Úžasná história čiernych dier. Čierne diery: príbeh o objavení najzáhadnejších objektov vo vesmíre, ktoré nikdy neuvidíme

« Sci-fi môže byť užitočný – stimuluje predstavivosť a zbavuje strachu z budúcnosti. Avšak vedeckých faktov môže byť oveľa úžasnejšie. Sci-fi si ani nepredstavovala také veci ako čierne diery »
Stephen Hawking

V hlbinách vesmíru pre človeka leží nespočetné množstvo záhad a záhad. Jednou z nich sú čierne diery – objekty, ktorým nemožno ani porozumieť najväčšie mysleľudskosť. Stovky astrofyzikov sa snažia objaviť podstatu čiernych dier, ale tejto fáze ich existenciu sme zatiaľ v praxi ani nepreukázali.

Filmoví režiséri venujú svoje filmy im a medzi Obyčajní ľudiaČierne diery sa stali natoľko kultovým fenoménom, že sa stotožňujú s koncom sveta a blízkou smrťou. Sú obávaní a nenávidení, no zároveň sú zbožňovaní a skláňajú sa pred neznámom, ktorým sú tieto podivné fragmenty vesmíru plné. Súhlasíte, nechať sa pohltiť čiernou dierou je taká romantika. S ich pomocou je to možné a môžu sa nám stať aj sprievodcami v.

Žltá tlač často špekuluje o popularite čiernych dier. Nájsť v novinách titulky súvisiace s koncom sveta na planéte v dôsledku ďalšej kolízie so supermasívnou čiernou dierou nie je problém. Oveľa horšie je, že negramotná časť populácie berie všetko vážne a vyvoláva poriadnu paniku. Aby sme vniesli trochu jasnosti, vydáme sa na cestu k počiatkom objavu čiernych dier a pokúsime sa pochopiť, čo to je a ako sa k tomu postaviť.

neviditeľné hviezdy

Tak sa stalo, že moderní fyzici opísali štruktúru nášho vesmíru pomocou teórie relativity, ktorú Einstein starostlivo poskytol ľudstvu na začiatku 20. storočia. O to záhadnejšie sú čierne diery, na horizonte udalostí, ktorých prestávajú fungovať všetky nám známe fyzikálne zákony, vrátane Einsteinovej teórie. Nie je to úžasné? Navyše, dohady o existencii čiernych dier boli vyslovené dávno pred narodením samotného Einsteina.

V roku 1783 došlo v Anglicku k výraznému nárastu vedecká činnosť. V tých časoch išla veda bok po boku s náboženstvom, dobre spolu vychádzali a vedci už neboli považovaní za kacírov. ďalej vedecký výskum urobili kňazi. Jedným z týchto Božích služobníkov bol anglický pastor John Michell, ktorý si kládol nielen otázky bytia, ale aj celkom vedecké úlohy. Michell bol vysoko vyznamenaný vedec: pôvodne bol učiteľom matematiky a staroveká lingvistika na jednej z vysokých škôl a potom bol pre množstvo objavov prijatý do Kráľovskej spoločnosti v Londýne.

John Michell sa zaoberal seizmológiou, no vo voľnom čase rád premýšľal o večnom a kozme. Takto prišiel na myšlienku, že niekde v hlbinách Vesmíru môžu existovať supermasívne telesá s takou mohutnou gravitáciou, že na prekonanie gravitačnej sily takéhoto telesa je potrebné pohybovať sa rýchlosťou rovnajúcou sa resp. vyššia ako rýchlosť svetla. Ak prijmeme takúto teóriu ako pravdivú, potom vyvinieme druhú kozmickú rýchlosť (rýchlosť potrebnú na prekonanie gravitačná príťažlivosť opustenie tela) ani svetlo nedokáže, takže takéto telo zostane voľným okom neviditeľné.

Michell nazval svoju novú teóriu „temné hviezdy“ a zároveň sa pokúsil vypočítať hmotnosť takýchto objektov. Svoj názor na vec vyjadril v r otvorený list Kráľovská spoločnosť v Londýne. Žiaľ, v tých časoch takýto výskum nemal pre vedu mimoriadnu hodnotu, a tak bol Michellov list odoslaný do archívu. Len o dvesto rokov neskôr, v druhej polovici 20. storočia, sa našla medzi tisíckami iných záznamov starostlivo uložených v starobylej knižnici.

Prvý vedecký dôkaz o existencii čiernych dier

Po vydaní Einsteinovej Všeobecnej teórie relativity sa matematici a fyzici vážne pustili do riešenia rovníc prezentovaných nemeckým vedcom, ktoré nám mali veľa povedať o štruktúre vesmíru. Rovnako sa v roku 1916 rozhodol urobiť aj nemecký astronóm, fyzik Karl Schwarzschild.

Vedec pomocou svojich výpočtov dospel k záveru, že existencia čiernych dier je možná. Bol tiež prvým, kto opísal to, čo sa neskôr nazývalo romantickou frázou „horizont udalostí“ – pomyselná hranica časopriestoru pri čiernej diere, po prekročení ktorej prichádza bod, odkiaľ niet návratu. Nič neunikne z horizontu udalostí, dokonca ani svetlo. Až za horizontom udalostí dochádza k takzvanej „singularite“, kde nám známe fyzikálne zákony prestávajú fungovať.

Schwarzschild, ktorý pokračoval vo vývoji svojej teórie a riešení rovníc, objavil pre seba a pre svet nové tajomstvá čiernych dier. Takže bol schopný vypočítať, iba na papieri, vzdialenosť od stredu čiernej diery, kde je sústredená jej hmotnosť, k horizontu udalostí. Schwarzschild túto vzdialenosť nazval gravitačný polomer.

Napriek tomu, že matematicky Schwarzschildove riešenia boli mimoriadne správne a nedali sa vyvrátiť, vedeckej komunity Začiatok 20. storočia nemohol okamžite prijať takýto šokujúci objav a existencia čiernych dier bola odpísaná ako fantázia, čo sa občas prejavilo v teórii relativity. Nasledujúce desaťročie a pol bolo štúdium priestoru na prítomnosť čiernych dier pomalé a zaoberalo sa ním len niekoľko prívržencov teórie nemeckého fyzika.

Hviezdy, ktoré rodia temnotu

Po rozobratí Einsteinových rovníc nastal čas použiť vyvodené závery na pochopenie štruktúry vesmíru. Najmä v teórii vývoja hviezd. Nie je žiadnym tajomstvom, že nič v našom svete netrvá večne. Aj hviezdy majú svoj vlastný cyklus života, aj keď dlhší ako človek.

Jedným z prvých vedcov, ktorí sa začali vážne zaujímať o hviezdny vývoj, bol mladý astrofyzik Subramanyan Chandrasekhar, rodák z Indie. V roku 1930 publikoval vedeckú prácu, ktorá popisovala údajné vnútorná štruktúra hviezdy a ich životné cykly.

Už na začiatku 20. storočia vedci hádali o takom jave, akým je gravitačná kontrakcia (gravitačný kolaps). AT určitý moment svojho života sa hviezda začne zmenšovať obrovskou rýchlosťou pod vplyvom gravitačné sily. Spravidla sa to deje v okamihu smrti hviezdy, avšak pri gravitačnom kolapse existuje niekoľko spôsobov ďalšej existencie horúcej gule.

Chandrasekharov nadriadený Ralph Fowler, svojho času uznávaný teoretický fyzik, navrhol, že počas gravitačného kolapsu sa každá hviezda zmení na menšiu a teplejšiu – bieleho trpaslíka. No ukázalo sa, že študent „prelomil“ učiteľskú teóriu, ktorú začiatkom minulého storočia zdieľala väčšina fyzikov. Podľa práce mladého hinduistu smrť hviezdy závisí od jej počiatočnej hmotnosti. Napríklad bielymi trpaslíkmi sa môžu stať len tie hviezdy, ktorých hmotnosť nepresahuje 1,44-násobok hmotnosti Slnka. Toto číslo sa nazýva Chandrasekharov limit. Ak hmotnosť hviezdy prekročila túto hranicu, potom zahynie úplne iným spôsobom. Za určitých podmienok sa takáto hviezda v čase smrti môže znovuzrodiť na novú, neutrónovú hviezdu - ďalšie tajomstvo moderného vesmíru. Teória relativity nám na druhej strane hovorí ešte jednu možnosť – stlačenie hviezdy na ultramalé hodnoty a tu začína to najzaujímavejšie.

V roku 1932 sa v jednom z vedeckých časopisov objavil článok, v ktorom brilantný fyzik zo ZSSR Lev Landau navrhol, že počas kolapsu sa supermasívna hviezda stlačí do bodu s nekonečne malým polomerom a nekonečnou hmotnosťou. Napriek tomu, že takáto udalosť je z pohľadu nepripraveného človeka len veľmi ťažko predstaviteľná, Landau nebol ďaleko od pravdy. Fyzik tiež naznačil, že podľa teórie relativity by gravitácia v takom bode bola taká veľká, že by začala deformovať časopriestor.

Astrofyzikom sa Landauova teória páčila a naďalej ju rozvíjali. V roku 1939 sa v Amerike vďaka úsiliu dvoch fyzikov - Roberta Oppenheimera a Hartlanda Sneijdera - objavila teória, ktorá podrobne popisuje supermasívnu hviezdu v čase kolapsu. V dôsledku takejto udalosti sa mala objaviť skutočná čierna diera. Napriek presvedčivosti argumentov vedci naďalej popierali možnosť existencie takýchto telies, ako aj premenu hviezd na ne. Dokonca aj Einstein sa od tejto myšlienky dištancoval, pretože veril, že hviezda nie je schopná takýchto fenomenálnych premien. Iní fyzici neboli vo svojich vyjadreniach skúpi, pričom možnosť takýchto udalostí označili za smiešnu.
Veda však vždy dospeje k pravde, len treba chvíľu počkať. A tak sa aj stalo.

Najjasnejšie objekty vo vesmíre

Náš svet je zbierkou paradoxov. Občas v nej koexistujú veci, ktorých spolužitie sa vymyká akejkoľvek logike. Napríklad výraz „čierna diera“ by sa u normálneho človeka nespájal s výrazom „neuveriteľne jasný“, no objav zo začiatku 60. rokov minulého storočia vedcom umožnil považovať toto tvrdenie za nesprávne.

Astrofyzikom sa pomocou ďalekohľadov podarilo odhaliť doposiaľ neznáme objekty na hviezdnej oblohe, ktoré sa správali dosť zvláštne napriek tomu, že vyzerali ako obyčajné hviezdy. Americký vedec Martin Schmidt pri štúdiu týchto podivných svietidiel upozornil na ich spektrografiu, ktorej údaje ukázali výsledky odlišné od skenovania iných hviezd. Jednoducho povedané, tieto hviezdy neboli ako ostatné, na ktoré sme zvyknutí.

Schmidtovi zrazu svitlo a upozornil na posun spektra v červenej oblasti. Ukázalo sa, že tieto objekty sú od nás oveľa ďalej ako hviezdy, ktoré sme zvyknutí vidieť na oblohe. Napríklad objekt, ktorý pozoroval Schmidt, sa nachádzal dve a pol miliardy svetelných rokov od našej planéty, no žiaril tak jasne ako hviezda vzdialená asi sto svetelných rokov. Ukazuje sa, že svetlo z jedného takéhoto objektu je porovnateľné s jasnosťou celej galaxie. Tento objav bol skutočným prielomom v astrofyzike. Vedec nazval tieto objekty „kvázi-hviezdne“ alebo jednoducho „kvasar“.

Martin Schmidt pokračoval v štúdiu nových objektov a zistil, že takú jasnú žiaru môže spôsobiť len jeden dôvod – narastanie. Akrécia je proces absorpcie okolitej hmoty superhmotným telesom pomocou gravitácie. Vedec dospel k záveru, že v strede kvazarov sa nachádza obrovská čierna diera, ktorá neuveriteľnou silou vťahuje do seba hmotu, ktorá ju obklopuje vo vesmíre. V procese absorpcie hmoty dierou sa častice zrýchlia na obrovské rýchlosti a začnú žiariť. Zvláštna svetelná kupola okolo čiernej diery sa nazýva akrečný disk. Jeho vizualizácia bola dobre demonštrovaná vo filme Christophera Nolana „Interstellar“, ktorý vyvolal množstvo otázok „ako môže čierna diera žiariť?“.

Vedci dodnes našli na hviezdnej oblohe tisíce kvazarov. Tieto zvláštne, neuveriteľne jasné objekty sa nazývajú majáky vesmíru. Umožňujú nám trochu lepšie si predstaviť štruktúru kozmu a priblížiť sa k momentu, od ktorého to všetko začalo.

Napriek tomu, že astrofyzici dlhé roky získavali nepriame dôkazy o existencii supermasívnych neviditeľných objektov vo vesmíre, pojem „čierna diera“ do roku 1967 neexistoval. Vyhnúť sa zložité mená, americký fyzik John Archibald Wheeler navrhol nazvať takéto objekty „čierne diery“. Prečo nie? Do istej miery sú čierne, pretože ich nevidíme. Navyše priťahujú všetko, dá sa do nich spadnúť, ako do skutočnej diery. Áno, a dostať sa z takého miesta podľa moderné zákony fyzika je jednoducho nemožná. Stephen Hawking však tvrdí, že pri cestovaní čiernou dierou sa môžete dostať do iného Vesmíru, iného sveta, a to je nádej.

Strach z nekonečna

Kvôli prílišnej záhadnosti a romantizácii čiernych dier sa tieto predmety stali medzi ľuďmi skutočným hororovým príbehom. Žltá tlač rada špekuluje o negramotnosti obyvateľstva a vydáva úžasné príbehy o tom, ako sa k našej Zemi pohybuje obrovská čierna diera, ktorá v priebehu niekoľkých hodín pohltí slnečnú sústavu, alebo jednoducho vypustí vlny toxického plynu smerom k našej Zemi. planéta.

Obzvlášť populárna je téma ničenia planéty pomocou Veľkého hadrónového urýchľovača, ktorý bol v Európe vybudovaný v roku 2006 na území Európskej rady pre r. jadrový výskum(CERN). Vlna paniky začala ako niekto hlúpy vtip, ale rástol ako snehová guľa. Niekto začal povrávať, že v urýchľovači častíc v urýchľovači by sa mohla vytvoriť čierna diera, ktorá by celú našu planétu pohltila. Samozrejme, rozhorčení ľudia začali požadovať zákaz experimentov na LHC v obave z takéhoto výsledku. Na Európsky súd začali prichádzať žaloby požadujúce zatvorenie zrážača a vedcov, ktorí ho vytvorili, potrestať v plnom rozsahu zákona.

Fyzici v skutočnosti nepopierajú, že keď sa častice zrazia vo Veľkom hadrónovom urýchľovači, môžu sa objaviť objekty s podobnými vlastnosťami ako čierne diery, ale ich veľkosť je na úrovni veľkosti elementárnych častíc a takéto „diery“ existujú tak krátko. že ich výskyt nemôžeme ani zaznamenať.

Jedným z hlavných odborníkov, ktorí sa snažia pred ľuďmi rozohnať vlnu nevedomosti, je Stephen Hawking – slávny teoretický fyzik, ktorý je navyše považovaný za skutočného „guru“ v oblasti čiernych dier. Hawking dokázal, že čierne diery nie vždy absorbujú svetlo, ktoré sa objavuje v akréčných diskoch, a časť z neho je rozptýlená do vesmíru. Tento jav sa nazýva Hawkingovo žiarenie alebo vyparovanie čiernej diery. Hawking tiež stanovil vzťah medzi veľkosťou čiernej diery a rýchlosťou jej „vyparovania“ – čím je menšia, tým menej v čase existuje. A to znamená, že všetci odporcovia Veľkého hadrónového urýchľovača by sa nemali obávať: čierne diery v ňom nebudú môcť existovať ani na milióntinu sekundy.

Teória neoverená v praxi

Bohužiaľ, technológie ľudstva v tomto štádiu vývoja nám neumožňujú testovať väčšinu teórií, ktoré vyvinuli astrofyzici a ďalší vedci. Na jednej strane je existencia čiernych dier celkom presvedčivo dokázaná na papieri a odvodená pomocou vzorcov, v ktorých všetko konvergovalo s každou premennou. Na druhej strane sa nám v praxi zatiaľ nepodarilo vidieť skutočnú čiernu dieru na vlastné oči.

Napriek všetkým nezhodám fyzici naznačujú, že v strede každej z galaxií sa nachádza supermasívna čierna diera, ktorá svojou gravitáciou zhromažďuje hviezdy do zhlukov a núti vás cestovať po vesmíre vo veľkej a priateľskej spoločnosti. V našej galaxii Mliečna dráha je podľa rôznych odhadov 200 až 400 miliárd hviezd. Všetky tieto hviezdy sa točia okolo niečoho, čo má obrovskú hmotnosť, okolo niečoho, čo nevidíme ďalekohľadom. S najväčšou pravdepodobnosťou ide o čiernu dieru. Mala by sa báť? - Nie, aspoň nie v najbližších miliardách rokov, ale môžeme o nej nakrútiť ďalší zaujímavý film.

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 gravitačné pole 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 najmenšie častice. Michell navrhol, aby sa ľahké častice, podobne ako obyčajná hmota, riadili zákonmi mechaniky. Dôsledok tejto hypotézy sa ukázal ako veľmi netriviálny - nebeských telies sa môže zmeniť na svetelné pasce.

Ako to Michell myslel? Delová guľa vystrelená z povrchu planéty úplne prekoná svoju gravitáciu, iba ak áno štartovacia rýchlosť presahuje hodnotu, ktorá sa teraz nazýva druhá vesmírna rýchlosť a únikovú 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 skvelý francúzsky matematik, astronóm a fyzik Pierre Simon Laplace, ktorý ho zaradil 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 vlnová teória svetlo a Laplace si myslel, že bude najlepšie ich 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 len v r. ten prípad, ak je jeho polomer veľký viac ako presne takú veľkosť, akú 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, môže byť detekovaná gravitačné účinky, ale nie žiarením).

Od nevery k tvrdeniu

Schwarzschild a jeho súčasníci verili, že také zvláštne vesmírne 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 30. rokov budúci otec Američana atómová bomba Robert Oppenheimer zistil, že takáto hranica skutočne existuje a nepresahuje niekoľko slnečné hmoty. 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 približné výpočty Oppenheimer a jeho postgraduálny študent George Volkov sledovali, že najmasívnejšími potomkami supernov sa nestanú neutrónové hviezdy, ale choďte do iného štátu. V roku 1939 Oppenheimer a Hartland Snyder dokázali pomocou idealizovaného modelu, že masívna kolabujúca hviezda sa zmenšuje smerom k svojmu 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 milovali fyzici a tešili sa novinári, ktorí ho šírili po svete (hoci Francúzom sa to najskôr nepáčilo, 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 horizont 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 iným) astronómom, a udalosťami, o ktorých informácie za žiadnych okolností nevyjdú.

Ako by malo byť „podľa Schwarzschilda“, príťažlivosť diery je ďaleko od horizontu 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 vlastnosti predchádzajúcej hviezdy (štruktúra, zloženie, spektrálny typ atď.) odísť 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 však riadia zákony kvantová mechanika, ktoré neignorujú čierne diery. Tieto zákony nám neumožňujú uvažovať o centrálnej singularite 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.

Dostupnosť kvantová singularita Má priamy vzťah k osudu 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. Avšak aj keď budúci inžinieri a technológovia vytvoria nejaké superpevné zliatiny a kompozity s dnes nevídanými vlastnosťami, všetky sú aj tak odsúdené na zánik: koniec koncov, v zóne singularity nie je ani známy čas, ani známy priestor.

Teraz sa pozrime na horizont diery cez kvantovo mechanickú šošovku. Prázdne miesto — fyzikálne vákuum- v skutočnosti nie je ani zďaleka 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 pretaktovaní v takýchto poliach získavajú novorodenci „virtuáli“. extra energiu a niekedy sa stanú normálnymi časticami s dlhou životnosťou.

Virtuálne častice sa vždy rodia v pároch, ktoré sa pohybujú 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 priaznivé podmienky môže odísť. 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 anglická fyzika-teoretik, 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 jej veľkosť stane rovná dĺžke Planck-Wheeler, diera stráca stabilitu a exploduje, pričom sa uvoľní rovnaká energia ako pri simultánnom výbuchu milión desať megaton vodíkové bomby. 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 Odmocnina). 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 hneď potom veľký tresk ktorý dal vzniknúť nášmu vesmíru. Primárne diery vážiace až miliardu ton sa už vyparili, ale ťažšie sa môžu stále skrývať v hlbinách vesmíru a v pravý čas usporiadať kozmický ohňostroj vo forme silné ohniská 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 jednotiek toto je 1028 elektrónvoltov. Táto hranica je o 15 rádov vyššia ako kapacita najvýkonnejšieho urýchľovača na svete, Veľkého hadrónového urýchľovača (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. AT trojrozmerný priestor gravitačná sila je nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti a v deviatich dimenziách ôsmej mocnine. Preto v multidimenzionálny svet intenzita gravitačného poľa s klesajúcou vzdialenosťou rastie oveľa rýchlejšie ako v troch rozmeroch. V tomto prípade sa Planckova dĺžka mnohonásobne zvyšuje a minimálna hmotnosť otvoru prudko klesá.

Teória strún predpovedá, že čierna diera s hmotnosťou iba 10 - 20 g sa môže zrodiť v deväťrozmernom priestore. relativistická hmotnosť protóny zrýchlené v zernovom superurýchľovači. 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 aj otočné otvory, ktoré majú kyticu najzaujímavejšie vlastnosti. 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 tzv. korpuskulárna teória svetlo a newtonovská teória gravitácie. V tom čase Huygensova vlnová teória a jeho sláv vlnový princíp boli jednoducho zabudnuté. 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, ktorého príťažlivosť už krvinky 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 musia byť častice svetla, ktoré sú gravitačnými časticami, oneskorené masívnymi hviezdami vyžarujúcimi svetlo, ktoré majú hustotu rovná hustote Zem a polomer je 250-krát väčší ako Slnko.

Táto Laplaceova teória bola zahrnutá iba v prvých dvoch jeho celoživotných vydaniach slávna kniha"Vyhlásenie o systéme sveta", publikované 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 nemennosti veľkosti aberácie svetla v r. rôzne hviezdy, čo odporovalo niektorým záverom jeho teórie, na základe ktorej vychádzal pri svojich výpočtoch. Ale väčšina pravdepodobná príčina To, že všetci zabudli na záhadné hypotetické Michell-Laplaceove objekty, je triumfom vlnovej teórie svetla, ktorej triumfálny sprievod sa začal od prvých rokov 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 z korpuskulárnej teórie, ktorá sa vážne spamätala 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 reliktné žiarenie, pulzary a kvazary.

História čiernych dier

Alexej Levin

Vedecké myslenie niekedy nekonštruuje predmety s takými paradoxnými vlastnosťami, aby ich aj tí najbystrejší vedci spočiatku odmietali 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 uverili v ich realitu. Základná rovnica teórie čiernych dier však bola odvodená pred viac ako dvesto rokmi.