Kung minsan, ang pag-iisip ng siyentipiko ay gumagawa ng mga bagay na may kabalintunaan na mga katangian na kahit na ang pinaka matalinong mga siyentipiko sa una ay tumangging kilalanin ang mga ito. Ang pinaka-halatang halimbawa sa kasaysayan ng modernong pisika ay ang pangmatagalang kawalan ng interes sa mga black hole, ang mga matinding estado ng gravitational field na hinulaang halos 90 taon na ang nakalilipas. Sa loob ng mahabang panahon sila ay itinuturing na isang purong teoretikal na abstraction, at noong 1960s at 70s lamang sila naniwala sa kanilang realidad. Gayunpaman, ang pangunahing equation ng teorya ng black hole ay nakuha mahigit dalawang daang taon na ang nakalilipas.

Ang pananaw ni John Michell

Ang pangalan ni John Michell, physicist, astronomer at geologist, propesor sa University of Cambridge at pastor ng Church of England, ay ganap na nawala sa mga bituin ng English science noong ika-18 siglo. Inilatag ni Michell ang mga pundasyon ng seismology, ang agham ng mga lindol, nagsagawa ng mahusay na pag-aaral ng magnetism, at bago pa naimbento ni Coulomb ang balanse ng pamamaluktot na ginamit niya para sa mga sukat ng gravimetric. Noong 1783, sinubukan niyang pagsamahin ang dalawang mahusay na nilikha ni Newton, mekanika at optika. Itinuring ni Newton ang liwanag bilang isang stream ng maliliit na particle. Iminungkahi ni Michell na ang mga light corpuscle, tulad ng ordinaryong bagay, ay sumunod sa mga batas ng mekanika. Ang kinahinatnan ng hypothesis na ito ay naging napaka hindi mahalaga - ang mga celestial na katawan ay maaaring maging mga bitag para sa liwanag.

Paano naisip ni Michell? Ang isang cannonball na pinaputok mula sa ibabaw ng isang planeta ay ganap na malalampasan ang gravity nito kung ang paunang tulin nito ay lumampas sa tinatawag ngayong second space velocity at escape velocity. Kung ang gravity ng planeta ay napakalakas na ang bilis ng pagtakas ay lumampas sa bilis ng liwanag, ang mga light corpuscle na nagpaputok sa zenith ay hindi makakatakas sa kawalang-hanggan. Ganoon din ang mangyayari sa naaaninag na liwanag. Samakatuwid, para sa isang napakalayo na tagamasid, ang planeta ay hindi makikita. Kinakalkula ni Michell ang kritikal na halaga ng radius ng naturang planeta, Rcr, depende sa masa nito, M, na nabawasan sa masa ng ating Araw, Ms: Rcr = 3 km x M/Ms.

Naniniwala si John Michell sa kanyang mga formula at ipinapalagay na ang kalaliman ng kalawakan ay nagtatago ng maraming bituin na hindi makikita mula sa Earth gamit ang anumang teleskopyo. Nang maglaon, ang mahusay na Pranses na matematiko, astronomo at pisisista na si Pierre Simon Laplace ay dumating sa parehong konklusyon at isinama ito sa parehong una (1796) at ang pangalawang (1799) na mga edisyon ng kanyang Exposition of the System of the World. Ngunit ang ikatlong edisyon ay nai-publish noong 1808, nang ang karamihan sa mga pisiko ay itinuturing na ang liwanag bilang mga vibrations ng eter. Ang pagkakaroon ng "invisible" na mga bituin ay sumasalungat sa wave theory ng liwanag, at naisip ni Laplace na pinakamabuting huwag na lang banggitin ang mga ito. Sa mga sumunod na panahon, ang ideyang ito ay itinuturing na isang kuryusidad, na karapat-dapat sa paglalahad lamang sa mga gawa sa kasaysayan ng pisika.

modelo ng Schwarzschild

Noong Nobyembre 1915, inilathala ni Albert Einstein ang isang teorya ng grabidad, na tinawag niyang pangkalahatang teorya ng relativity (GR). Ang gawaing ito ay nakahanap kaagad ng isang mapagpahalagang mambabasa sa katauhan ng kanyang kasamahan mula sa Berlin Academy of Sciences na si Karl Schwarzschild. Si Schwarzschild ang kauna-unahan sa mundo na naglapat ng pangkalahatang relativity upang malutas ang isang partikular na problema sa astropisiko, upang kalkulahin ang sukatan ng espasyo-oras sa labas at sa loob ng isang hindi umiikot na spherical na katawan (para sa pagiging konkreto, tatawagin natin itong bituin).

Ito ay sumusunod mula sa mga kalkulasyon ni Schwarzschild na ang gravity ng isang bituin ay hindi lubos na nakakasira sa Newtonian na istraktura ng espasyo at oras lamang kung ang radius nito ay mas malaki kaysa sa mismong halaga na kinalkula ni John Michell! Ang parameter na ito ay unang tinawag na Schwarzschild radius, at ngayon ay tinatawag na gravitational radius. Ayon sa pangkalahatang relativity, ang gravity ay hindi nakakaapekto sa bilis ng liwanag, ngunit binabawasan ang dalas ng mga pag-vibrate ng liwanag sa parehong proporsyon kung saan ito ay nagpapabagal sa oras. Kung ang radius ng isang bituin ay 4 na beses na mas malaki kaysa sa gravitational radius, kung gayon ang daloy ng oras sa ibabaw nito ay bumagal ng 15%, at ang espasyo ay nakakakuha ng isang kapansin-pansing kurbada. Sa dobleng labis, ito ay mas yumuyuko, at ang oras ay nagpapabagal sa pagtakbo nito ng 41%. Kapag naabot ang gravitational radius, ang oras sa ibabaw ng bituin ay ganap na huminto (lahat ng mga frequency ay zero, ang radiation ay nagyelo, at ang bituin ay lumalabas), ngunit ang kurbada ng espasyo doon ay may hangganan pa rin. Malayo sa araw, nananatiling Euclidean ang geometry, at hindi nagbabago ang bilis ng panahon.

Sa kabila ng katotohanan na ang mga halaga ng gravitational radius para sa Michell at Schwarzschild ay pareho, ang mga modelo mismo ay walang pagkakatulad. Para kay Michell, hindi nagbabago ang espasyo at oras, ngunit bumagal ang liwanag. Ang isang bituin na ang mga sukat ay mas maliit kaysa sa gravitational radius nito ay patuloy na kumikinang, ngunit ito ay nakikita lamang ng isang hindi masyadong malayong tagamasid. Para sa Schwarzschild, ang bilis ng liwanag ay ganap, ngunit ang istraktura ng espasyo at oras ay nakasalalay sa gravity. Ang isang bituin na nahulog sa ilalim ng gravitational radius ay nawawala para sa sinumang nagmamasid, nasaan man siya (mas tiyak, maaari itong makita ng mga epekto ng gravitational, ngunit hindi sa pamamagitan ng radiation).

Mula sa hindi paniniwala hanggang sa paninindigan

Naniniwala si Schwarzschild at ang kanyang mga kontemporaryo na ang mga kakaibang bagay na kosmiko ay hindi umiiral sa kalikasan. Si Einstein mismo ay hindi lamang sumunod sa puntong ito ng pananaw, ngunit nagkamali din na naniniwala na pinamamahalaang niyang patunayan ang kanyang opinyon sa matematika.

Noong 1930s, pinatunayan ng isang batang Indian na astrophysicist, si Chandrasekhar, na ang isang bituin na gumugol ng nuclear fuel nito ay naglalabas ng shell nito at nagiging isang mabagal na paglamig na puting dwarf lamang kung ang masa nito ay mas mababa sa 1.4 solar masa. Di-nagtagal, nahulaan ng Amerikanong si Fritz Zwicky na ang labis na siksik na mga katawan ng neutron matter ay lumitaw sa mga pagsabog ng supernova; Nang maglaon, dumating si Lev Landau sa parehong konklusyon. Matapos ang gawain ni Chandrasekhar, malinaw na ang mga bituin lamang na may mass na higit sa 1.4 solar mass ang maaaring sumailalim sa naturang ebolusyon. Samakatuwid, lumitaw ang isang natural na tanong - mayroon bang upper mass limit para sa supernovae na iniiwan ng mga neutron star?

Noong huling bahagi ng 1930s, ang hinaharap na ama ng American atomic bomb, si Robert Oppenheimer, ay itinatag na ang gayong limitasyon ay talagang umiiral at hindi lalampas sa ilang solar mass. Hindi posible noon na magbigay ng mas tumpak na pagtatasa; alam na ngayon na ang masa ng mga neutron na bituin ay dapat nasa hanay na 1.5-3 M s . Ngunit kahit na mula sa tinatayang mga kalkulasyon ni Oppenheimer at ng kanyang nagtapos na estudyante na si George Volkov, sinundan nito na ang pinaka-napakalaking mga inapo ng supernovae ay hindi nagiging mga neutron na bituin, ngunit napupunta sa ibang estado. Noong 1939, pinatunayan nina Oppenheimer at Hartland Snyder sa isang idealized na modelo na ang isang napakalaking collapsing star ay kumukontra sa gravitational radius nito. Mula sa kanilang mga pormula, sa katunayan, sumusunod na ang bituin ay hindi titigil doon, ngunit ang mga kapwa may-akda ay umiwas sa gayong radikal na konklusyon.

Ang huling sagot ay natagpuan sa ikalawang kalahati ng ika-20 siglo sa pamamagitan ng mga pagsisikap ng isang kalawakan ng makikinang na theoretical physicist, kabilang ang mga Sobyet. Ito ay naging tulad ng isang pagbagsak palagi pinipiga ang bituin "hanggang sa paghinto", ganap na sinisira ang sangkap nito. Bilang resulta, lumitaw ang isang singularity, isang "superconcentrate" ng gravitational field, sarado sa isang walang katapusang maliit na volume. Para sa isang nakapirming butas, ito ay isang punto, para sa isang umiikot na butas, ito ay isang singsing. Ang curvature ng space-time at, dahil dito, ang puwersa ng gravity na malapit sa singularity ay may posibilidad na infinity. Noong huling bahagi ng 1967, ang American physicist na si John Archibald Wheeler ang unang tumawag sa naturang huling stellar collapse bilang black hole. Ang bagong termino ay umibig sa mga physicist at natuwa sa mga mamamahayag na nagpakalat nito sa buong mundo (bagaman hindi ito nagustuhan ng mga Pranses noong una, dahil ang expression na trou noir ay nagmungkahi ng mga kahina-hinalang asosasyon).

Doon, sa kabila ng abot-tanaw

Ang black hole ay hindi bagay o radiation. Sa kaunting figurativeness, masasabi nating ito ay isang self-sustaining gravitational field, na puro sa isang mataas na hubog na rehiyon ng space-time. Ang panlabas na hangganan nito ay tinukoy ng isang saradong ibabaw, ang horizon ng kaganapan. Kung ang bituin ay hindi umiikot bago ang pagbagsak, ang ibabaw na ito ay lumalabas na isang regular na globo, na ang radius ay tumutugma sa radius ng Schwarzschild.

Ang pisikal na kahulugan ng abot-tanaw ay napakalinaw. Ang isang liwanag na signal na ipinadala mula sa panlabas na kapitbahayan nito ay maaaring maglakbay sa isang walang katapusang distansya. Ngunit ang mga signal na ipinadala mula sa panloob na rehiyon ay hindi lamang tatawid sa abot-tanaw, ngunit hindi maaaring hindi "mahulog" sa singularity. Ang abot-tanaw ay ang spatial na hangganan sa pagitan ng mga kaganapan na maaaring malaman ng mga astronomo sa lupa (at anumang iba pang), at mga kaganapan na ang impormasyon ay hindi lalabas sa anumang sitwasyon.

Tulad ng dapat na "ayon kay Schwarzschild", malayo sa abot-tanaw, ang atraksyon ng isang butas ay inversely proporsyonal sa parisukat ng distansya, samakatuwid, para sa isang malayong tagamasid, ito ay nagpapakita ng sarili bilang isang ordinaryong mabigat na katawan. Bilang karagdagan sa masa, ang butas ay nagmamana ng sandali ng pagkawalang-galaw ng gumuhong bituin at ang singil ng kuryente nito. At lahat ng iba pang mga katangian ng hinalinhan na bituin (istraktura, komposisyon, uri ng parang multo, atbp.) Napupunta sa limot.

Magpadala tayo ng probe sa butas na may istasyon ng radyo na nagpapadala ng signal minsan sa isang segundo ayon sa oras ng onboard. Para sa isang malayong tagamasid, habang ang probe ay lumalapit sa abot-tanaw, ang mga agwat ng oras sa pagitan ng mga signal ay tataas - sa prinsipyo, walang katiyakan. Sa sandaling tumawid ang barko sa di-nakikitang abot-tanaw, ganap itong tatahimik para sa "over-the-hole" na mundo. Gayunpaman, ang pagkawala na ito ay hindi magiging walang bakas, dahil ang probe ay magbibigay sa butas ng mass, charge at torque nito.

radiation ng black hole

Ang lahat ng mga nakaraang modelo ay binuo ng eksklusibo batay sa pangkalahatang kapamanggitan. Gayunpaman, ang ating mundo ay pinamamahalaan ng mga batas ng quantum mechanics, na hindi binabalewala ang mga black hole. Ang mga batas na ito ay hindi nagpapahintulot sa amin na isaalang-alang ang sentral na singularidad bilang isang matematikal na punto. Sa kontekstong quantum, ang diameter nito ay ibinibigay ng haba ng Planck-Wheeler, humigit-kumulang katumbas ng 10 -33 sentimetro. Sa rehiyong ito, hindi na umiral ang ordinaryong espasyo. Karaniwang tinatanggap na ang gitna ng butas ay pinalamanan ng iba't ibang mga topological na istruktura na lumilitaw at namamatay alinsunod sa mga quantum probabilistic na batas. Hindi pa rin gaanong nauunawaan ang mga katangian ng naturang bubbling quasi-space, na tinawag ni Wheeler na quantum foam.

Ang pagkakaroon ng isang quantum singularity ay direktang nauugnay sa kapalaran ng mga materyal na katawan na nahuhulog nang malalim sa isang black hole. Kapag papalapit sa gitna ng butas, anumang bagay na ginawa mula sa kasalukuyang kilalang mga materyales ay madudurog at mapupunit ng tidal forces. Gayunpaman, kahit na ang mga hinaharap na inhinyero at technologist ay lumikha ng ilang napakalakas na mga haluang metal at mga komposisyon na may mga katangiang hindi nakikita ngayon, lahat ng mga ito ay tiyak na mawawala: pagkatapos ng lahat, walang karaniwang oras o karaniwang espasyo sa singularity zone.

Ngayon tingnan natin ang abot-tanaw ng butas sa pamamagitan ng isang quantum mechanical lens. Ang walang laman na espasyo - ang pisikal na vacuum - ay sa katunayan ay hindi nangangahulugang walang laman. Dahil sa quantum fluctuations ng iba't ibang field sa vacuum, maraming virtual particle ang patuloy na ipinanganak at namamatay. Dahil ang gravity malapit sa abot-tanaw ay napakalakas, ang mga pagbabagu-bago nito ay lumilikha ng napakalakas na mga pagsabog ng gravitational. Kapag pinabilis sa gayong mga larangan, ang mga bagong panganak na "virtual" ay nakakakuha ng karagdagang enerhiya at kung minsan ay nagiging mga normal na pangmatagalang particle.

Ang mga virtual na particle ay palaging ipinanganak sa mga pares na gumagalaw sa magkasalungat na direksyon (ito ay kinakailangan ng batas ng konserbasyon ng momentum). Kung ang isang gravitational fluctuation ay nag-extract ng isang pares ng mga particle mula sa vacuum, maaaring mangyari na ang isa sa mga ito ay materializes sa labas ng abot-tanaw, at ang pangalawa (ang antiparticle ng una) sa loob. Ang "panloob" na butil ay mahuhulog sa butas, ngunit ang "panlabas" na butil ay maaaring makatakas sa ilalim ng paborableng mga kondisyon. Bilang isang resulta, ang butas ay nagiging isang mapagkukunan ng radiation at samakatuwid ay nawawalan ng enerhiya at, dahil dito, ang masa. Samakatuwid, ang mga itim na butas sa panimula ay hindi matatag.

Ang kababalaghang ito ay tinatawag na Hawking effect, pagkatapos ng kahanga-hangang English theoretical physicist na natuklasan ito noong kalagitnaan ng 1970s. Si Stephen Hawking, sa partikular, ay nagpatunay na ang abot-tanaw ng isang black hole ay naglalabas ng mga photon sa eksaktong parehong paraan tulad ng isang ganap na itim na katawan na pinainit sa isang temperatura T = 0.5 x 10 -7 x M s /M. Kasunod nito na habang ang butas ay nagiging mas manipis, ang temperatura nito ay tumataas, at ang "pagsingaw", siyempre, ay tumataas. Ang prosesong ito ay napakabagal, at ang buhay ng isang butas ng mass M ay humigit-kumulang 10 65 x (M/M s) 3 taon. Kapag ang laki nito ay naging katumbas ng haba ng Planck-Wheeler, ang butas ay nawawalan ng katatagan at sumasabog, na naglalabas ng parehong enerhiya gaya ng sabay-sabay na pagsabog ng isang milyong sampung-megaton na hydrogen bomb. Nakakapagtaka, ang masa ng butas sa oras ng pagkawala nito ay medyo malaki pa rin, 22 micrograms. Ayon sa ilang mga modelo, ang butas ay hindi nawawala nang walang bakas, ngunit nag-iiwan ng isang matatag na relic ng parehong masa, ang tinatawag na maximon.

Maximon ay ipinanganak 40 taon na ang nakakaraan - bilang isang termino at bilang isang pisikal na ideya. Noong 1965, iminungkahi ng Academician na si M. A. Markov na mayroong pinakamataas na limitasyon sa masa ng elementarya na mga particle. Iminungkahi niya na ang halaga ng limitasyong ito ay isaalang-alang ang dimensyon ng masa, na maaaring pagsamahin mula sa tatlong pangunahing pisikal na pare-pareho - ang pare-pareho ng Planck na h, ang bilis ng liwanag C at ang gravitational constant G (para sa mga mahilig sa mga detalye: upang gawin ito, kailangan mong multiply h at C, hatiin ang resulta sa G at kunin ang square root). Ito ang parehong 22 micrograms na binanggit sa artikulo, ang halagang ito ay tinatawag na Planck mass. Mula sa parehong mga pare-pareho posible na bumuo ng isang halaga na may sukat ng haba (lalabas ang haba ng Planck-Wheeler, 10 -33 cm) at may sukat ng oras (10 -43 seg).
Nagpatuloy si Markov sa kanyang pangangatwiran. Ayon sa kanyang hypothesis, ang pagsingaw ng isang black hole ay humahantong sa pagbuo ng isang "dry residue" - isang maximon. Tinawag ni Markov ang gayong mga istruktura na elementarya na mga black hole. Hanggang saan ang teoryang ito ay tumutugma sa katotohanan ay isang bukas na tanong pa rin. Sa anumang kaso, ang mga analogue ng Markov maximons ay nabuhay muli sa ilang mga modelo ng black hole batay sa superstring theory.

Kalaliman ng espasyo

Ang mga black hole ay hindi ipinagbabawal ng mga batas ng pisika, ngunit mayroon ba sila sa kalikasan? Ang ganap na mahigpit na katibayan ng presensya sa espasyo ng kahit isang bagay ay hindi pa natatagpuan. Gayunpaman, malaki ang posibilidad na sa ilang mga binary system ang mga X-ray na pinagmumulan ay mga black hole na may pinagmulang bituin. Ang radiation na ito ay dapat lumabas bilang isang resulta ng pagsipsip ng kapaligiran ng isang ordinaryong bituin sa pamamagitan ng gravitational field ng isang kalapit na butas. Ang gas sa panahon ng paggalaw nito sa horizon ng kaganapan ay malakas na pinainit at naglalabas ng X-ray quanta. Hindi bababa sa dalawang dosenang X-ray source ang itinuturing na angkop na mga kandidato para sa papel ng mga black hole. Bukod dito, iminumungkahi ng mga stellar statistics na mayroong humigit-kumulang sampung milyong butas ng stellar na pinagmulan sa ating Galaxy lamang.

Ang mga black hole ay maaari ding mabuo sa proseso ng gravitational condensation ng matter sa galactic nuclei. Ito ay kung paano lumitaw ang mga naglalakihang butas na may masa na milyun-milyon at bilyun-bilyong solar mass, na, sa lahat ng posibilidad, ay matatagpuan sa maraming mga kalawakan. Tila, sa gitna ng Milky Way, na natatakpan ng mga ulap ng alikabok, mayroong isang butas na may masa na 3-4 milyong solar masa.

Si Stephen Hawking ay dumating sa konklusyon na ang mga itim na butas ng arbitrary na masa ay maaaring ipanganak kaagad pagkatapos ng Big Bang, na nagbunga ng ating Uniberso. Ang mga pangunahing butas na tumitimbang ng hanggang isang bilyong tonelada ay sumingaw na, ngunit ang mga mas mabibigat ay maaari pa ring magtago sa kalaliman ng kalawakan at, sa takdang panahon, mag-set up ng mga cosmic fireworks sa anyo ng malalakas na pagkislap ng gamma radiation. Gayunpaman, ang mga naturang pagsabog ay hindi pa naobserbahan sa ngayon.

pabrika ng black hole

Posible bang mapabilis ang mga particle sa accelerator sa napakataas na enerhiya na ang kanilang banggaan ay magbubunga ng black hole? Sa unang sulyap, ang ideyang ito ay kabaliwan lamang - ang pagsabog ng butas ay sisira sa lahat ng buhay sa Earth. Bukod dito, ito ay teknikal na hindi magagawa. Kung ang pinakamababang masa ng isang butas ay talagang 22 micrograms, kung gayon sa mga yunit ng enerhiya ito ay 10 28 electron volts. Ang threshold na ito ay 15 order ng magnitude na mas mataas kaysa sa kapasidad ng pinakamalakas na accelerator sa mundo, ang Large Hadron Collider (LHC), na ilulunsad sa CERN sa 2007.

Gayunpaman, posible na ang karaniwang pagtatantya ng pinakamababang masa ng isang butas ay labis na na-overestimated. Sa anumang kaso, ito ang sinasabi ng mga physicist na bumuo ng teorya ng superstrings, na kinabibilangan ng quantum theory of gravity (bagaman malayo sa kumpleto). Ayon sa teoryang ito, ang espasyo ay may hindi bababa sa tatlong dimensyon, ngunit hindi bababa sa siyam. Hindi namin napapansin ang mga dagdag na sukat, dahil ang mga ito ay naka-loop sa napakaliit na sukat na hindi nakikita ng aming mga instrumento ang mga ito. Gayunpaman, ang gravity ay nasa lahat ng dako, ito ay tumagos sa mga nakatagong sukat. Sa tatlong dimensyon, ang puwersa ng grabidad ay inversely proportional sa parisukat ng distansya, at sa siyam na dimensyon ito ang ikawalong kapangyarihan. Samakatuwid, sa isang multidimensional na mundo, ang intensity ng gravitational field ay tumataas nang mas mabilis sa pagbaba ng distansya kaysa sa isang three-dimensional na isa. Sa kasong ito, ang haba ng Planck ay tumataas nang maraming beses, at ang pinakamababang masa ng butas ay bumaba nang husto.

Ang teorya ng string ay hinuhulaan na ang isang black hole na may mass na 10 -20 g lamang ay maaaring ipanganak sa siyam na dimensional na espasyo. Ang kinakalkula na relativistic na masa ng mga proton na pinabilis sa zern superaccelerator ay humigit-kumulang pareho. Ayon sa pinaka-optimistikong senaryo, makakagawa siya ng isang butas bawat segundo, na mabubuhay nang humigit-kumulang 10 -26 segundo. Sa proseso ng pagsingaw nito, ang lahat ng uri ng elementarya na mga particle ay ipanganak, na magiging madaling irehistro. Ang paglaho ng butas ay hahantong sa pagpapakawala ng enerhiya, na hindi sapat kahit na magpainit ng isang microgram ng tubig sa bawat ikalibo ng isang degree. Samakatuwid, may pag-asa na ang LHC ay magiging isang pabrika ng hindi nakakapinsalang mga black hole. Kung tama ang mga modelong ito, ang mga bagong henerasyong orbital cosmic ray detector ay makaka-detect din ng mga naturang butas.

Nalalapat ang lahat ng nasa itaas sa mga nakatigil na black hole. Samantala, may mga umiikot na butas na mayroong isang bungkos ng mga kagiliw-giliw na katangian. Ang mga resulta ng theoretical analysis ng black hole radiation ay humantong din sa isang seryosong muling pag-iisip ng konsepto ng entropy, na nararapat din sa isang hiwalay na talakayan. Higit pa tungkol diyan sa susunod na isyu.

Ang hypothesis ng pagkakaroon ng black hole ay unang iniharap ng English astronomer na si J. Michell noong 1783 batay sa corpuscular theory of light at Newtonian theory of gravity. Sa oras na iyon, ang teorya ng alon ni Huygens at ang kanyang tanyag na prinsipyo ng alon ay nakalimutan lamang. Ang teorya ng alon ay hindi nakatulong sa pamamagitan ng suporta ng ilang kagalang-galang na mga siyentipiko, sa partikular, ang mga sikat na St. Petersburg academicians M.V. Lomonosov at L. Euler. Ang lohika ng pangangatwiran na humantong kay Michell sa konsepto ng isang black hole ay napaka-simple: kung ang liwanag ay binubuo ng mga particle-corpuscles ng luminiferous ether, kung gayon ang mga particle na ito, tulad ng ibang mga katawan, ay dapat makaranas ng pagkahumaling mula sa gravitational field. Dahil dito, mas malaki ang bituin (o planeta), mas malaki ang atraksyon mula sa gilid nito patungo sa mga corpuscle at mas mahirap para sa liwanag na umalis sa ibabaw ng naturang katawan.

Ang karagdagang lohika ay nagmumungkahi na ang gayong napakalaking mga bituin ay maaaring umiral sa kalikasan, ang atraksyon kung saan ang mga corpuscles ay hindi na madaig, at sila ay palaging lilitaw na itim sa isang panlabas na tagamasid, bagaman sila mismo ay maaaring kumikinang sa isang nakasisilaw na kinang, tulad ng Araw. Sa pisikal, nangangahulugan ito na ang pangalawang cosmic velocity sa ibabaw ng naturang bituin ay dapat na hindi bababa sa bilis ng liwanag. Ang mga kalkulasyon ni Michell ay nagpapakita na ang liwanag ay hindi mag-iiwan ng bituin kung ang radius nito sa average na solar density ay 500 solar. Ang ganitong bituin ay matatawag nang black hole.

Pagkatapos ng 13 taon, ang Pranses na matematiko at astronomo na si P.S. Ipinahayag ni Laplace, malamang, nang nakapag-iisa kay Michell, ang isang katulad na hypothesis tungkol sa pagkakaroon ng gayong mga kakaibang bagay. Gamit ang isang masalimuot na paraan ng pagkalkula, natagpuan ni Laplace ang radius ng isang globo para sa isang partikular na density, sa ibabaw kung saan ang parabolic velocity ay katumbas ng bilis ng liwanag. Ayon kay Laplace, ang mga corpuscle ng liwanag, bilang mga gravitating particle, ay dapat na maantala ng malalaking bituin na naglalabas ng liwanag, na may densidad na katumbas ng densidad ng Earth, at isang radius na 250 beses na mas malaki kaysa sa solar.

Ang teoryang ito ni Laplace ay isinama lamang sa unang dalawang panghabambuhay na edisyon ng kanyang sikat na aklat na "Exposition of the System of the World", na inilathala noong 1796 at 1799. Oo, marahil kahit na ang Austrian astronomer na si F.K. von Zach ay naging interesado sa teorya ni Laplace, na inilathala ito noong 1798 sa ilalim ng pamagat na "Patunay ng theorem na ang puwersa ng pagkahumaling ng isang mabigat na katawan ay maaaring maging napakalakas na ang liwanag ay hindi makalabas mula rito."

Sa puntong ito, huminto ang kasaysayan ng pag-aaral ng mga black hole nang higit sa 100 taon. Tila si Laplace mismo ay tahimik na inabandona ang gayong labis na hypothesis, dahil hindi niya ito isinama sa lahat ng iba pang panghabambuhay na edisyon ng kanyang aklat, na lumabas noong 1808, 1813 at 1824. Marahil ay ayaw ni Laplace na gayahin ang halos hindi kapani-paniwalang hypothesis ng mga malalaking bituin na hindi na naglalabas ng liwanag. Marahil ay napigilan siya ng mga bagong astronomikal na data sa invariance ng magnitude ng aberration ng liwanag sa iba't ibang bituin, na sumasalungat sa ilan sa mga konklusyon ng kanyang teorya, sa batayan kung saan ibinatay niya ang kanyang mga kalkulasyon. Ngunit ang pinaka-malamang na dahilan kung bakit nakalimutan ng lahat ang tungkol sa mahiwagang hypothetical na mga bagay ni Michell-Laplace ay ang tagumpay ng wave theory of light, ang matagumpay na prusisyon na nagsimula mula sa mga unang taon ng ika-19 na siglo.

Ang simula ng tagumpay na ito ay inilatag ng Booker lecture ng English physicist na si T. Jung "The Theory of Light and Color", na inilathala noong 1801, kung saan matapang si Jung, salungat sa Newton at iba pang sikat na tagasuporta ng corpuscular theory (kabilang ang Laplace) , binalangkas ang kakanyahan ng wave theory ng liwanag, na nagsasabi na ang ibinubuga na liwanag ay binubuo ng parang alon na paggalaw ng luminiferous ether. Dahil sa inspirasyon ng pagtuklas ng polarization ng liwanag, sinimulan ni Laplace na "i-save" ang mga corpuscle sa pamamagitan ng pagbuo ng teorya ng dobleng repraksyon ng liwanag sa mga kristal batay sa dobleng pagkilos ng mga molekulang kristal sa mga light corpuscle. Ngunit ang kasunod na mga gawa ng mga physicist na si O.Zh. Fresnel, F.D. Aragon, J. Fraunhofer at iba pa ay hindi nag-iwan ng isang bato na hindi nakaligtaan mula sa teorya ng corpuscular, na seryosong naalala lamang pagkaraan ng isang siglo, pagkatapos ng pagtuklas ng quanta. Ang lahat ng pangangatwiran tungkol sa mga itim na butas sa balangkas ng teorya ng alon ng liwanag sa oras na iyon ay mukhang katawa-tawa.

Ang mga itim na butas ay hindi agad naalala pagkatapos ng "rehabilitasyon" ng corpuscular theory ng liwanag, nang magsimula silang magsalita tungkol dito sa isang bagong antas ng husay salamat sa hypothesis ng quanta (1900) at mga photon (1905). Ang mga itim na butas ay muling natuklasan sa pangalawang pagkakataon lamang pagkatapos ng paglikha ng pangkalahatang relativity noong 1916, nang ang Aleman na teoretikal na pisiko at astronomo na si K. Schwarzschild, ilang buwan pagkatapos ng paglalathala ng mga equation ni Einstein, ay ginamit ang mga ito upang siyasatin ang istruktura ng curved space-time. sa paligid ng Araw. Bilang resulta, natuklasan niya muli ang kababalaghan ng mga black hole, ngunit sa mas malalim na antas.

Ang pangwakas na teoretikal na pagtuklas ng mga black hole ay naganap noong 1939, nang isagawa nina Oppenheimer at Snyder ang unang tahasang solusyon ng mga equation ni Einstein sa paglalarawan ng pagbuo ng isang black hole mula sa isang gumuhong dust cloud. Ang terminong "black hole" mismo ay unang ipinakilala sa agham ng American physicist na si J. Wheeler noong 1968, sa mga taon ng mabilis na muling pagkabuhay ng interes sa pangkalahatang relativity, cosmology at astrophysics, na dulot ng mga tagumpay ng extra-atmospheric (sa partikular. , x-ray) astronomy, ang pagtuklas ng cosmic microwave background radiation, pulsar at quasar.

Dahil sa kamakailang pagtaas ng interes sa paggawa ng mga sikat na pelikulang pang-agham tungkol sa paggalugad sa kalawakan, marami nang narinig ang modernong manonood tungkol sa mga phenomena gaya ng singularity, o black hole. Gayunpaman, malinaw na hindi ibinubunyag ng mga pelikula ang buong katangian ng mga hindi pangkaraniwang bagay na ito, at kung minsan ay binabaluktot pa ang mga nabuong teoryang siyentipiko para sa higit na epekto. Para sa kadahilanang ito, ang ideya ng maraming modernong tao tungkol sa mga phenomena na ito ay alinman sa ganap na mababaw o ganap na mali. Ang isa sa mga solusyon sa problemang lumitaw ay ang artikulong ito, kung saan susubukan naming maunawaan ang umiiral na mga resulta ng pananaliksik at sagutin ang tanong - ano ang black hole?

Noong 1784, unang binanggit ng English priest at naturalist na si John Michell sa isang liham sa Royal Society ang isang hypothetical na napakalaking katawan na may napakalakas na gravitational attraction na ang pangalawang cosmic velocity para dito ay lalampas sa bilis ng liwanag. Ang pangalawang bilis ng pagtakas ay ang bilis na kakailanganin ng isang medyo maliit na bagay upang madaig ang gravitational pull ng isang celestial body at umalis sa saradong orbit sa paligid ng katawan na ito. Ayon sa kanyang mga kalkulasyon, ang isang katawan na may density ng Araw at may radius na 500 solar radii ay magkakaroon sa ibabaw nito ng pangalawang cosmic velocity na katumbas ng bilis ng liwanag. Sa kasong ito, kahit na ang liwanag ay hindi umalis sa ibabaw ng naturang katawan, at samakatuwid ang katawan na ito ay sumisipsip lamang ng papasok na liwanag at mananatiling hindi nakikita ng nagmamasid - isang uri ng itim na lugar laban sa background ng madilim na espasyo.

Gayunpaman, ang konsepto ng isang napakalaking katawan na iminungkahi ni Michell ay hindi nakakaakit ng maraming interes hanggang sa gawain ni Einstein. Alalahanin na tinukoy ng huli ang bilis ng liwanag bilang ang paglilimita sa bilis ng paglilipat ng impormasyon. Bilang karagdagan, pinalawak ni Einstein ang teorya ng gravity para sa mga bilis na malapit sa bilis ng liwanag (). Bilang resulta, hindi na nauugnay na ilapat ang teoryang Newtonian sa mga black hole.

Ang equation ni Einstein

Bilang resulta ng paglalapat ng pangkalahatang relativity sa mga black hole at paglutas ng mga equation ni Einstein, ang mga pangunahing parameter ng isang black hole ay ipinahayag, kung saan mayroon lamang tatlo: mass, electric charge, at angular momentum. Dapat pansinin ang makabuluhang kontribusyon ng Indian astrophysicist na si Subramanyan Chandrasekhar, na lumikha ng isang pangunahing monograph: "The Mathematical Theory of Black Holes".

Kaya, ang solusyon ng Einstein equation ay kinakatawan ng apat na opsyon para sa apat na posibleng uri ng black hole:

• Black hole na walang pag-ikot at walang bayad - solusyon ni Schwarzschild. Isa sa mga unang paglalarawan ng isang black hole (1916) gamit ang mga equation ni Einstein, ngunit nang hindi isinasaalang-alang ang dalawa sa tatlong mga parameter ng katawan. Ang solusyon ng German physicist na si Karl Schwarzschild ay nagpapahintulot sa iyo na kalkulahin ang panlabas na gravitational field ng isang spherical na napakalaking katawan. Ang isang tampok ng konsepto ng German scientist ng black hole ay ang pagkakaroon ng isang event horizon at ang nasa likod nito. Una ring kinakalkula ni Schwarzschild ang gravitational radius, na tumanggap ng kanyang pangalan, na tumutukoy sa radius ng globo kung saan matatagpuan ang horizon ng kaganapan para sa isang katawan na may isang tiyak na masa.
• Isang black hole na walang pag-ikot na may bayad - ang Reisner-Nordström solution. Isang solusyon na iniharap noong 1916-1918, na isinasaalang-alang ang posibleng electric charge ng isang black hole. Ang singil na ito ay hindi maaaring basta-basta malaki at limitado dahil sa nagreresultang de-koryenteng repulsion. Ang huli ay dapat mabayaran ng gravitational attraction.
• Isang itim na butas na may pag-ikot at walang bayad - solusyon ni Kerr (1963). Ang umiikot na itim na butas ng Kerr ay naiiba sa isang static na butas sa pamamagitan ng pagkakaroon ng tinatawag na ergosphere (magbasa nang higit pa tungkol dito at sa iba pang bahagi ng isang black hole).
• BH na may rotation at charge - Kerr-Newman solution. Ang solusyon na ito ay kinakalkula noong 1965 at kasalukuyang pinakakumpleto, dahil isinasaalang-alang nito ang lahat ng tatlong mga parameter ng BH. Gayunpaman, ipinapalagay pa rin na ang mga black hole sa kalikasan ay may hindi gaanong halaga.

Ang pagbuo ng isang black hole

Mayroong ilang mga teorya tungkol sa kung paano nabuo at lumilitaw ang isang itim na butas, ang pinakasikat na kung saan ay ang paglitaw ng isang bituin na may sapat na masa bilang resulta ng pagbagsak ng gravitational. Ang ganitong pag-urong ay maaaring wakasan ang ebolusyon ng mga bituin na may mass na higit sa tatlong solar mass. Sa pagkumpleto ng mga thermonuclear na reaksyon sa loob ng naturang mga bituin, nagsisimula silang mabilis na lumiit sa isang superdense. Kung ang presyon ng gas ng isang neutron star ay hindi makabawi para sa mga puwersa ng gravitational, iyon ay, ang masa ng bituin ay nagtagumpay sa tinatawag na. Oppenheimer-Volkov na limitasyon, pagkatapos ay ang pagbagsak ay nagpapatuloy, bilang isang resulta kung saan ang bagay ay na-compress sa isang black hole.

Ang pangalawang senaryo na naglalarawan sa pagsilang ng isang black hole ay ang compression ng protogalactic gas, iyon ay, interstellar gas na nasa yugto ng pagbabago sa isang kalawakan o ilang uri ng cluster. Sa kaso ng hindi sapat na panloob na presyon upang mabayaran ang parehong mga puwersa ng gravitational, maaaring lumitaw ang isang black hole.

Dalawang iba pang mga senaryo ang nananatiling hypothetical:

• Ang paglitaw ng isang black hole bilang isang resulta - ang tinatawag na. primordial black hole.
• Pangyayari bilang resulta ng mga reaksyong nuklear sa mataas na enerhiya. Ang isang halimbawa ng naturang mga reaksyon ay ang mga eksperimento sa mga collider.

Istraktura at pisika ng mga black hole

Ang istraktura ng isang black hole ayon kay Schwarzschild ay kinabibilangan lamang ng dalawang elemento na nabanggit kanina: ang singularity at ang event horizon ng isang black hole. Sa madaling sabi tungkol sa singularity, mapapansin na imposibleng gumuhit ng isang tuwid na linya sa pamamagitan nito, at gayundin na ang karamihan sa mga umiiral na pisikal na teorya ay hindi gumagana sa loob nito. Kaya, ang physics ng singularity ay nananatiling isang misteryo sa mga siyentipiko ngayon. black hole - ito ay isang uri ng hangganan, tumatawid kung saan, ang isang pisikal na bagay ay nawawalan ng kakayahang bumalik sa kabila nito at walang alinlangan na "mahulog" sa singularidad ng isang black hole.

Ang istraktura ng isang itim na butas ay nagiging medyo mas kumplikado sa kaso ng solusyon ng Kerr, ibig sabihin, sa pagkakaroon ng pag-ikot ng BH. Ang solusyon ni Kerr ay nagpapahiwatig na ang butas ay may ergosphere. Ergosphere - isang tiyak na lugar na matatagpuan sa labas ng horizon ng kaganapan, sa loob kung saan ang lahat ng mga katawan ay gumagalaw sa direksyon ng pag-ikot ng black hole. Ang lugar na ito ay hindi pa kapana-panabik at posibleng iwanan ito, hindi tulad ng abot-tanaw ng kaganapan. Ang ergosphere ay malamang na isang uri ng analogue ng isang accretion disk, na kumakatawan sa isang umiikot na substance sa paligid ng malalaking katawan. Kung ang isang static na Schwarzschild black hole ay kinakatawan bilang isang itim na globo, kung gayon ang Kerry black hole, dahil sa pagkakaroon ng isang ergosphere, ay may hugis ng isang oblate ellipsoid, sa anyo kung saan madalas nating nakikita ang mga itim na butas sa mga guhit, sa lumang mga pelikula o video game.

• Magkano ang timbang ng isang black hole? - Ang pinakadakilang teoretikal na materyal sa hitsura ng isang black hole ay magagamit para sa senaryo ng hitsura nito bilang isang resulta ng pagbagsak ng isang bituin. Sa kasong ito, ang maximum na masa ng isang neutron star at ang pinakamababang masa ng isang black hole ay tinutukoy ng limitasyon ng Oppenheimer-Volkov, ayon sa kung saan ang mas mababang limitasyon ng mass ng BH ay 2.5 - 3 solar masa. Ang pinakamabigat na black hole na natuklasan (sa kalawakan NGC 4889) ay may masa na 21 bilyong solar mass. Gayunpaman, hindi dapat kalimutan ng isa ang tungkol sa mga itim na butas, hypothetically na nagreresulta mula sa mga reaksyong nuklear sa mataas na enerhiya, tulad ng sa mga collider. Ang masa ng naturang quantum black hole, sa madaling salita "Planck black holes" ay nasa pagkakasunud-sunod ng , namely 2 10 −5 g.
• Laki ng black hole. Ang pinakamababang radius ng BH ay maaaring kalkulahin mula sa pinakamababang masa (2.5 - 3 solar masa). Kung ang gravitational radius ng Araw, iyon ay, ang lugar kung saan magiging horizon ng kaganapan, ay humigit-kumulang 2.95 km, kung gayon ang pinakamababang radius ng isang BH na 3 solar mass ay mga siyam na kilometro. Ang ganitong medyo maliit na sukat ay hindi magkasya sa ulo pagdating sa napakalaking bagay na umaakit sa lahat sa paligid. Gayunpaman, para sa quantum black hole, ang radius ay -10 −35 m.
• Ang average na density ng isang black hole ay nakasalalay sa dalawang parameter: masa at radius. Ang density ng isang black hole na may mass na halos tatlong solar mass ay humigit-kumulang 6 10 26 kg/m³, habang ang density ng tubig ay 1000 kg/m³. Gayunpaman, ang mga maliliit na black hole ay hindi natagpuan ng mga siyentipiko. Karamihan sa mga nakitang BH ay may mass na higit sa 105 solar mass. Mayroong isang kawili-wiling pattern ayon sa kung saan mas malaki ang black hole, mas mababa ang density nito. Sa kasong ito, ang pagbabago sa masa ng 11 order ng magnitude ay nangangailangan ng pagbabago sa density ng 22 order ng magnitude. Kaya, ang isang black hole na may mass na 1 ·10 9 solar mass ay may density na 18.5 kg/m³, na isang mas mababa kaysa sa density ng ginto. At ang mga black hole na may mass na higit sa 10 10 solar mass ay maaaring magkaroon ng average na density na mas mababa kaysa sa density ng hangin. Batay sa mga kalkulasyong ito, lohikal na ipagpalagay na ang pagbuo ng isang black hole ay nangyayari hindi dahil sa compression ng matter, ngunit bilang isang resulta ng akumulasyon ng isang malaking halaga ng matter sa isang tiyak na volume. Sa kaso ng quantum black hole, ang kanilang density ay maaaring humigit-kumulang 10 94 kg/m³.
• Ang temperatura ng isang black hole ay inversely proportional din sa masa nito. Ang temperaturang ito ay direktang nauugnay sa . Ang spectrum ng radiation na ito ay tumutugma sa spectrum ng isang ganap na itim na katawan, iyon ay, isang katawan na sumisipsip ng lahat ng insidente ng radiation. Ang radiation spectrum ng isang itim na katawan ay nakasalalay lamang sa temperatura nito, pagkatapos ay ang temperatura ng isang black hole ay maaaring matukoy mula sa Hawking radiation spectrum. Tulad ng nabanggit sa itaas, ang radiation na ito ay mas malakas, mas maliit ang black hole. Kasabay nito, ang radiation ng Hawking ay nananatiling hypothetical, dahil hindi pa ito naobserbahan ng mga astronomo. Ito ay sumusunod mula dito na kung ang Hawking radiation ay umiiral, kung gayon ang temperatura ng mga naobserbahang BH ay napakababa na hindi nito pinapayagan ang isa na makita ang ipinahiwatig na radiation. Ayon sa mga kalkulasyon, kahit na ang temperatura ng isang butas na may masa sa pagkakasunud-sunod ng masa ng Araw ay hindi gaanong maliit (1 ·10 -7 K o -272°C). Ang temperatura ng quantum black hole ay maaaring umabot sa humigit-kumulang 10 12 K, at sa kanilang mabilis na pagsingaw (mga 1.5 min.), Ang mga black hole ay maaaring maglabas ng enerhiya ng pagkakasunud-sunod ng sampung milyong atomic bomb. Ngunit, sa kabutihang palad, ang paglikha ng mga naturang hypothetical na bagay ay mangangailangan ng enerhiya na 10 14 beses na mas malaki kaysa sa nakamit ngayon sa Large Hadron Collider. Bilang karagdagan, ang mga naturang phenomena ay hindi pa naobserbahan ng mga astronomo.

Ano ang gawa sa CHD?

Ang isa pang tanong ay nag-aalala sa parehong mga siyentipiko at sa mga mahilig lamang sa astrophysics - ano ang binubuo ng isang black hole? Walang iisang sagot sa tanong na ito, dahil hindi posible na tumingin sa kabila ng horizon ng kaganapan na nakapalibot sa anumang black hole. Bilang karagdagan, tulad ng nabanggit kanina, ang mga teoretikal na modelo ng isang black hole ay nagbibigay lamang ng 3 sa mga bahagi nito: ang ergosphere, ang horizon ng kaganapan, at ang singularity. Makatuwirang ipagpalagay na sa ergosphere mayroon lamang mga bagay na naaakit ng black hole, at ngayon ay umiikot sa paligid nito - iba't ibang uri ng mga cosmic na katawan at cosmic gas. Ang abot-tanaw ng kaganapan ay isa lamang manipis na implicit na hangganan, minsan sa kabila nito, ang parehong mga cosmic na katawan ay hindi na mababawi na naaakit patungo sa huling pangunahing bahagi ng black hole - ang singularity. Ang kalikasan ng singularity ay hindi pa pinag-aralan ngayon, at masyadong maaga para pag-usapan ang komposisyon nito.

Ayon sa ilang mga pagpapalagay, ang isang black hole ay maaaring binubuo ng mga neutron. Kung susundin natin ang senaryo ng paglitaw ng isang itim na butas bilang isang resulta ng pag-compress ng isang bituin sa isang neutron star na may kasunod na compression nito, kung gayon, marahil, ang pangunahing bahagi ng black hole ay binubuo ng mga neutron, kung saan ang neutron star mismong binubuo. Sa simpleng salita: kapag ang isang bituin ay bumagsak, ang mga atomo nito ay na-compress sa paraan na ang mga electron ay pinagsama sa mga proton, sa gayon ay bumubuo ng mga neutron. Ang ganitong reaksyon ay talagang nagaganap sa kalikasan, sa pagbuo ng isang neutron, nangyayari ang paglabas ng neutrino. Gayunpaman, ito ay mga hula lamang.

Ano ang mangyayari kung mahulog ka sa isang black hole?

Ang pagbagsak sa isang astrophysical black hole ay humahantong sa pag-uunat ng katawan. Isaalang-alang ang isang hypothetical na nagpapakamatay na astronaut na papunta sa isang black hole na walang suot kundi isang space suit, mga paa muna. Sa pagtawid sa abot-tanaw ng kaganapan, hindi mapapansin ng astronaut ang anumang mga pagbabago, sa kabila ng katotohanang wala na siyang pagkakataong makabalik. Sa isang punto, ang astronaut ay aabot sa isang punto (medyo sa likod ng event horizon) kung saan magsisimulang mangyari ang pagpapapangit ng kanyang katawan. Dahil ang gravitational field ng isang black hole ay hindi pare-pareho at kinakatawan ng isang force gradient na tumataas patungo sa gitna, ang mga binti ng astronaut ay sasailalim sa isang kapansin-pansing mas malaking gravitational effect kaysa, halimbawa, ang ulo. Pagkatapos, dahil sa gravity, o sa halip, tidal forces, ang mga binti ay "mahulog" nang mas mabilis. Kaya, ang katawan ay nagsisimula sa unti-unting pag-abot sa haba. Upang ilarawan ang hindi pangkaraniwang bagay na ito, ang mga astrophysicist ay nakabuo ng isang medyo malikhaing termino - spaghettification. Ang karagdagang pag-uunat ng katawan ay malamang na mabulok ito sa mga atomo, na, maaga o huli, ay aabot sa isang singularidad. Maaari lamang hulaan kung ano ang mararamdaman ng isang tao sa sitwasyong ito. Kapansin-pansin na ang epekto ng pag-uunat ng katawan ay inversely proportional sa masa ng black hole. Iyon ay, kung ang isang BH na may mass na tatlong Suns ay agad na nag-uunat/masira ang katawan, ang supermassive black hole ay magkakaroon ng mas mababang tidal forces at, may mga mungkahi na ang ilang mga pisikal na materyales ay maaaring "tolerate" tulad ng isang deformation nang hindi nawawala ang kanilang istraktura.

Tulad ng alam mo, malapit sa napakalaking bagay, ang oras ay dumadaloy nang mas mabagal, na nangangahulugang ang oras para sa pagpapakamatay na astronaut ay dadaloy nang mas mabagal kaysa sa mga taga-lupa. Sa kasong iyon, marahil ay mabubuhay siya hindi lamang sa kanyang mga kaibigan, kundi sa Earth mismo. Ang mga kalkulasyon ay kinakailangan upang matukoy kung gaano karaming oras ang bumagal para sa isang astronaut, gayunpaman, mula sa itaas, maaari itong ipalagay na ang astronaut ay mahuhulog sa black hole nang napakabagal at maaaring hindi na mabuhay upang makita ang sandali kung kailan nagsisimula ang kanyang katawan. mag-deform.

Kapansin-pansin na para sa isang tagamasid sa labas, ang lahat ng mga katawan na lumipad hanggang sa abot-tanaw ng kaganapan ay mananatili sa gilid ng abot-tanaw na ito hanggang sa mawala ang kanilang imahe. Ang dahilan para sa hindi pangkaraniwang bagay na ito ay ang gravitational redshift. Medyo pinasimple, maaari nating sabihin na ang liwanag na bumabagsak sa katawan ng isang nagpapakamatay na astronaut na "na-frozen" sa horizon ng kaganapan ay magbabago ng dalas nito dahil sa bumagal nitong oras. Habang mas mabagal ang paglipas ng panahon, bababa ang dalas ng liwanag at tataas ang wavelength. Bilang resulta ng hindi pangkaraniwang bagay na ito, sa output, iyon ay, para sa isang panlabas na tagamasid, ang ilaw ay unti-unting lilipat patungo sa mababang dalas - pula. Ang pagbabago ng liwanag sa spectrum ay magaganap, habang ang nagpapakamatay na astronaut ay lumalayo papalayo sa nagmamasid, kahit na halos hindi mahahalata, at ang kanyang oras ay dumadaloy nang higit at mas mabagal. Kaya, ang liwanag na sinasalamin ng kanyang katawan ay malapit nang lumampas sa nakikitang spectrum (mawawala ang imahe), at sa hinaharap ang katawan ng astronaut ay makikita lamang sa infrared na rehiyon, mamaya sa rehiyon ng frequency ng radyo, at bilang resulta, ang radiation ay magiging ganap na mailap.

Sa kabila ng nakasulat sa itaas, ipinapalagay na sa napakalaking napakalaking itim na butas, ang mga puwersa ng tidal ay hindi gaanong nagbabago sa distansya at kumikilos nang halos pare-pareho sa bumabagsak na katawan. Sa ganoong kaso, ang bumabagsak na spacecraft ay mananatili sa istraktura nito. Ang isang makatwirang tanong ay lumitaw - saan humahantong ang isang black hole? Ang tanong na ito ay masasagot sa pamamagitan ng gawain ng ilang siyentipiko, na nag-uugnay sa dalawang kababalaghang tulad ng mga wormhole at black hole.

Noong 1935, sina Albert Einstein at Nathan Rosen, na isinasaalang-alang, ay naglagay ng isang hypothesis tungkol sa pagkakaroon ng tinatawag na mga wormhole, na nagkokonekta sa dalawang punto ng space-time sa pamamagitan ng paraan sa mga lugar ng makabuluhang kurbada ng huli - ang Einstein-Rosen bridge o wormhole. Para sa napakalakas na kurbada ng espasyo, ang mga katawan na may napakalaking masa ay kinakailangan, na may papel na kung saan ang mga itim na butas ay perpektong makayanan.

Ang Einstein-Rosen Bridge ay itinuturing na isang impenetrable wormhole, dahil ito ay maliit at hindi matatag.

Posible ang isang traversable wormhole sa loob ng teorya ng black and white hole. Kung saan ang white hole ay ang output ng impormasyon na nahulog sa black hole. Ang puting butas ay inilarawan sa balangkas ng pangkalahatang relativity, ngunit ngayon ito ay nananatiling hypothetical at hindi pa natuklasan. Ang isa pang modelo ng isang wormhole ay iminungkahi ng mga Amerikanong siyentipiko na si Kip Thorne at ng kanyang nagtapos na estudyante na si Mike Morris, na maaaring madaanan. Gayunpaman, tulad ng kaso ng Morris-Thorne wormhole, kaya sa kaso ng black and white holes, ang posibilidad ng paglalakbay ay nangangailangan ng pagkakaroon ng tinatawag na exotic matter, na may negatibong enerhiya at nananatiling hypothetical.

Mga itim na butas sa uniberso

Ang pagkakaroon ng mga itim na butas ay nakumpirma kamakailan lamang (Setyembre 2015), ngunit bago ang oras na iyon ay mayroon nang maraming teoretikal na materyal sa likas na katangian ng mga itim na butas, pati na rin ang maraming mga bagay na kandidato para sa papel ng isang black hole. Una sa lahat, dapat isaalang-alang ng isa ang mga sukat ng black hole, dahil ang mismong likas na katangian ng hindi pangkaraniwang bagay ay nakasalalay sa kanila:

• stellar mass black hole. Ang ganitong mga bagay ay nabuo bilang isang resulta ng pagbagsak ng isang bituin. Tulad ng nabanggit kanina, ang pinakamababang masa ng isang katawan na may kakayahang bumuo ng tulad ng isang black hole ay 2.5 - 3 solar masa.
• Intermediate mass black hole. Isang conditional intermediate na uri ng mga black hole na tumaas dahil sa pagsipsip ng mga kalapit na bagay, tulad ng mga akumulasyon ng gas, isang kalapit na bituin (sa mga sistema ng dalawang bituin) at iba pang mga cosmic na katawan.
• Napakalaking black hole. Mga compact na bagay na may 10 5 -10 10 solar mass. Ang mga natatanging katangian ng naturang mga BH ay paradoxically low density, pati na rin ang mahinang tidal forces, na tinalakay kanina. Ito ang napakalaking black hole na ito sa gitna ng ating Milky Way galaxy (Sagittarius A*, Sgr A*), pati na rin ang karamihan sa iba pang mga galaxy.

Mga kandidato para sa CHD

Ang pinakamalapit na black hole, o sa halip ay isang kandidato para sa papel ng isang black hole, ay isang bagay (V616 Unicorn), na matatagpuan sa layo na 3000 light years mula sa Araw (sa ating kalawakan). Binubuo ito ng dalawang bahagi: isang bituin na may mass na kalahati ng solar mass, pati na rin ang isang hindi nakikitang maliit na katawan, ang masa nito ay 3 - 5 solar masa. Kung ang bagay na ito ay lumabas na isang maliit na black hole ng stellar mass, kung gayon sa kanan ay ito ang pinakamalapit na black hole.

Kasunod ng bagay na ito, ang pangalawang pinakamalapit na black hole ay ang Cyg X-1 (Cyg X-1), na siyang unang kandidato para sa papel ng isang black hole. Ang distansya dito ay humigit-kumulang 6070 light years. Medyo mahusay na pinag-aralan: mayroon itong mass na 14.8 solar mass at isang radius ng horizon ng kaganapan na halos 26 km.

Ayon sa ilang mga mapagkukunan, ang isa pang pinakamalapit na kandidato para sa papel ng isang black hole ay maaaring isang katawan sa star system na V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), na, ayon sa mga pagtatantya noong 1999, ay matatagpuan sa layo na 1600 light years. Gayunpaman, ang mga kasunod na pag-aaral ay tumaas ang distansyang ito ng hindi bababa sa 15 beses.

Ilang black hole ang nasa ating kalawakan?

Walang eksaktong sagot sa tanong na ito, dahil medyo mahirap na obserbahan ang mga ito, at sa buong pag-aaral ng kalangitan, natukoy ng mga siyentipiko ang tungkol sa isang dosenang black hole sa loob ng Milky Way. Nang hindi nakikibahagi sa mga kalkulasyon, napapansin natin na sa ating kalawakan ay mayroong humigit-kumulang 100 - 400 bilyong bituin, at halos bawat libong bituin ay may sapat na masa upang bumuo ng isang black hole. Malamang na milyon-milyong black hole ang maaaring nabuo sa panahon ng pagkakaroon ng Milky Way. Dahil mas madaling magrehistro ng malalaking black hole, makatuwirang ipagpalagay na ang karamihan sa mga black hole sa ating kalawakan ay hindi supermassive. Kapansin-pansin na ang pananaliksik ng NASA noong 2005 ay nagmumungkahi ng pagkakaroon ng isang buong kuyog ng mga black hole (10-20 thousand) na umiikot sa gitna ng kalawakan. Bilang karagdagan, noong 2016, natuklasan ng mga Japanese astrophysicist ang isang napakalaking satellite malapit sa object * - isang black hole, ang core ng Milky Way. Dahil sa maliit na radius (0.15 light years) ng katawan na ito, pati na rin ang malaking masa nito (100,000 solar masa), iminumungkahi ng mga siyentipiko na ang bagay na ito ay isa ring napakalaking black hole.

Ang core ng ating kalawakan, ang black hole ng Milky Way (Sagittarius A *, Sgr A * o Sagittarius A *) ay supermassive at may mass na 4.31 10 6 solar mass, at radius na 0.00071 light years (6.25 light hours o 6.75 bilyong km). Ang temperatura ng Sagittarius A* kasama ang kumpol sa paligid nito ay humigit-kumulang 1 10 7 K.

Ang pinakamalaking black hole

Ang pinakamalaking black hole sa uniberso na natukoy ng mga siyentipiko ay isang napakalaking black hole, ang FSRQ blazar, sa gitna ng galaxy S5 0014+81, sa layo na 1.2·10 10 light-years mula sa Earth. Ayon sa mga paunang resulta ng pagmamasid, gamit ang Swift space observatory, ang masa ng black hole ay 40 bilyon (40 10 9) solar masa, at ang Schwarzschild radius ng naturang butas ay 118.35 bilyong kilometro (0.013 light years). Bilang karagdagan, ayon sa mga kalkulasyon, ito ay bumangon 12.1 bilyong taon na ang nakalilipas (1.6 bilyong taon pagkatapos ng Big Bang). Kung ang higanteng black hole na ito ay hindi sumisipsip sa bagay na nakapaligid dito, mabubuhay ito upang makita ang panahon ng mga black hole - isa sa mga panahon sa pag-unlad ng Uniberso, kung saan ang mga black hole ay nangingibabaw dito. Kung ang core ng galaxy S5 0014+81 ay patuloy na lumalaki, ito ay magiging isa sa mga huling black hole na iiral sa uniberso.

Ang iba pang dalawang kilalang black hole, bagama't hindi pinangalanan, ay ang pinakamalaking kahalagahan para sa pag-aaral ng mga black hole, dahil kinumpirma nila ang kanilang pag-iral sa eksperimentong paraan, at nagbigay din ng mahahalagang resulta para sa pag-aaral ng gravity. Pinag-uusapan natin ang kaganapang GW150914, na tinatawag na banggaan ng dalawang black hole sa isa. Ang kaganapang ito ay pinapayagang magparehistro.

Pagtuklas ng mga itim na butas

Bago isaalang-alang ang mga pamamaraan para sa pag-detect ng mga black hole, dapat sagutin ng isa ang tanong - bakit itim ang black hole? - ang sagot dito ay hindi nangangailangan ng malalim na kaalaman sa astrophysics at cosmology. Ang katotohanan ay ang isang itim na butas ay sumisipsip ng lahat ng radiation na bumabagsak dito at hindi nag-radiate sa lahat, kung hindi mo isinasaalang-alang ang hypothetical. Kung isasaalang-alang natin ang hindi pangkaraniwang bagay na ito nang mas detalyado, maaari nating ipagpalagay na walang mga proseso sa loob ng mga black hole na humahantong sa pagpapalabas ng enerhiya sa anyo ng electromagnetic radiation. Kung ang itim na butas ay lumiwanag, kung gayon ito ay nasa Hawking spectrum (na kasabay ng spectrum ng isang pinainit, ganap na itim na katawan). Gayunpaman, tulad ng nabanggit kanina, ang radiation na ito ay hindi nakita, na nagmumungkahi ng isang ganap na mababang temperatura ng mga black hole.

Ang isa pang pangkalahatang tinatanggap na teorya ay nagsasabi na ang electromagnetic radiation ay hindi talaga kayang umalis sa abot-tanaw ng kaganapan. Malamang na ang mga photon (mga light particle) ay hindi naaakit ng napakalaking bagay, dahil ayon sa teorya sila mismo ay walang masa. Gayunpaman, ang black hole ay "naaakit" pa rin ang mga photon ng liwanag sa pamamagitan ng pagbaluktot ng space-time. Kung iniisip natin ang isang black hole sa kalawakan bilang isang uri ng depresyon sa makinis na ibabaw ng space-time, kung gayon mayroong isang tiyak na distansya mula sa gitna ng black hole, papalapit kung aling liwanag ang hindi na makakalayo dito. Iyon ay, halos nagsasalita, ang liwanag ay nagsisimulang "mahulog" sa "hukay", na wala kahit isang "ilalim".

Bilang karagdagan, dahil sa epekto ng gravitational redshift, posibleng mawala ang dalas ng liwanag sa isang black hole, lumilipat kasama ang spectrum sa rehiyon ng low-frequency na long-wave radiation, hanggang sa tuluyan itong mawalan ng enerhiya.

Kaya, ang isang black hole ay itim at samakatuwid ay mahirap makita sa kalawakan.

Mga paraan ng pagtuklas

Isaalang-alang ang mga pamamaraan na ginagamit ng mga astronomo upang makita ang isang black hole:

Bilang karagdagan sa mga pamamaraan na nabanggit sa itaas, madalas na iniuugnay ng mga siyentipiko ang mga bagay tulad ng mga black hole at. Ang mga quasar ay ilang mga akumulasyon ng mga cosmic na katawan at gas, na kabilang sa mga pinakamaliwanag na astronomical na bagay sa Uniberso. Dahil mayroon silang mataas na intensity ng luminescence sa medyo maliit na sukat, may dahilan upang maniwala na ang gitna ng mga bagay na ito ay isang napakalaking black hole, na umaakit sa nakapalibot na bagay sa sarili nito. Dahil sa napakalakas na pagkahumaling ng gravitational, ang naaakit na bagay ay sobrang init na ito ay nagniningning nang matindi. Ang pagtuklas ng naturang mga bagay ay karaniwang inihahambing sa pagtuklas ng isang black hole. Minsan ang mga quasar ay maaaring magpalabas ng mga jet ng pinainit na plasma sa dalawang direksyon - relativistic jet. Ang mga dahilan para sa paglitaw ng naturang mga jet (jet) ay hindi ganap na malinaw, ngunit malamang na ang mga ito ay sanhi ng pakikipag-ugnayan ng mga magnetic field ng BH at ang accretion disk, at hindi ibinubuga ng isang direktang black hole.

Isang jet sa M87 galaxy na tumama mula sa gitna ng isang black hole

Ang pagbubuod sa itaas, maiisip ng isa, nang malapitan: ito ay isang spherical na itim na bagay, sa paligid kung saan umiikot ang malakas na pinainit na bagay, na bumubuo ng isang makinang na accretion disk.

Pinagsasama at nagbabanggaan ang mga itim na butas

Ang isa sa mga pinaka-kagiliw-giliw na phenomena sa astrophysics ay ang banggaan ng mga black hole, na ginagawang posible upang makita ang mga napakalaking astronomical na katawan. Ang ganitong mga proseso ay interesado hindi lamang sa mga astrophysicist, dahil nagreresulta ito sa mga phenomena na hindi pinag-aralan ng mga physicist. Ang pinakamalinaw na halimbawa ay ang naunang nabanggit na kaganapan na tinatawag na GW150914, nang ang dalawang itim na butas ay napakalapit na, bilang resulta ng magkaparehong pagkahumaling sa gravitational, sila ay nagsanib sa isa. Ang isang mahalagang resulta ng banggaan na ito ay ang paglitaw ng mga gravitational wave.

Ayon sa kahulugan ng gravitational waves, ang mga ito ay mga pagbabago sa gravitational field na kumakalat sa paraang parang alon mula sa malalaking bagay na gumagalaw. Kapag ang dalawang ganoong bagay ay lumalapit sa isa't isa, nagsisimula silang umikot sa isang karaniwang sentro ng grabidad. Habang papalapit sila sa isa't isa, tumataas ang kanilang pag-ikot sa kanilang sariling axis. Ang ganitong mga variable na oscillations ng gravitational field sa ilang mga punto ay maaaring bumuo ng isang malakas na gravitational wave na maaaring magpalaganap sa kalawakan para sa milyun-milyong light years. Kaya, sa layo na 1.3 bilyong light years, isang banggaan ng dalawang black hole ang naganap, na bumuo ng isang malakas na gravitational wave na umabot sa Earth noong Setyembre 14, 2015 at naitala ng LIGO at VIRGO detector.

Paano namamatay ang mga black hole?

Malinaw, para tumigil ang pag-iral ng black hole, kakailanganin nitong mawala ang lahat ng masa nito. Gayunpaman, ayon sa kanyang kahulugan, walang makakaalis sa black hole kung ito ay tumawid sa abot-tanaw ng kaganapan. Ito ay kilala na sa unang pagkakataon ay binanggit ng Soviet theoretical physicist na si Vladimir Gribov ang posibilidad ng paglabas ng mga particle ng isang black hole sa kanyang talakayan sa isa pang Sobyet na siyentipiko na si Yakov Zeldovich. Nagtalo siya na mula sa punto ng view ng quantum mechanics, ang isang black hole ay may kakayahang maglabas ng mga particle sa pamamagitan ng isang tunnel effect. Nang maglaon, sa tulong ng quantum mechanics, binuo niya ang kanyang sariling, medyo naiibang teorya, ang English theoretical physicist na si Stephen Hawking. Maaari kang magbasa nang higit pa tungkol sa hindi pangkaraniwang bagay na ito. Sa madaling salita, may mga tinatawag na virtual particle sa vacuum, na patuloy na ipinanganak na magkapares at nagwawasak sa isa't isa, habang hindi nakikipag-ugnayan sa labas ng mundo. Ngunit kung ang gayong mga pares ay bumangon sa abot-tanaw ng kaganapan ng black hole, kung gayon ang malakas na gravity ay hypothetically magagawang paghiwalayin ang mga ito, na may isang particle na nahuhulog sa black hole, at ang isa ay lumalayo mula sa black hole. At dahil ang isang butil na lumipad palayo sa isang butas ay maaaring maobserbahan, at samakatuwid ay may positibong enerhiya, ang isang butil na nahulog sa isang butas ay dapat na may negatibong enerhiya. Kaya, mawawalan ng enerhiya ang black hole at magkakaroon ng epekto na tinatawag na black hole evaporation.

Ayon sa magagamit na mga modelo ng isang black hole, tulad ng nabanggit kanina, habang bumababa ang masa nito, nagiging mas matindi ang radiation nito. Pagkatapos, sa huling yugto ng pagkakaroon ng isang black hole, kapag ito ay maaaring mabawasan sa laki ng isang quantum black hole, ito ay maglalabas ng isang malaking halaga ng enerhiya sa anyo ng radiation, na maaaring katumbas ng libu-libo o kahit na. milyon-milyong mga bomba atomika. Ang kaganapang ito ay medyo nakapagpapaalaala sa pagsabog ng isang black hole, tulad ng parehong bomba. Ayon sa mga kalkulasyon, ang mga primordial black hole ay maaaring ipinanganak bilang isang resulta ng Big Bang, at ang mga ito, na ang masa ay nasa order na 10 12 kg, ay dapat na sumingaw at sumabog sa ating panahon. Magkagayunman, ang gayong mga pagsabog ay hindi pa nakikita ng mga astronomo.

Sa kabila ng mekanismo na iminungkahi ni Hawking para sa pagkasira ng mga black hole, ang mga katangian ng Hawking radiation ay nagdudulot ng isang kabalintunaan sa balangkas ng quantum mechanics. Kung ang isang itim na butas ay sumisipsip ng ilang katawan, at pagkatapos ay nawala ang masa na nagreresulta mula sa pagsipsip ng katawan na ito, kung gayon anuman ang likas na katangian ng katawan, ang itim na butas ay hindi naiiba sa kung ano ito bago ang pagsipsip ng katawan. Sa kasong ito, ang impormasyon tungkol sa katawan ay tuluyang mawawala. Mula sa punto ng view ng mga teoretikal na kalkulasyon, ang pagbabago ng paunang purong estado sa nagresultang mixed ("thermal") na estado ay hindi tumutugma sa kasalukuyang teorya ng quantum mechanics. Ang kabalintunaan na ito ay kung minsan ay tinatawag na pagkawala ng impormasyon sa isang black hole. Ang isang tunay na solusyon sa paradox na ito ay hindi pa natagpuan. Mga kilalang opsyon para sa paglutas ng kabalintunaan:

• Hindi pagkakatugma ng teorya ni Hawking. Ito ay nangangailangan ng imposibilidad ng pagsira sa black hole at ang patuloy na paglaki nito.
• Ang pagkakaroon ng mga puting butas. Sa kasong ito, ang hinihigop na impormasyon ay hindi nawawala, ngunit itinapon lamang sa ibang Uniberso.
• Hindi pagkakapare-pareho ng pangkalahatang tinatanggap na teorya ng quantum mechanics.

Hindi nalutas na problema ng black hole physics

Sa paghusga sa lahat ng inilarawan nang mas maaga, ang mga itim na butas, kahit na sila ay pinag-aralan sa loob ng mahabang panahon, ay mayroon pa ring maraming mga tampok, ang mga mekanismo na hindi pa rin alam ng mga siyentipiko.

• Noong 1970, binuo ng isang Ingles na siyentipiko ang tinatawag na. "prinsipyo ng cosmic censorship" - "Kinamumuhian ng kalikasan ang hubad na kaisahan." Nangangahulugan ito na ang singularity ay nabuo lamang sa mga lugar na hindi nakikita, tulad ng gitna ng isang black hole. Gayunpaman, ang prinsipyong ito ay hindi pa napatunayan. Mayroon ding mga teoretikal na kalkulasyon ayon sa kung saan maaaring mangyari ang isang "hubad" na singularidad.
• Ang "no-hair theorem", ayon sa kung saan ang mga itim na butas ay mayroon lamang tatlong mga parameter, ay hindi rin napatunayan.
• Ang isang kumpletong teorya ng black hole magnetosphere ay hindi pa nabuo.
• Ang kalikasan at pisika ng gravitational singularity ay hindi napag-aralan.
• Hindi tiyak kung ano ang mangyayari sa huling yugto ng pagkakaroon ng black hole, at kung ano ang nananatili pagkatapos ng pagkabulok ng kabuuan nito.

Mga kagiliw-giliw na katotohanan tungkol sa mga itim na butas

Pagbubuod sa itaas, maaari naming i-highlight ang ilang mga kawili-wili at hindi pangkaraniwang mga tampok ng likas na katangian ng mga black hole:

• Ang mga itim na butas ay may tatlong mga parameter lamang: mass, electric charge at angular momentum. Bilang resulta ng napakaliit na bilang ng mga katangian ng katawan na ito, ang theorem na nagsasaad nito ay tinatawag na "no-hair theorem". Dito rin nagmula ang pariralang "isang black hole ay walang buhok", na nangangahulugan na ang dalawang itim na butas ay ganap na magkapareho, ang kanilang tatlong mga parameter na nabanggit ay pareho.
• Ang density ng mga black hole ay maaaring mas mababa kaysa sa density ng hangin, at ang temperatura ay malapit sa absolute zero. Mula dito maaari nating ipagpalagay na ang pagbuo ng isang black hole ay nangyayari hindi dahil sa compression ng bagay, ngunit bilang isang resulta ng akumulasyon ng isang malaking halaga ng bagay sa isang tiyak na dami.
• Ang oras para sa mga katawan na hinihigop ng mga black hole ay mas mabagal kaysa sa isang panlabas na tagamasid. Bilang karagdagan, ang mga hinihigop na katawan ay makabuluhang nakaunat sa loob ng black hole, na tinatawag na spaghettification ng mga siyentipiko.
• Maaaring may halos isang milyong black hole sa ating kalawakan.
• Marahil ay may napakalaking black hole sa gitna ng bawat kalawakan.
• Sa hinaharap, ayon sa teoretikal na modelo, maaabot ng Uniberso ang tinatawag na panahon ng mga itim na butas, kapag ang mga itim na butas ay magiging nangingibabaw na mga katawan sa Uniberso.

Ang konsepto ng isang black hole ay kilala sa lahat - mula sa mga mag-aaral hanggang sa mga matatanda, ginagamit ito sa panitikan sa agham at fiction, sa dilaw na media at sa mga kumperensyang pang-agham. Ngunit hindi alam ng lahat kung ano ang eksaktong mga butas na ito.

Mula sa kasaysayan ng mga black hole

1783 Ang unang hypothesis para sa pagkakaroon ng naturang phenomenon bilang isang black hole ay inilagay noong 1783 ng English scientist na si John Michell. Sa kanyang teorya, pinagsama niya ang dalawang likha ni Newton - optika at mekanika. Ang ideya ni Michell ay ito: kung ang liwanag ay isang stream ng maliliit na particle, kung gayon, tulad ng lahat ng iba pang mga katawan, ang mga particle ay dapat makaranas ng pagkahumaling ng isang gravitational field. Lumalabas na kung mas malaki ang bituin, mas mahirap para sa liwanag na labanan ang pagkahumaling nito. 13 taon pagkatapos ni Michell, ang Pranses na astronomo at matematiko na si Laplace ay naglagay (malamang na independyente sa kanyang British na katapat) ng isang katulad na teorya.

1915 Gayunpaman, ang lahat ng kanilang mga gawa ay nanatiling hindi inaangkin hanggang sa simula ng ika-20 siglo. Noong 1915, inilathala ni Albert Einstein ang General Theory of Relativity at ipinakita na ang gravity ay isang curvature ng space-time na dulot ng matter, at pagkalipas ng ilang buwan, ginamit ito ng German astronomer at theoretical physicist na si Karl Schwarzschild upang malutas ang isang partikular na problema sa astronomiya. Ginalugad niya ang istraktura ng curved space-time sa paligid ng Araw at muling natuklasan ang phenomenon ng black hole.

(Inilikha ni John Wheeler ang terminong "black holes")

1967 Ang American physicist na si John Wheeler ay nagbalangkas ng isang espasyo na maaaring gusot, tulad ng isang piraso ng papel, sa isang napakaliit na punto at itinalaga ang terminong "Black Hole".

1974 Pinatunayan ng British physicist na si Stephen Hawking na ang mga black hole, bagama't nilalamon nila ang bagay na walang babalik, ay maaaring maglabas ng radiation at kalaunan ay sumingaw. Ang kababalaghang ito ay tinatawag na "Hawking radiation".

2013 Ang pinakabagong pananaliksik sa mga pulsar at quasar, pati na rin ang pagtuklas ng cosmic microwave background radiation, ay naging posible upang ilarawan ang mismong konsepto ng mga black hole. Noong 2013, ang gas cloud G2 ay napakalapit sa black hole at malamang na masipsip nito, ang pagmamasid sa natatanging proseso ay nagbibigay ng magagandang pagkakataon para sa mga bagong pagtuklas ng mga tampok ng black hole.

(Napakalaking bagay na Sagittarius A *, ang masa nito ay 4 na milyong beses na mas malaki kaysa sa Araw, na nagpapahiwatig ng isang kumpol ng mga bituin at ang pagbuo ng isang itim na butas)

2017. Ang isang pangkat ng mga siyentipiko mula sa Event Horizon Telescope na pakikipagtulungan ng ilang mga bansa, na nag-uugnay sa walong teleskopyo mula sa iba't ibang mga punto ng mga kontinente ng Earth, ay nagsagawa ng mga obserbasyon ng isang black hole, na isang napakalaking bagay at matatagpuan sa M87 galaxy, ang konstelasyon ng Virgo. Ang masa ng bagay ay 6.5 bilyon (!) solar mass, napakalaking beses na mas malaki kaysa sa napakalaking bagay na Sagittarius A *, para sa paghahambing, ang diameter ay bahagyang mas mababa kaysa sa distansya mula sa Araw hanggang Pluto.

Ang mga obserbasyon ay isinagawa sa maraming yugto, simula sa tagsibol ng 2017 at sa mga panahon ng 2018. Ang halaga ng impormasyon ay kinakalkula sa mga petabytes, na pagkatapos ay kailangang ma-decipher at isang tunay na imahe ng isang ultra-malayong bagay na nakuha. Samakatuwid, tumagal ng isa pang dalawang buong taon upang paunang i-scan ang lahat ng data at pagsamahin ang mga ito sa isang kabuuan.

2019 Matagumpay na na-decode at naipakita ang data, na nagdulot ng kauna-unahang larawan ng isang black hole.

(Ang kauna-unahang larawan ng isang black hole sa M87 galaxy sa constellation Virgo)

Nagbibigay-daan sa iyo ang resolution ng imahe na makita ang anino ng punto ng walang pagbabalik sa gitna ng bagay. Nakuha ang imahe bilang resulta ng mga interferometric na obserbasyon na may sobrang haba na baseline. Ito ang tinatawag na magkakasabay na mga obserbasyon ng isang bagay mula sa ilang mga teleskopyo sa radyo, na magkakaugnay ng isang network at matatagpuan sa iba't ibang bahagi ng mundo, na nakadirekta sa isang direksyon.

Ano ba talaga ang black holes?

Ang isang laconic na paliwanag ng kababalaghan ay parang ganito.

Ang black hole ay isang space-time na rehiyon na ang gravitational attraction ay napakalakas na walang bagay, kabilang ang light quanta, ang makakaalis dito.

Ang isang black hole ay dating napakalaking bituin. Hangga't ang mga reaksiyong thermonuclear ay nagpapanatili ng mataas na presyon sa mga bituka nito, nananatiling normal ang lahat. Ngunit sa paglipas ng panahon, ang supply ng enerhiya ay naubos at ang celestial body, sa ilalim ng impluwensya ng sarili nitong grabidad, ay nagsisimulang lumiit. Ang huling yugto ng prosesong ito ay ang pagbagsak ng stellar core at ang pagbuo ng isang black hole.

• 1. Pag-ejection ng black hole jet sa mataas na bilis


• 2. Ang isang disk ng bagay ay lumalaki sa isang black hole


• 3. Black hole


• 4. Detalyadong pamamaraan ng rehiyon ng black hole


• 5. Sukat ng mga natagpuang bagong obserbasyon

Sinasabi ng pinakakaraniwang teorya na may mga katulad na phenomena sa bawat kalawakan, kabilang ang sa gitna ng ating Milky Way. Ang malaking gravity ng butas ay may kakayahang humawak ng ilang mga kalawakan sa paligid nito, na pumipigil sa kanila na lumayo sa isa't isa. Ang "lugar ng saklaw" ay maaaring magkakaiba, ang lahat ay nakasalalay sa masa ng bituin na naging isang black hole, at maaaring maging libu-libong light years.

Schwarzschild radius

Ang pangunahing pag-aari ng isang black hole ay ang anumang bagay na nakapasok dito ay hindi na maaaring bumalik. Ang parehong naaangkop sa liwanag. Sa kanilang kaibuturan, ang mga butas ay mga katawan na ganap na sumisipsip ng lahat ng liwanag na bumabagsak sa kanila at hindi naglalabas ng kanilang sarili. Ang ganitong mga bagay ay maaaring biswal na lumitaw bilang mga clots ng ganap na kadiliman.

• 1. Paglipat ng bagay sa kalahati ng bilis ng liwanag


• 2. Photon ring


• 3. Inner photon ring


• 4. Ang abot-tanaw ng kaganapan sa isang black hole

Batay sa General Theory of Relativity ni Einstein, kung ang isang katawan ay lalapit sa isang kritikal na distansya mula sa gitna ng butas, hindi na ito makakabalik. Ang distansyang ito ay tinatawag na Schwarzschild radius. Kung ano ang eksaktong nangyayari sa loob ng radius na ito ay hindi alam ng tiyak, ngunit mayroong pinakakaraniwang teorya. Ito ay pinaniniwalaan na ang lahat ng bagay ng isang itim na butas ay puro sa isang walang katapusang maliit na punto, at sa gitna nito ay may isang bagay na may walang katapusang density, na tinatawag ng mga siyentipiko na isang singular na perturbation.

Paano ito nahuhulog sa isang black hole

(Sa larawan, ang black hole ng Sagittarius A * ay mukhang isang napakaliwanag na kumpol ng liwanag)

Hindi pa katagal, noong 2011, natuklasan ng mga siyentipiko ang isang ulap ng gas, na binibigyan ito ng simpleng pangalan na G2, na naglalabas ng hindi pangkaraniwang liwanag. Ang gayong glow ay maaaring magbigay ng alitan sa gas at alikabok, na sanhi ng pagkilos ng black hole na Sagittarius A * at na umiikot sa paligid nito sa anyo ng isang accretion disk. Kaya, nagiging mga tagamasid tayo ng kamangha-manghang kababalaghan ng pagsipsip ng isang ulap ng gas ng isang napakalaking itim na butas.

Ayon sa mga kamakailang pag-aaral, ang pinakamalapit na diskarte sa isang black hole ay magaganap sa Marso 2014. Maaari tayong muling lumikha ng isang larawan kung paano maglalaro ang kapana-panabik na palabas na ito.

• 1. Noong una itong lumabas sa data, ang isang gas cloud ay kahawig ng isang malaking bola ng gas at alikabok.


• 2. Ngayon, noong Hunyo 2013, ang ulap ay sampu-sampung bilyong kilometro ang layo mula sa black hole. Nahulog ito dito sa bilis na 2500 km / s.


• 3. Inaasahan na dadaan ang ulap sa black hole, ngunit ang mga puwersa ng tidal na dulot ng pagkakaiba ng atraksyon na kumikilos sa nangunguna at sumusunod na mga gilid ng ulap ay magiging dahilan upang ito ay lalong humahaba.


• 4. Pagkatapos masira ang ulap, karamihan sa mga ito ay malamang na sasali sa accretion disk sa paligid ng Sagittarius A*, na bubuo ng mga shock wave sa loob nito. Ang temperatura ay tataas sa ilang milyong degrees.


• 5. Ang bahagi ng ulap ay direktang mahuhulog sa black hole. Walang nakakaalam nang eksakto kung ano ang mangyayari sa sangkap na ito, ngunit inaasahan na sa proseso ng pagbagsak ay maglalabas ito ng malalakas na daloy ng X-ray, at walang ibang makakakita nito.

Video: nilamon ng black hole ang isang ulap ng gas

(Computer simulation kung gaano karami sa G2 gas cloud ang masisira at mauubos ng black hole na Sagittarius A*)

Ano ang nasa loob ng black hole

Mayroong isang teorya na nagsasabing ang isang black hole sa loob ay halos walang laman, at ang lahat ng masa nito ay puro sa isang hindi kapani-paniwalang maliit na punto na matatagpuan sa pinakasentro nito - isang singularity.

Ayon sa isa pang teorya na umiral sa kalahating siglo, lahat ng bagay na nahuhulog sa isang black hole ay napupunta sa isa pang uniberso na matatagpuan sa black hole mismo. Ngayon ang teoryang ito ay hindi ang pangunahing isa.

At mayroong isang pangatlo, pinaka-moderno at matibay na teorya, ayon sa kung saan ang lahat ng bagay na nahuhulog sa isang black hole ay natutunaw sa mga vibrations ng mga string sa ibabaw nito, na itinalaga bilang ang abot-tanaw ng kaganapan.

Kaya ano ang abot-tanaw ng kaganapan? Imposibleng tumingin sa loob ng isang itim na butas kahit na may napakalakas na teleskopyo, dahil kahit na ang liwanag, na nakapasok sa loob ng isang higanteng cosmic funnel, ay walang pagkakataon na bumalik. Ang lahat ng maaaring isaalang-alang ay nasa malapit na lugar.

Ang horizon ng kaganapan ay isang may kondisyong linya ng ibabaw mula sa ilalim kung saan wala (ni gas, o alikabok, o mga bituin, o liwanag) ang maaaring makatakas. At ito ang napakahiwagang punto ng walang pagbabalik sa mga black hole ng Uniberso.

Inihayag kamakailan ng mga astronomo mula sa Ohio University na ang hindi pangkaraniwang double core sa Andromeda galaxy ay dahil sa isang kumpol ng mga bituin na umiikot sa mga elliptical orbit sa paligid ng ilang napakalaking bagay, malamang na isang black hole. Ang ganitong mga konklusyon ay ginawa batay sa data na nakuha gamit ang Hubble Space Telescope. Ang double core ng Andromeda ay unang natuklasan noong 70s, ngunit noong kalagitnaan ng 90s ay inilagay ang teorya ng black hole.

Ang ideya na ang mga itim na butas ay umiiral sa mga core ng mga kalawakan ay hindi bago.

Mayroong kahit na lahat ng dahilan upang maniwala na ang Milky Way - ang kalawakan kung saan nabibilang ang Earth - ay may malaking black hole sa core nito, na ang masa nito ay 3 milyong beses ang masa ng Araw. Gayunpaman, mas madaling tuklasin ang core ng Andromeda galaxy, na matatagpuan sa layo na 2 milyong light years mula sa atin, kaysa sa core ng ating galaxy, kung saan ang liwanag ay naglalakbay lamang ng 30 libong taon - hindi mo makikita ang kagubatan ang mga puno.

Ginagaya ng mga siyentipiko ang mga banggaan ng black hole

Application ng numerical simulation sa mga supercomputer upang ipaliwanag ang kalikasan at pag-uugali ng mga black hole, ang pag-aaral ng gravitational waves.

Sa unang pagkakataon, ginaya ng mga siyentipiko mula sa Institute of Gravitational Physics (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik), na kilala rin bilang "Albert Einstein Institute" at matatagpuan sa Holm, isang suburb ng Potsdam (Germany), ang pagsasama ng dalawang itim butas. Ang nakaplanong pag-detect ng mga gravitational wave na ibinubuga ng dalawang pinagsanib na black hole ay nangangailangan ng buong 3D simulation sa mga supercomputer.

Ang mga itim na butas ay napakakapal na hindi sila sumasalamin o naglalabas ng liwanag, kaya naman napakahirap itong matukoy. Gayunpaman, sa ilang taon, umaasa ang mga siyentipiko para sa isang makabuluhang pagbabago sa lugar na ito.

Ang mga gravitational wave, na literal na pinupuno ang kalawakan, sa simula ng susunod na siglo ay maaaring makita sa tulong ng mga bagong paraan.

Ang mga siyentipiko na pinamumunuan ni Propesor Ed Seidel (Dr. Ed Seidel) ay naghahanda ng mga numerical simulation para sa mga naturang pag-aaral, na magiging isang maaasahang paraan para sa mga tagamasid upang makita ang mga alon na ginawa ng mga black hole. "Ang mga banggaan ng itim na butas ay isa sa mga pangunahing pinagmumulan ng mga alon ng gravitational," sabi ni Propesor Seidel, na sa mga nakaraang taon ay gumagawa ng matagumpay na pananaliksik sa pagmomodelo ng mga gravitational wave na lumilitaw kapag ang mga itim na butas ay nasira sa mga direktang banggaan.

Gayunpaman, ang interaksyon ng dalawang spiraling black hole at ang kanilang pagsasama ay mas karaniwan kaysa sa direktang banggaan, at mas mahalaga sa astronomy. Ang nasabing tangential collisions ay unang kinakalkula ni Bernd Brugmann sa Albert Einstein Institute.

Gayunpaman, sa oras na iyon, dahil sa kakulangan ng kapangyarihan sa pag-compute, hindi niya makalkula ang mga pangunahing mahahalagang detalye tulad ng eksaktong bakas ng mga ibinubuga na gravitational wave, na naglalaman ng mahalagang impormasyon tungkol sa pag-uugali ng mga black hole sa panahon ng banggaan. Inilathala ni Brugman ang pinakabagong mga resulta sa International Journal of Modern Physics.

Sa kanyang mga unang kalkulasyon, ginamit ni Brugman ang server ng Origin 2000 ng institute. Kabilang dito ang 32 hiwalay na mga processor na tumatakbo nang magkatulad na may kabuuang pinakamataas na pagganap na 3 bilyong operasyon bawat segundo. At noong Hunyo ng taong ito, ang isang internasyonal na koponan ng Brugmann, Seidel at iba pa ay nagtatrabaho na sa mas malakas na 256-processor na Origin 2000 supercomputer sa National Center for Supercomputing Applications (NCSA). Kasama rin sa grupo ang mga siyentipiko mula sa

Louis University (USA) at mula sa sentro ng pananaliksik na Konrad-Zuse-Zentrum sa Berlin. Ang supercomputer na ito ay nagbigay ng unang detalyadong simulation ng tangential collisions ng hindi pantay na mass black hole, pati na rin ang kanilang mga pag-ikot, na dati nang na-explore ni Brugmann. Nagawa pa ni Werner Benger mula sa Konrad-Zuse-Zentrum na gumawa ng nakamamanghang larawan ng proseso ng banggaan. Ipinakita kung paano nagsanib ang "mga itim na halimaw" na may masa mula isa hanggang ilang daang milyong solar mass, na lumilikha ng mga pagsabog ng gravitational wave na malapit nang maitala sa pamamagitan ng mga espesyal na paraan.

Isa sa pinakamahalagang resulta ng gawaing pananaliksik na ito ay ang pagtuklas ng malaking enerhiya na ibinubuga ng banggaan ng mga black hole sa anyo ng mga gravitational wave. Kung ang dalawang bagay na may masa na katumbas ng 10 at 15 solar na masa ay lumalapit sa isa't isa nang mas malapit sa 30 milya at nagbanggaan, kung gayon ang dami ng gravitational energy ay tumutugma sa 1% ng kanilang masa. "Ito ay isang libong beses na higit sa lahat ng enerhiya na inilabas ng ating Araw sa nakalipas na limang bilyong taon." Sinabi ni Brugman. Dahil ang karamihan sa mga pangunahing banggaan sa uniberso ay nangyayari nang napakalayo mula sa lupa, ang mga signal ay dapat na maging napakahina sa oras na tumama ang mga ito sa lupa.

Ang pagtatayo ng ilang mga high-precision detector ay nagsimula na sa buong mundo.

Ang isa sa kanila, na itinayo ng Max Planck Institute sa balangkas ng proyektong German-British na "Geo 600", ay isang laser interferometer na 0.7 milya ang haba. Inaasahan ng mga siyentipiko na sukatin ang mga parameter ng maikling gravitational perturbations na nangyayari kapag nagbanggaan ang mga itim na butas, ngunit inaasahan lamang nila ang isang naturang banggaan bawat taon, at sa layo na humigit-kumulang 600 milyong light-years. Ang mga modelo ng computer ay kinakailangan upang magbigay ng mga tagamasid ng maaasahang impormasyon tungkol sa pagtuklas ng mga alon na ginawa ng mga black hole. Salamat sa mga pagpapabuti sa mga kakayahan ng supercomputer simulation, ang mga siyentipiko ay nasa tuktok ng isang bagong uri ng pang-eksperimentong pisika.

Sinasabi ng mga astronomo na alam nila ang lokasyon ng libu-libong black hole, ngunit wala tayo sa posisyon na gumawa ng anumang mga eksperimento sa mga ito sa lupa. "Sa isang kaso lamang namin magagawang pag-aralan ang mga detalye at bumuo ng kanilang numerical na modelo sa aming mga computer at obserbahan ito," paliwanag ni Propesor Bernard Schutz, direktor ng Albert Einstein Institute. "Naniniwala ako na ang pag-aaral ng mga black hole ay magiging pangunahing paksa ng pananaliksik para sa mga astronomo sa unang dekada ng susunod na siglo."

Pinapayagan ka ng satellite star na makita ang alikabok mula sa supernova.

Ang mga itim na butas ay hindi direktang nakikita, ngunit makikita ng mga astronomo ang katibayan ng kanilang pag-iral kapag ang mga gas ay sumabog sa isang kasamang bituin.

Kung ang dinamita ay pumutok, ang maliliit na fragment ng paputok ay tatagos nang malalim sa mga kalapit na bagay, kaya mag-iiwan ng hindi mabubura na ebidensya ng isang pagsabog.

Natagpuan ng mga astronomo ang isang katulad na imprint sa isang bituin na umiikot sa isang black hole, hindi walang dahilan na naniniwala na ang black hole na ito - isang dating bituin na gumuho nang husto na kahit na ang liwanag ay hindi madaig ang gravitational force nito - ay resulta ng pagsabog ng supernova.

Ang liwanag sa dilim.

Sa oras na ito, naobserbahan ng mga astronomo ang mga pagsabog ng supernova at nakakita ng mga batik-batik na bagay sa kanilang lugar, na, sa kanilang opinyon, ay mga black hole. Ang bagong pagtuklas ay ang unang tunay na patunay ng isang koneksyon sa pagitan ng isang kaganapan at isa pa. (Ang mga black hole ay hindi direktang nakikita, ngunit ang kanilang presensya ay minsan ay mahihinuha mula sa epekto ng kanilang gravitational field sa mga kalapit na bagay.

Ang star-and-black hole system, na itinalagang GRO J1655-40, ay nasa humigit-kumulang 10,000 light-years ang layo sa loob ng ating Milky Way galaxy. Natuklasan noong 1994, nakuha nito ang atensyon ng mga astronomo na may matinding pagsabog ng X-ray at isang barrage ng radio wave habang ang black hole ay naglalabas ng mga gas patungo sa kasama nitong bituin na 7.4 milyong milya ang layo.

Ang mga mananaliksik mula sa Espanya at Amerika ay nagsimulang tumingin nang mabuti sa kasamang bituin, na naniniwala na maaari itong mapanatili ang ilang uri ng bakas, na nagpapahiwatig ng proseso ng pagbuo ng isang black hole.

Ang mga black hole na kasing laki ng bituin ay ang mga katawan ng malalaking bituin na lumiit lamang sa ganoong laki pagkatapos nilang maubos ang lahat ng kanilang hydrogen fuel. Ngunit sa hindi pa nauunawaang mga kadahilanan, ang kumukupas na bituin ay nagiging supernova bago sumabog.

Ang mga obserbasyon ng sistema ng GRO J1655-40 noong Agosto at Setyembre 1994 ay naging posible upang ayusin na ang mga stream ng ejected gas ay may bilis na hanggang 92% ng bilis ng liwanag, na bahagyang pinatunayan ang pagkakaroon ng isang black hole doon.

Star dust.

Kung hindi nagkakamali ang mga siyentipiko, ang bahagi ng sumabog na mga bituin, na malamang na 25-40 beses na mas malaki kaysa sa ating Araw, ay naging mga nakaligtas na satellite.

Ito ang eksaktong data na natagpuan ng mga astronomo.

Ang kapaligiran ng kasamang bituin ay naglalaman ng mas mataas kaysa sa karaniwan na konsentrasyon ng oxygen, magnesium, silicon at sulfur - mabibigat na elemento na maaari lamang gawin nang sagana sa multibillion-degree na temperatura na naaabot sa panahon ng pagsabog ng supernova. Ito ang unang katibayan na talagang nagpatunay sa bisa ng teorya na ang ilang mga black hole ay unang lumitaw bilang supernovae, dahil ang nakita nila ay hindi maaaring ipanganak ng bituin na naobserbahan ng mga astronomo.