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 kozmická rýchlosť je rýchlosť, ktorú bude potrebovať relatívne malý objekt, aby prekonal gravitačnú príťažlivosť 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 je Schwarzschildovým riešením. 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 je 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, čo spôsobí, že sa hmota stiahne 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. čiernej diery je určitá hranica, prekročením ktorej fyzický objekt stráca schopnosť vrátiť sa späť za svoje hranice a jednoznačne „spadne“ 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 na 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 Oppenheimerovou - 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 rozmery sa nezmestia do hlavy kedy rozprávame sa o masívnych objektoch, 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 je teplota pozorovaných BH taká nízka, že neumožňuje detekovať indikované žiarenie. Podľa výpočtov je dokonca 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 BH 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 jednoznačná 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 ešte 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 následným stlačením, 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, ako sa 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 telo astronauta bude možné v budúcnosti zachytiť len v infračervenej oblasti, neskôr na rádiovej frekvencii 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. Rovnako ako v prípade červej diery Morris-Thorn, aj v prípade čiernych a bielych dier však 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 odhaliť asi tucet čiernych dier v rámci Mliečnej dráhy. 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 stratí svoju frekvenciu, posunie sa pozdĺž spektra do oblasti nízkofrekvenčného dlhovlnného žiarenia, až kým 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 niektoré zhluky 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 prúdy ohriatej plazmy v dvoch smeroch - relativistické prúdy. 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 konečnej fáze 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 Hawkingom navrhovanému mechanizmu na ničenie čiernych dier spôsobujú vlastnosti Hawkingovho žiarenia v rámci kvantovej mechaniky 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 hľadiska 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, aj keď boli skúmané 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, francúzsky astronóm a matematik Laplace predložil (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“.

V dnešnej dobe. Najnovšie výskumy pulzarov a kvazarov, ako aj objav kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia konečne umožnili popísať samotný pojem čiernych dier. V roku 2013 sa plynový oblak G2 dostal veľmi blízko k čiernej diere a je pravdepodobné, že ho pohltí, pričom pozorovanie jedinečného procesu poskytne skvelé príležitosti na nové objavy vlastností čiernych dier.

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 to je veľmi tajomný bod, odkiaľ niet návratu v čiernych dierach vesmíru.

Čierne diery sú jedným z najúžasnejších a zároveň desivých objektov v našom vesmíre. Vznikajú v momente, keď hviezdam s obrovskou hmotnosťou dôjde jadrové palivo. Jadrové reakcie sa zastavia a hviezdy začnú chladnúť. Telo hviezdy sa vplyvom gravitácie zmenšuje a postupne k sebe začne priťahovať menšie objekty, ktoré sa premenia na čiernu dieru.

Prvé štúdie

Svetlá vedy začali študovať čierne diery nie tak dávno, napriek tomu, že základné koncepty ich existencie boli vyvinuté v minulom storočí. Samotný koncept „čiernej diery“ zaviedol v roku 1967 J. Wheeler, hoci záver, že tieto objekty nevyhnutne vznikajú pri kolapse masívnych hviezd, bol urobený už v 30. rokoch minulého storočia. Všetko vo vnútri čiernej diery – asteroidy, svetlo, ňou absorbované kométy – sa raz priblížilo príliš blízko k hraniciam tohto tajomného objektu a nedokázalo ich opustiť.

Hranice čiernej diery

Prvá z hraníc čiernej diery sa nazýva statický limit. Toto je hranica oblasti, do ktorej spadá cudzí predmet, ktorý už nemôže byť v pokoji a začne sa otáčať vzhľadom na čiernu dieru, aby do nej nespadol. Druhá hranica sa nazýva horizont udalostí. Všetko vo vnútri čiernej diery raz prešlo jej vonkajšou hranicou a posunulo sa smerom k bodu singularity. Podľa vedcov tu látka prúdi do tohto centrálneho bodu, ktorého hustota smeruje k hodnote nekonečna. Ľudia nemôžu vedieť, aké fyzikálne zákony fungujú vo vnútri objektov s takou hustotou, a preto nie je možné opísať vlastnosti tohto miesta. V prenesenom zmysle slova je to „čierna diera“ (alebo možno „medzera“) v poznaní ľudstva o svete okolo nás.

Štruktúra čiernych dier

Horizont udalostí je nedobytná hranica čiernej diery. Vo vnútri tejto hranice je zóna, ktorú nemôžu opustiť ani predmety, ktorých rýchlosť pohybu je rovná rýchlosti svetla. Ani samotné kvantá svetla nemôžu opustiť horizont udalostí. V tomto bode nemôže žiadny objekt uniknúť z čiernej diery. Podľa definície nemôžeme vedieť, čo je vo vnútri čiernej diery – koniec koncov, v jej hĺbke je takzvaný bod singularity, ktorý vzniká v dôsledku konečného stlačenia hmoty. Akonáhle sa objekt dostane do horizontu udalostí, od tohto bodu sa z neho už nikdy nemôže vymaniť a stať sa viditeľným pre pozorovateľov. Na druhej strane tí, ktorí sú vo vnútri čiernych dier, nevidia nič, čo sa deje vonku.

Veľkosť horizontu udalostí obklopujúceho tento záhadný kozmický objekt je vždy priamo úmerná hmotnosti samotnej diery. Ak sa jeho hmotnosť zdvojnásobí, vonkajšia hranica bude tiež dvakrát väčšia. Ak by vedci našli spôsob, ako zmeniť Zem na čiernu dieru, horizont udalostí by mal priemer len 2 cm.

Hlavné kategórie

Hmotnosť priemerných čiernych dier je spravidla približne rovnaká ako tri hmotnosti Slnka alebo viac. Z dvoch typov čiernych dier sa rozlišujú hviezdne a supermasívne. Ich hmotnosť niekoľko stotisíckrát prevyšuje hmotnosť Slnka. Hviezdy vznikajú po smrti veľkých nebeských telies. Čierne diery bežnej hmotnosti sa objavujú po dokončení životného cyklu veľkých hviezd. Oba typy čiernych dier, napriek ich odlišnému pôvodu, majú podobné vlastnosti. Supermasívne čierne diery sa nachádzajú v centrách galaxií. Vedci predpokladajú, že vznikli počas formovania galaxií v dôsledku zlúčenia tesne susediacich hviezd. To sú však len dohady, nepotvrdené faktami.

Čo je vo vnútri čiernej diery: dohady

Niektorí matematici veria, že vo vnútri týchto tajomných objektov Vesmíru sa nachádzajú takzvané červie diery – prechody do iných Vesmírov. Inými slovami, časopriestorový tunel sa nachádza v bode singularity. Tento koncept poslúžil mnohým spisovateľom a režisérom. Prevažná väčšina astronómov sa však domnieva, že medzi vesmírmi neexistujú žiadne tunely. Avšak aj keby skutočne boli, človek nemôže vedieť, čo je vo vnútri čiernej diery.

Existuje ďalší koncept, podľa ktorého je na opačnom konci takého tunela biela diera, odkiaľ prichádza obrovské množstvo energie z nášho Vesmíru do iného sveta cez čierne diery. Avšak, na tejto fáze rozvoj vedy a techniky o cestovaní tohto druhu neprichádza do úvahy.

Súvislosť s teóriou relativity

Čierne diery sú jednou z najúžasnejších predpovedí A. Einsteina. Je známe, že gravitačná sila, ktorá vzniká na povrchu akejkoľvek planéty, je nepriamo úmerná druhej mocnine jej polomeru a priamo úmerná jej hmotnosti. Pre toto nebeské teleso môžete definovať pojem druhej kozmickej rýchlosti, ktorá je potrebná na prekonanie tejto gravitačnej sily. Pre Zem je to rovných 11 km/s. Ak sa hmotnosť nebeského tela zväčší a priemer sa naopak zníži, druhá kozmická rýchlosť môže nakoniec prekročiť rýchlosť svetla. A keďže podľa teórie relativity sa žiadny objekt nemôže pohybovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla, vzniká objekt, ktorý nedovolí ničomu uniknúť za svoje hranice.

V roku 1963 vedci objavili kvazary - vesmírne objekty, ktoré sú obrovskými zdrojmi rádiovej emisie. Nachádzajú sa veľmi ďaleko od našej galaxie – ich vzdialenosť je od Zeme vzdialená miliardy svetelných rokov. Na vysvetlenie extrémne vysokej aktivity kvazarov vedci zaviedli hypotézu, že v ich vnútri sa nachádzajú čierne diery. Tento názor je dnes vo vedeckých kruhoch všeobecne akceptovaný. Štúdie, ktoré sa uskutočnili za posledných 50 rokov, nielen potvrdili túto hypotézu, ale priviedli vedcov aj k záveru, že v strede každej galaxie sú čierne diery. V strede našej galaxie sa nachádza aj takýto objekt, jeho hmotnosť je 4 milióny hmotností Slnka. Táto čierna diera sa nazýva Sagittarius A, a keďže je k nám najbližšie, je astronómami najviac skúmaná.

Hawkingovo žiarenie

Tento typ žiarenia, ktorý objavil známy fyzik Stephen Hawking, značne komplikuje život moderným vedcom – kvôli tomuto objavu sa v teórii čiernych dier objavilo veľa ťažkostí. V klasickej fyzike existuje pojem vákuum. Toto slovo označuje úplnú prázdnotu a absenciu hmoty. S rozvojom kvantovej fyziky sa však koncept vákua upravil. Vedci zistili, že je vyplnená takzvanými virtuálnymi časticami – vplyvom silného poľa sa môžu zmeniť na skutočné. V roku 1974 Hawking zistil, že k takýmto premenám môže dôjsť v silnom gravitačnom poli čiernej diery – blízko jej vonkajšej hranice, horizontu udalostí. Takýto pôrod je spárovaný – objavuje sa častica a antičastica. Antičastica je spravidla odsúdená na pád do čiernej diery a častica odletí. Výsledkom je, že vedci pozorujú určité žiarenie okolo týchto vesmírnych objektov. Nazýva sa to Hawkingovo žiarenie.

Počas tohto žiarenia sa hmota vo vnútri čiernej diery pomaly vyparuje. Diera stráca hmotnosť, pričom intenzita žiarenia je nepriamo úmerná druhej mocnine jej hmotnosti. Intenzita Hawkingovho žiarenia je na kozmické pomery zanedbateľná. Ak predpokladáme, že je tam diera s hmotnosťou 10 sĺnk a nedopadá na ňu svetlo ani žiadne hmotné predmety, tak aj v tomto prípade bude čas jej rozpadu obludne dlhý. Životnosť takejto diery presiahne celú životnosť nášho vesmíru o 65 rádov.

Otázka ukladania informácií

Jedným z hlavných problémov, ktoré sa objavili po objavení Hawkingovho žiarenia, je problém straty informácií. Je to spojené s otázkou, ktorá sa na prvý pohľad zdá veľmi jednoduchá: čo sa stane, keď sa čierna diera úplne vyparí? Obe teórie – kvantová fyzika aj klasická – sa zaoberajú opisom stavu systému. S informáciou o počiatočnom stave systému je pomocou teórie možné opísať, ako sa bude meniť.

Zároveň sa v procese evolúcie nestrácajú informácie o počiatočnom stave - funguje akýsi zákon o zachovaní informácií. Ak sa však čierna diera úplne vyparí, potom pozorovateľ stratí informácie o tej časti fyzického sveta, ktorá kedysi do diery spadla. Stephen Hawking veril, že informácie o počiatočnom stave systému sa nejakým spôsobom obnovia po úplnom vyparení čiernej diery. Ale problém spočíva v tom, že podľa definície je prenos informácií z čiernej diery nemožný - nič nemôže opustiť horizont udalostí.

Čo sa stane, ak spadnete do čiernej diery?

Verí sa, že ak by sa nejakým neuveriteľným spôsobom človek mohol dostať na povrch čiernej diery, okamžite by ho to začalo ťahať smerom k sebe. Nakoniec by sa osoba natiahla natoľko, že by sa stala prúdom subatomárnych častíc pohybujúcich sa smerom k bodu singularity. Samozrejme, nie je možné túto hypotézu dokázať, pretože je nepravdepodobné, že by vedci niekedy vedeli, čo sa deje vo vnútri čiernych dier. Teraz niektorí fyzici hovoria, že keby človek spadol do čiernej diery, mal by klon. Prvá z jeho verzií by bola okamžite zničená prúdom horúcich častíc Hawkingovho žiarenia a druhá by prešla cez horizont udalostí bez možnosti návratu späť.

Vydanie 39

V novej lekcii astronómie bude profesor rozprávať o tom, ako čierne diery vznikajú a prečo sú nebezpečné.

Ako vznikajú čierne diery

Čiernych dier sa nedá dotknúť a nedá sa po nich chodiť. Čierne diery sa nazývajú oblasti v časopriestore, ktoré tvoria supersilnú atrakciu. Gravitácia ohýba priestor a čas, čo znamená, že vo vnútri čiernej diery nie sú žiadne priame čiary, priestor je pokrčený a prepletený. Ak sa vedľa čiernej diery vytvorí hviezda, potom gravitačné sily čiernej diery hviezdu roztrhajú a tá zmizne v útrobách diery. Ak niečo spadne do čiernej diery, zostane to tam navždy. Na prekonanie silnej príťažlivosti čiernej diery je potrebné vyvinúť rýchlosť vyššiu ako rýchlosť svetla, ale to, bohužiaľ, nie je možné. Vedci presne nevedia, ako supermasívne čierne diery vznikajú, no pri obyčajných čiernych dierach je všetko viac-menej jasné. V procese vývoja hviezdy dochádza k postupnému vyhoreniu vodíka, respektíve k jeho zníženiu, čo vedie k tomu, že sila tlaku svetla začína prevyšovať silu gravitačnej kompresie. Hviezda sa výrazne zväčšuje a mení sa na červeného obra, ktorý následne exploduje. Po výbuchu začne kompresia, potom sa hviezda ochladí a nebude priamo viditeľná. Ak však hmotnosť zvyšku červeného obra prekročí hmotnosť Slnka 2 až 2,5-krát, potom sa jeho stlačenie nemôže zastaviť, pretože gravitačná sila úplne potláča odpor proti stlačeniu, v dôsledku čoho je tento zvyšok stlačený do hustej drobné telíčko, akoby uzavreté do seba. A práve v tomto momente gravitačného kolapsu (stlačenia) vznikajú čierne diery. V dôsledku toho sa ukazuje, že hmota je sústredená na takej malej ploche, že ani rýchlosť svetla nestačí na to, aby opustila svoju blízkosť. Preto je prvá časť názvu čierna, pretože je schopná absorbovať aj svetlo. Druhá časť - diera - znamená, že všetko, čo spadne do oblasti čiernej diery, sa navždy stane neprístupným pre pozorovanie.

« čierna diery » Vesmír.

"Čierna diera"

Čo je nové vo vesmíre? Čierne diery? Nahliadnuť do nich sa nebráni nielen astronómom, ale ani tým, ktorí sa zaujímajú o život vo vesmíre, vrátane zvedavých školákov,“ povedal doktor pedagogických vied E. Levitan.

V populárno-náučnej literatúre, v článkoch o Vesmíre sa možno často stretnúť s pojmom „čierna diera“. Keď si túto frázu prečítate prvýkrát, okamžite sa vám naskytne obraz povedzme diery v stene. Zmienka o dierach vo vesmíroch, pôvodne tiež spojená s dierou na oblohe. Čo je teda čierna diera?

Čierna diera - je to kozmický objekt neuveriteľnej hustoty, s absolútnou gravitáciou, takže je ním pohltené akékoľvek kozmické telo, dokonca aj samotný priestor a čas, je to akýsi konečný bod všetkého.

"Čierna diera" sú trochu ako vysávač, ktorý funguje vo vesmíre, no na rozdiel od vysávača čierne diery nenasávajú všetky predmety v zóne svojho vplyvu, ale pomocou svojej gravitácie iba priťahujú všetko naokolo. Hovorí sa tomu vákuový efekt (nedostatok vzduchu), ktorý môžete pozorovať doma vo svojej izbe. Keď je vysávač zapnutý počas upratovania miestnosti, môžete pozorovať, ako sa omrvinky, špina a drobné predmety začnú pohybovať smerom k vysávaču. Sacia sila čiernej diery nie je taká veľká ako vysávača, takže vesmírne predmety do nej nie sú nasávané, ale iba priťahované.

Čo robí čierna diera? Čierne diery riadi samotný vývoj vesmíru. Sú na centrálnom mieste, ale nie je ich vidieť, možno ich odhaliť, hoci čierne diery majú vlastnosť ničiť, pomáhajú tiež stavať galaxie.

Ako sa rodí čierna diera? Keď sa veľkej hviezde minie palivo, už viac neunesie svoju váhu. Tlak masívnych vrstiev vodíka spôsobuje, že sa hviezda stále menej zmenšuje. Nakoniec sa hviezda stane menšou ako atóm. Na chvíľu si predstavte, že celá hviezda je rozdrvená do bodu, menšieho ako atóm.

Ako môže byť niečo menšie, no zachovať si rovnaké množstvo hmoty? V skutočnosti je všetko veľmi jednoduché. Vezmite špongiu, veľkosť fľaše, ľahko ju rozdrvíme v rukách. Ale je tu zaujímavý bod. Ak stláčaním urobíme niečo menšie, jeho gravitácia zosilnie. Predstavte si, že ak stlačíme hviezdu na veľkosť atómu, akú silu bude mať jej gravitácia? Gravitačná čierna Diera je taká silná, že pohltí všetko, dokonca aj svetlo, ktoré sa dostane príliš blízko. Je pravda, že ani svetlo nemôže uniknúť z čiernej diery.

Štruktúra čiernej diery: Čierne diery sa skladajú z troch hlavných častí.) Vonkajšia vrstva čiernej diery sa nazýva vonkajší horizont udalostí. Vo vonkajšom horizonte udalostí stále môžete uniknúť gravitácii čiernej diery, pretože gravitácia tu nie je taká silná. Stredná vrstva čiernej diery sa nazýva vnútorný horizont udalostí. Stred čiernej diery sa nazýva singularita. Toto zvláštne slovo znamená rozdrvená hviezda. Singularita je miesto, kde je gravitácia čiernej diery najsilnejšia.

Čo sa stane, ak sa do toho dostanete? Je to tu veľmi zaujímavé. Pre pozorovateľa zo Zeme bude vidieť, ako ten, kto priletel k čiernej diere, do nej okamžite spadol a zmizol. A ten, kto k nej priletí, sa pomaly približuje, hodiny pôjdu stále pomalšie a pomalšie, všetko sa spomalí (to sa deje preto, lebo čierna diera ohýba (narušuje) priestor (svet) okolo seba.

Čo si vedci myslia o čiernych dierach? Niektorí vedci sa domnievajú, že čierne diery sú bránami do paralelných vesmírov, čo môže byť aj tento prípad.

Teraz je jasné, že čierna diera je úplne záhadný jav v Kozme, o ktorom ľudstvo prakticky nič nevie. Preto sa každá nová informácia o nich stáva senzáciou. A keďže štúdium čiernych dier je vo vesmíre takmer nemožné, ich analógy a vytvárať modely.

Analógy „čiernych dier“ na Zemi .

- telesá takých obrovských rozmerov, že si ich človek len ťažko uvedomí. Ale na Zemi sa ukázalo, že existuje ich „miniatúrny“ analóg . A tieto analógy boli nedávno objavené v južnom Atlantickom oceáne.

V čínskom laboratóriu vznikla obdoba vesmírneho monštra – je schopná nasávať svetlo.

„Čierne diery“ umožnia vytvárať solárne batérie novej generácie, schopné zachytávať energiu hviezdy oveľa efektívnejšie ako tie súčasné.

Modely čiernych dier.

Spojením vedomostí popredných svetových fyzikov o čiernej diere s najmodernejšími vizuálnymi efektmi ukázal film Interstellar najpresnejší model čiernej diery v histórii sci-fi. Poprední svetoví vedci navrhli využitie hollywoodskeho sci-fi film "Interstellar" ako učebná pomôcka pre deti o čiernych dierach

Vedci vykonali experimenty so simuláciou "v kúpeľni" čierne diery s ich horizontom udalostí.

Vlnky v potoku sa správa takmer rovnako ako svetelné vlny v časopriestore. V blízkosti kameňa sa prúdenie stáva nerovnomerným, vlnky sa ohýbajú a vlnové dĺžky sa menia. To isté sa deje so svetlom v gravitačných poliach hviezd a planét. V niektorých prípadoch je tok taký rýchly, že sa vlnenie nemôže šíriť proti prúdu, ako svetlo, ktoré nemôže uniknúť z čiernej diery.

Čo majú spoločné kvapka vody, čierna diera a atóm? Skupina britských vedcov na čele s Prof. zmenil na kvapku vody, pretože sily povrchového napätia, ktoré ho udržujú neporušené, môžu byť použité ako analógia iných síl pôsobiacich v iných objektoch, od atómu po čiernu dieru.

Ďalší zaujímavý model „čiernej diery“ vznikol v r Novosibirské planetárium. Jedna zo zábavných hier pre deti. Je veľmi zaujímavé porovnávať, ako rýchlo a ako ťažké a ľahké loptičky sa vťahujú do jamky. Vydrží najdlhšie, prirodzene, ťažké.

Ako vizuálne ukázať a prezentovať „čiernu dieru“?

Ako možno vizuálne ukázať a predstaviť si „čiernu dieru“, aby sme ľahšie pochopili jej štruktúru.

Predstavte si čiernu dieru ako vodopád, gravitáciu ako rieku tečúcu smerom k vodopádu a lúč svetla ako kajak. Nad vodopádom je prúd slabý, človek v člne môže veslovať proti prúdu a dostať sa von. Ale čím bližšie k vodopádu, tým silnejší je prúd a tým ťažšie je dostať sa von. Okraj vodopádu je okrajom čiernej diery. Napriek všetkej sile muža v člne padá. To isté platí aj vo vesmíre.

Pre vizuálnu reprezentáciu „Čiernej diery“ vezmime veľký kus lepiacej fólie, natiahnite ju do rúk a do stredu vložte malú guľu tak, aby svojou váhou vytvorila priehyb. Dajme na plech pár kvapiek vody a uvidíme, ako sa zrolujú po fólii až po guľu. To ukáže, ako funguje gravitácia. Odstránime loptičku a dotkneme sa filmu prstom a určíme - čím viac ho stiahnete (čím je predmet ťažší), tým silnejší je lievik. Potom urobíme dieru v strede fólie, ktorá predstavuje veľmi, veľmi ťažký predmet. Kvapky vody budú kĺzať cez tento otvor. Ukazuje sa, že čierna diera je taký ťažký objekt, že ohýba priestor. Všetko, čo sa do nej dostane (ako kvapky) nikdy sa nevráti."