežných výsledkov pozorovania s použitím vesmírneho observatória Swift bola hmotnosť čiernej diery 40 miliárd (40 10 9) hmotností Slnka a Schwarzschildov polomer takejto diery bol 118,35 miliardy kilometrov (0,013 svetelných rokov). Navyše podľa výpočtov vznikol pred 12,1 miliardami rokov (1,6 miliardy rokov po Veľkom tresku). Ak táto obrovská čierna diera neabsorbuje hmotu, ktorá ju obklopuje, dožije sa éry čiernych dier - jednej z epoch vo vývoji vesmíru, počas ktorej v ňom budú dominovať čierne diery. Ak bude jadro galaxie S5 0014+81 naďalej rásť, stane sa jednou z posledných čiernych dier, ktoré budú existovať vo vesmíre.

Ďalšie dve známe čierne diery, aj keď nie sú pomenované, majú najväčší význam pre štúdium čiernych dier, pretože experimentálne potvrdili svoju existenciu a tiež poskytli dôležité výsledky pre štúdium gravitácie. Hovoríme o udalosti GW150914, ktorá sa nazýva zrážka dvoch čiernych dier do jednej. Táto udalosť umožnila registráciu.

Detekcia čiernych dier

Pred zvažovaním metód detekcie čiernych dier by sme si mali odpovedať na otázku - prečo je čierna diera čierna? - odpoveď na ňu nevyžaduje hlboké znalosti z astrofyziky a kozmológie. Faktom je, že čierna diera absorbuje všetko žiarenie, ktoré na ňu dopadá, a nevyžaruje vôbec, ak neberiete do úvahy hypotetické. Ak tento jav zvážime podrobnejšie, môžeme predpokladať, že vo vnútri čiernych dier neprebiehajú procesy, ktoré vedú k uvoľňovaniu energie vo forme elektromagnetického žiarenia. Ak potom čierna diera vyžaruje, potom je v Hawkingovom spektre (ktoré sa zhoduje so spektrom zahriateho, absolútne čierneho telesa). Ako však už bolo spomenuté, toto žiarenie nebolo detekované, čo naznačuje úplne nízku teplotu čiernych dier.

Iná všeobecne uznávaná teória hovorí, že elektromagnetické žiarenie nie je vôbec schopné opustiť horizont udalostí. Je najpravdepodobnejšie, že fotóny (častice svetla) nie sú priťahované masívnymi objektmi, pretože podľa teórie samotné nemajú žiadnu hmotnosť. Čierna diera však stále „priťahuje“ fotóny svetla prostredníctvom skreslenia časopriestoru. Ak si čiernu dieru vo vesmíre predstavíme ako akúsi priehlbinu na hladkom povrchu časopriestoru, potom od stredu čiernej diery existuje určitá vzdialenosť, pri ktorej priblížení sa svetlo už nebude môcť od nej vzdialiť. To znamená, že zhruba povedané, svetlo začne „padať“ do „jamy“, ktorá ani nemá „spodok“.

Navyše, vzhľadom na efekt gravitačného červeného posunu, je možné, že svetlo v čiernej diere stráca svoju frekvenciu, posúva sa pozdĺž spektra do oblasti nízkofrekvenčného dlhovlnného žiarenia, až úplne stratí energiu.

Čierna diera je teda čierna, a preto je ťažké ju vo vesmíre odhaliť.

Detekčné metódy

Zvážte metódy, ktoré astronómovia používajú na detekciu čiernej diery:

Okrem vyššie uvedených metód vedci často spájajú objekty ako čierne diery a. Kvazary sú nejaké nahromadenia kozmických telies a plynu, ktoré patria medzi najjasnejšie astronomické objekty vo vesmíre. Keďže majú vysokú intenzitu luminiscencie pri relatívne malých rozmeroch, existuje dôvod domnievať sa, že stredom týchto objektov je supermasívna čierna diera, ktorá k sebe priťahuje okolitú hmotu. V dôsledku takej silnej gravitačnej príťažlivosti sa priťahovaná hmota tak zahrieva, že intenzívne vyžaruje. Detekcia takýchto objektov sa zvyčajne porovnáva s detekciou čiernej diery. Niekedy môžu kvazary vyžarovať výtrysky zohriatej plazmy v dvoch smeroch – relativistické výtrysky. Dôvody vzniku takýchto výtryskov (jetov) nie sú úplne jasné, ale pravdepodobne sú spôsobené interakciou magnetických polí čiernej diery a akrečného disku a nie sú emitované priamou čiernou dierou.

Prúd v galaxii M87 dopadajúci zo stredu čiernej diery

Ak zhrnieme vyššie uvedené, možno si to predstaviť zblízka: ide o guľový čierny objekt, okolo ktorého rotuje silne zahriata hmota a vytvára svietiaci akrečný disk.

Zlúčenie a zrážka čiernych dier

Jedným z najzaujímavejších javov v astrofyzike je zrážka čiernych dier, vďaka ktorej je možné odhaliť aj také masívne astronomické telesá. Takéto procesy sú zaujímavé nielen pre astrofyzikov, pretože ich výsledkom sú javy, ktoré fyzici neštudujú. Najjasnejším príkladom je už spomínaná udalosť s názvom GW150914, kedy sa dve čierne diery priblížili natoľko, že v dôsledku vzájomnej gravitačnej príťažlivosti splynuli do jednej. Dôležitým dôsledkom tejto kolízie bol vznik gravitačných vĺn.

Podľa definície gravitačných vĺn ide o zmeny v gravitačnom poli, ktoré sa vlnovito šíria z masívnych pohybujúcich sa objektov. Keď sa dva takéto objekty priblížia k sebe, začnú sa otáčať okolo spoločného ťažiska. Keď sa k sebe približujú, ich rotácia okolo vlastnej osi sa zvyšuje. Takéto premenlivé oscilácie gravitačného poľa v určitom bode môžu vytvoriť jednu silnú gravitačnú vlnu, ktorá sa môže šíriť vesmírom milióny svetelných rokov. Takže vo vzdialenosti 1,3 miliardy svetelných rokov došlo ku kolízii dvoch čiernych dier, ktoré vytvorili silnú gravitačnú vlnu, ktorá dosiahla Zem 14. septembra 2015 a bola zaznamenaná detektormi LIGO a VIRGO.

Ako umierajú čierne diery?

Je zrejmé, že aby čierna diera prestala existovať, musela by stratiť všetku svoju hmotu. Podľa jej definície však nemôže nič opustiť čiernu dieru, ak prekročila svoj horizont udalostí. Je známe, že sovietsky teoretický fyzik Vladimir Gribov prvýkrát spomenul možnosť emisie častíc čiernou dierou v diskusii s ďalším sovietskym vedcom Jakovom Zeldovičom. Tvrdil, že z hľadiska kvantovej mechaniky je čierna diera schopná vyžarovať častice tunelovým efektom. Neskôr s pomocou kvantovej mechaniky vybudoval vlastnú, trochu odlišnú teóriu, anglický teoretický fyzik Stephen Hawking. O tomto fenoméne si môžete prečítať viac. Vo vákuu sú skrátka takzvané virtuálne častice, ktoré sa neustále rodia v pároch a navzájom sa anihilujú, pričom neinteragujú s okolitým svetom. Ale ak takéto páry vzniknú v horizonte udalostí čiernej diery, potom je silná gravitácia hypoteticky schopná ich oddeliť, pričom jedna častica spadne do čiernej diery a druhá odíde z čiernej diery. A keďže časticu, ktorá odletela z diery, možno pozorovať, a teda má pozitívnu energiu, častica, ktorá spadla do diery, musí mať negatívnu energiu. Čierna diera teda stratí svoju energiu a dôjde k javu nazývanému vyparovanie čiernej diery.

Podľa dostupných modelov čiernej diery, ako už bolo spomenuté, so znižovaním jej hmotnosti sa jej žiarenie stáva intenzívnejším. Potom, v konečnom štádiu existencie čiernej diery, keď sa môže zmenšiť na veľkosť kvantovej čiernej diery, uvoľní obrovské množstvo energie vo forme žiarenia, ktoré môže byť ekvivalentné tisícom alebo dokonca miliónov atómových bômb. Táto udalosť trochu pripomína výbuch čiernej diery, podobnej bombe. Podľa výpočtov sa prvotné čierne diery mohli zrodiť v dôsledku Veľkého tresku a tie z nich, ktorých hmotnosť je rádovo 10 12 kg, sa mali vypariť a explodovať približne v našom čase. Nech je to akokoľvek, takéto výbuchy astronómovia ešte nikdy nevideli.

Napriek Hawkingovmu navrhovanému mechanizmu na ničenie čiernych dier spôsobujú vlastnosti Hawkingovho žiarenia v kvantovej mechanike paradox. Ak čierna diera pohltí nejaké teleso a potom stratí hmotu vyplývajúcu z absorpcie tohto telesa, potom bez ohľadu na povahu telesa sa čierna diera nebude líšiť od toho, čo bolo pred absorpciou telesa. V tomto prípade sú informácie o tele navždy stratené. Transformácia počiatočného čistého stavu na výsledný zmiešaný („tepelný“) stav z pohľadu teoretických výpočtov nezodpovedá súčasnej teórii kvantovej mechaniky. Tento paradox sa niekedy nazýva zmiznutie informácií v čiernej diere. Skutočné riešenie tohto paradoxu sa nikdy nenašlo. Známe možnosti riešenia paradoxu:

• Nekonzistentnosť Hawkingovej teórie. To znamená nemožnosť zničenia čiernej diery a jej neustály rast.
• Prítomnosť bielych dier. V tomto prípade absorbovaná informácia nezmizne, ale je jednoducho vyhodená do iného Vesmíru.
• Nekonzistentnosť všeobecne uznávanej teórie kvantovej mechaniky.

Nevyriešený problém fyziky čiernych dier

Súdiac podľa všetkého, čo bolo opísané skôr, čierne diery, hoci boli študované pomerne dlho, stále majú veľa funkcií, ktorých mechanizmy vedci stále nepoznajú.

• V roku 1970 anglický vedec sformuloval tzv. "princíp kozmickej cenzúry" - "Príroda nenávidí holú singularitu." To znamená, že singularita sa vytvára iba na miestach skrytých pred zrakom, ako je stred čiernej diery. Tento princíp však zatiaľ nebol dokázaný. Existujú aj teoretické výpočty, podľa ktorých môže nastať „nahá“ singularita.
• Nepotvrdila sa ani „teoréma bez vlasov“, podľa ktorej majú čierne diery iba tri parametre.
• Úplná teória magnetosféry čiernej diery nebola vyvinutá.
• Povaha a fyzika gravitačnej singularity nebola študovaná.
• Nie je s určitosťou známe, čo sa stane v záverečnej fáze existencie čiernej diery a čo zostane po jej kvantovom rozpade.

Zaujímavé fakty o čiernych dierach

Ak zhrnieme vyššie uvedené, môžeme zdôrazniť niekoľko zaujímavých a nezvyčajných vlastností povahy čiernych dier:

• Čierne diery majú iba tri parametre: hmotnosť, elektrický náboj a moment hybnosti. V dôsledku takého malého počtu charakteristík tohto telesa sa veta, ktorá to uvádza, nazýva „teorém bez vlasov“. Odtiaľ pochádza aj fráza „čierna diera nemá vlasy“, čo znamená, že dve čierne diery sú absolútne identické, ich tri spomínané parametre sú rovnaké.
• Hustota čiernych dier môže byť menšia ako hustota vzduchu a teplota je blízka absolútnej nule. Z toho môžeme predpokladať, že k vzniku čiernej diery nedochádza v dôsledku stláčania hmoty, ale v dôsledku nahromadenia veľkého množstva hmoty v určitom objeme.
• Čas pre telá pohltené čiernymi dierami plynie oveľa pomalšie ako pre vonkajšieho pozorovateľa. Okrem toho sú absorbované telesá výrazne natiahnuté vo vnútri čiernej diery, čo vedci nazvali špagetifikácia.
• V našej galaxii môže byť asi milión čiernych dier.
• V strede každej galaxie je pravdepodobne supermasívna čierna diera.
• V budúcnosti sa vesmír podľa teoretického modelu dostane do takzvanej éry čiernych dier, kedy sa čierne diery stanú dominantnými telesami vo vesmíre.

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 Najnovšie výskumy pulzarov a kvazarov, ako aj objav žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia konečne umožnili 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 viacerých 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 období 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 vzdialiť sa 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 všetko, čo spadne do čiernej diery, sa rozplynie 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.

Astronómovia z Ohio University nedávno oznámili, že nezvyčajné dvojité jadro v galaxii Andromeda je spôsobené zhlukom hviezd obiehajúcich po eliptických dráhach okolo nejakého masívneho objektu, s najväčšou pravdepodobnosťou čiernej diery. Takéto závery boli urobené na základe údajov získaných pomocou Hubbleovho vesmírneho teleskopu. Dvojité jadro Andromedy bolo prvýkrát objavené v 70. rokoch, ale až v polovici 90. rokov bola predložená teória čiernych dier.

Myšlienka, že čierne diery existujú v jadrách galaxií, nie je nová.

Existujú dokonca všetky dôvody domnievať sa, že Mliečna dráha - galaxia, do ktorej patrí Zem - má vo svojom jadre veľkú čiernu dieru, ktorej hmotnosť je 3 miliónkrát väčšia ako hmotnosť Slnka. Je však jednoduchšie preskúmať jadro galaxie Andromeda, ktoré sa nachádza vo vzdialenosti 2 milióny svetelných rokov od nás, ako jadro našej galaxie, do ktorého svetlo putuje len 30 tisíc rokov - les nevidíte stromy.

Vedci simulujú zrážky čiernych dier

Aplikácia numerickej simulácie na superpočítačoch na objasnenie podstaty a správania čiernych dier, štúdium gravitačných vĺn.

Vedci z Inštitútu gravitačnej fyziky (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik), tiež známeho ako „Inštitút Alberta Einsteina“ so sídlom v Holme, na predmestí Postupime (Nemecko), prvýkrát simulovali zlúčenie dvoch čiernych diery. Plánovaná detekcia gravitačných vĺn vyžarovaných dvoma spájajúcimi sa čiernymi dierami si vyžaduje úplné 3D simulácie na superpočítačoch.

Čierne diery sú také husté, že vôbec neodrážajú ani nevyžarujú svetlo, a preto je také ťažké ich odhaliť. O pár rokov však vedci dúfajú v výrazný posun v tejto oblasti.

Gravitačné vlny, ktoré doslova zapĺňajú vonkajší priestor, možno začiatkom budúceho storočia odhaliť pomocou nových prostriedkov.

Vedci pod vedením profesora Eda Seidela (Dr. Ed Seidel) pripravujú pre takéto štúdie numerické simulácie, ktoré budú pre pozorovateľov spoľahlivým spôsobom, ako odhaliť vlny produkované čiernymi dierami. „Zrážky čiernych dier sú jedným z hlavných zdrojov gravitačných vĺn,“ povedal profesor Seidel, ktorý v posledných rokoch úspešne skúmal modelovanie gravitačných vĺn, ktoré vznikajú, keď sa čierne diery rozpadnú pri priamych zrážkach.

Interakcia dvoch špirálovitých čiernych dier a ich zlúčenie je však bežnejšie ako priama zrážka a v astronómii má väčší význam. Takéto tangenciálne zrážky prvýkrát vypočítal Bernd Brugmann v Inštitúte Alberta Einsteina.

V tom čase však pre nedostatok výpočtového výkonu nedokázal vypočítať také zásadne dôležité detaily, ako je presná stopa vyžarovaných gravitačných vĺn, ktorá obsahuje dôležité informácie o správaní sa čiernych dier pri zrážke. Brugman zverejnil najnovšie výsledky v International Journal of Modern Physics.

Vo svojich prvých výpočtoch použil Brugman server inštitútu Origin 2000. Zahŕňa 32 samostatných procesorov bežiacich paralelne s celkovým špičkovým výkonom 3 miliardy operácií za sekundu. A v júni tohto roku už medzinárodný tím Brugmann, Seidel a ďalší pracovali na oveľa výkonnejšom 256-procesorovom superpočítači Origin 2000 v Národnom centre pre superpočítačové aplikácie (NCSA). V skupine boli aj vedci z

Louis University (USA) a z výskumného centra Konrad-Zuse-Zentrum v Berlíne. Tento superpočítač poskytol prvú podrobnú simuláciu tangenciálnych zrážok čiernych dier nerovnakej hmotnosti, ako aj ich rotácií, ktoré už predtým skúmal Brugmann. Wernerovi Bengerovi z Konrad-Zuse-Zentrum sa dokonca podarilo reprodukovať ohromujúci obraz procesu kolízie. Ukázalo sa, ako sa „čierne príšery“ s hmotnosťou od jedného do niekoľkých stoviek miliónov hmotností Slnka spájali a vytvárali výbuchy gravitačných vĺn, ktoré bolo možné čoskoro zaznamenať špeciálnymi prostriedkami.

Jedným z najdôležitejších výsledkov tejto výskumnej práce bol objav obrovskej energie vyžarovanej zrážkou čiernych dier vo forme gravitačných vĺn. Ak sa dva objekty s hmotnosťou ekvivalentnou 10 a 15 hmotnosti Slnka priblížia k sebe bližšie ako 30 míľ a zrazia sa, potom množstvo gravitačnej energie zodpovedá 1 % ich hmotnosti. "To je tisíckrát viac ako všetka energia uvoľnená naším Slnkom za posledných päť miliárd rokov." poznamenal Brugman. Keďže k väčšine veľkých zrážok vo vesmíre dochádza veľmi ďaleko od zeme, signály by mali byť pri dopade na zem veľmi slabé.

Vo svete sa začalo s konštrukciou niekoľkých vysoko presných detektorov.

Jedným z nich, ktorý postavil Inštitút Maxa Plancka v rámci nemecko-britského projektu „Geo 600“, je laserový interferometer s dĺžkou 0,7 míle. Vedci dúfajú, že zmerajú parametre krátkych gravitačných porúch, ku ktorým dochádza pri zrážke čiernych dier, no očakávajú len jednu takúto zrážku za rok a to vo vzdialenosti asi 600 miliónov svetelných rokov. Počítačové modely sú potrebné na to, aby poskytli pozorovateľom spoľahlivé informácie o detekcii vĺn produkovaných čiernymi dierami. Vďaka zlepšeniam v možnostiach simulácie superpočítačov sú vedci na pokraji nového typu experimentálnej fyziky.

Astronómovia tvrdia, že poznajú umiestnenie mnohých tisícov čiernych dier, ale nie sme v pozícii, aby sme s nimi na Zemi robili nejaké experimenty. „Len v jednom prípade budeme môcť študovať detaily a zostrojiť ich numerický model v našich počítačoch a pozorovať ho,“ vysvetlil profesor Bernard Schutz, riaditeľ Inštitútu Alberta Einsteina. "Verím, že štúdium čiernych dier bude kľúčovou témou výskumu pre astronómov v prvej dekáde budúceho storočia."

Satelitná hviezda vám umožňuje vidieť prach zo supernovy.

Čierne diery nie je možné vidieť priamo, ale astronómovia môžu vidieť dôkazy o ich existencii, keď plyny vybuchnú do sprievodnej hviezdy.

Ak dôjde k výbuchu dynamitu, drobné úlomky výbušniny preniknú hlboko do blízkych predmetov, čím zanechajú nezmazateľný dôkaz výbuchu.

Astronómovia našli podobný odtlačok na hviezde obiehajúcej okolo čiernej diery, nie bezdôvodne sa domnievali, že táto čierna diera - bývalá hviezda, ktorá sa zrútila tak vážne, že ani svetlo nedokáže prekonať jej gravitačnú silu - bola výsledkom výbuchu supernovy.

Svetlo v tme.

V tom čase astronómovia pozorovali výbuchy supernov a na ich mieste zbadali objekty, ktoré sú podľa ich názoru čierne diery. Nový objav je prvým skutočným dôkazom prepojenia jednej udalosti s druhou. (Čierne diery nie je možné priamo vidieť, ale ich prítomnosť možno niekedy odvodiť z účinku ich gravitačného poľa na blízke objekty.

Systém hviezd a čiernych dier, označený GRO J1655-40, sa nachádza vo vzdialenosti približne 10 000 svetelných rokov v rámci našej galaxie Mliečna dráha. Bola objavená v roku 1994 a upútala pozornosť astronómov intenzívnymi röntgenovými lúčmi a prívalom rádiových vĺn, keď čierna diera vypudzovala plyny k svojej hviezde vzdialenej 7,4 milióna míľ.

Vedci zo Španielska a Ameriky sa začali pozorne pozerať na sprievodnú hviezdu a verili, že si môže zachovať nejakú stopu, ktorá naznačuje proces vytvárania čiernej diery.

Predpokladá sa, že čierne diery veľkosti hviezd sú telá veľkých hviezd, ktoré sa jednoducho zmenšili na túto veľkosť po tom, čo spotrebovali všetko svoje vodíkové palivo. Z doteraz nepochopených dôvodov sa však slabnúca hviezda pred výbuchom premení na supernovu.

Pozorovania systému GRO J1655-40 v auguste a septembri 1994 umožnili zafixovať, že prúdy vyvrhnutého plynu mali rýchlosť až 92 % rýchlosti svetla, čo čiastočne dokázalo prítomnosť čiernej diery.

Hviezdny prach.

Ak sa vedci nemýli, tak časť vybuchnutých hviezd, ktoré sú pravdepodobne 25-40-krát väčšie ako naše Slnko, sa zmenila na prežívajúce satelity.

Presne tieto údaje astronómovia našli.

Atmosféra sprievodnej hviezdy obsahovala vyššie ako normálne koncentrácie kyslíka, horčíka, kremíka a síry - ťažkých prvkov, ktoré môžu byť vytvorené v hojnom množstve pri teplote niekoľkých miliárd stupňov, ktorá sa dosiahne počas výbuchu supernovy. Toto bol prvý dôkaz, ktorý skutočne potvrdil platnosť teórie, že niektoré čierne diery sa prvýkrát objavili ako supernovy, pretože to, čo videli, sa nemôže zrodiť hviezdou, ktorú astronómovia pozorovali.