Živimo v črni luknji. Vesolje iz črne luknje. Video: črna luknja pogoltne plinski oblak

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. GLAVNIKI

Poskusimo zavrteti uro nazaj. Pred nastankom življenja, pred pojavom Zemlje, pred rojstvom Sonca in nastankom galaksij, preden je začela teči svetloba, je bilo. In to je bilo pred 13,8 milijardami let.

Toda kaj je bilo prej? Mnogi fiziki trdijo, da "prej" ne obstaja. Menijo, da se je sam čas začel v trenutku velikega poka in vse, kar je bilo prej, ne sodi v znanstveno sfero. S tega vidika ne bomo nikoli mogli razumeti, kakšna je bila resničnost pred velikim pokom, iz katerih komponent je nastala in zakaj je nastalo naše vesolje.

Toda obstajajo znanstveniki, ki jim konvencije niso tuje, in se ne strinjajo. Ti ljudje gradijo zapletene teorije, da sta bili v bežnem trenutku pred velikim pokom vsa energija in masa nastajajočega vesolja stisnjeni v nerealno gosto, a precej omejeno zrno. Lahko ga imenujete "Seme nove resničnosti."

Ti nori fiziki verjamejo, da je bilo Seme nepredstavljivo majhno, verjetno trilijone-krat manjše od katerega koli osnovnega delca, ki ga lahko opazuje človek. In vendar je prav to zrno postalo spodbuda za nastanek vsega drugega: drugih delcev, galaksij, našega sončnega sistema in ljudi. Če resnično želite nekaj poimenovati delček Boga, potem je to Seme najboljši kandidat za tako ime.

Kako je potem nastalo to Seme? Ideja, ki jo je predstavil Nikodim Poplavsky z Univerze New Haven, pravi, da se je seme naše resničnosti pojavilo v prvobitni peči črne luknje.

Reprodukcija multiverzumov

Preden se poglobimo, je vredno razumeti, kaj Zadnja leta Mnogi ljudje, ki jih to vprašanje zanima, so ugotovili, da naše vesolje še zdaleč ni edino. Morda je le majhen del ogromnega multivesolja, ena od svetlečih krogel na pravem nočnem nebu.

Nihče ne ve, kako so ta vesolja med seboj povezana oziroma ali taka povezava sploh obstaja. In čeprav so spori, ki izhajajo iz te zadeve, špekulativni in nedokazljivi, še vedno obstaja ena zanimiva ideja, da je seme vsakega vesolja zelo podobno semenu rastline. Majhen košček dragocene snovi, kompaktno stisnjen in skrit pod zaščitno lupino.

To zelo natančno pojasnjuje dogodke, ki se odvijajo v črni luknji. Vse črne luknje so ostanki velikanskih zvezd, ki jim je zmanjkalo goriva in so propadle v svojem jedru. Ko sile gravitacije stisnejo vse z osupljivo in vedno večjo močjo. Nato se temperatura dvigne na 100 milijard stopinj, atomi razpadejo, elektroni pa se raztrgajo na koščke. In potem se ta zmešnjava še bolj zmanjša.

Zdaj je zvezda črna luknja. To pomeni, da je sila njegove privlačnosti tako ogromna, da ji ne more uiti niti žarek svetlobe. Meja med zunanjim in notranji deliČrna luknja se imenuje obzorje dogodkov. V središču skoraj vsake galaksije, ne izključujoč naše Rimske ceste, lahko, če pogledate natančno, najdete ogromne črne luknje, ki so milijonkrat večje od našega Sonca.

Vprašanja brez dna

Če z Einsteinovo teorijo ugotavljamo, kaj se dogaja na dnu črne luknje, bomo gotovo naleteli na koncept singularnosti, po katerem obstaja neskončno gosta in neskončno majhna točka. In to je v nasprotju s samo naravo, v kateri se zdi, da neskončnosti ne obstajajo ... Težava je v samih Einsteinovih formulah, ki so idealne za izračune glede večine prostora-časa, na kvantni lestvici neverjetnega pa sploh ne delujejo. sile, ki vladajo rojstvu vesolj in živijo znotraj črnih lukenj.

Teoretični fiziki, kot je dr. Poplavsky, trdijo, da snov v črni luknji doseže točko, ko je ni več mogoče stisniti. To drobno seme tehta toliko kot milijarda zvezd, a je za razliko od singularnosti še vedno povsem resnično.

Poplavsky verjame, da se kompresija ustavi, ker se črne luknje vrtijo zelo hitro in pri tej rotaciji morda dosežejo svetlobno hitrost. In to majhno in težko seme, ki ima neresnično aksialno torzijo, stisnjeno in zasukano, lahko primerjamo z vzmetjo vtičnice. Kar naenkrat lahko to seme vzklije in to z močnim pokom. Takšni primeri se imenujejo veliki pok ali, kot se raje izrazi Poplavski, veliki odboj.

Z drugimi besedami, lahko se izkaže, da je črna luknja tunel med dvema vesoljema in v eno smer. Kar posledično pomeni, da se, če padeš v črno luknjo, takoj znajdeš v drugem vesolju (natančneje tistem, kar je ostalo od tebe). To drugo vesolje ni povezano z našim; luknja je le vezni člen, kot skupna korenina, iz katere rasteta dve drevesi.

Kaj pa vsi mi, v našem domačem vesolju? Morda smo otroci drugega, starejšega prvobitnega vesolja. Seme, ki ga je materno vesolje skovalo znotraj črne luknje, je morda izvedlo Veliki odboj pred 13,8 milijardami let in čeprav se naše vesolje od takrat še vedno hitro širi, morda še vedno obstajamo onkraj obzorja dogodkov te črne luknje.

Ameriški znanstveniki so predlagali popolnoma neverjetno hipotezo, da se celotno naše ogromno vesolje nahaja znotraj velikanske črne luknje. Presenetljivo je, da lahko tak model pojasni številne skrivnosti vesolja.

Ameriški fizik z univerze Indiana Nikodem Poplavsky je utemeljitelj precej nenavadne teorije o zgradbi našega vesolja. Po tej teoriji se naše celotno vesolje nahaja znotraj velikanske črne luknje, ta pa se nahaja v super-velikem-vesolju.

Ta na videz nenavadna hipoteza lahko pojasni številne nedoslednosti, ki obstajajo v moderna teorija Vesolje. Poplavsky je svojo teorijo predstavil že pred enim letom, zdaj pa jo je pojasnil in bistveno razširil.

Črna luknja - vhod v tunel prostora-časa

V modelu zgradbe vesolja, ki ga je razvil ameriški fizik, je predpostavka, da črne luknje
so vhodi v Einstein-Rosenove črvine, torej prostorske tunele, ki povezujejo različne dele štiridimenzionalnega prostora-časa.

V tem modelu je črna luknja s tunelom povezana z lastnim antipodom – belo luknjo, ki se nahaja na drugem koncu časovnega tunela. Znotraj črvine s to strukturo vesolja je opaziti nenehno širjenje prostora.

Zdaj je Poplavsky zaključil, da je naše vesolje notranjost tega predora, ki povezuje Črno in Bela luknja. Ta model vesolja pojasnjuje večino nerešljivih problemov sodobne kozmologije: temno snov, temno energijo, kvantne učinke pri analizi gravitacije v kozmičnem merilu.

Za izgradnjo svojega modela je avtor teorije uporabil poseben matematični aparat - teorijo torzije. V njej se prostor-čas kaže kot en sam žarek, ki se suka pod vplivom gravitacijske ukrivljenosti prostora-časa. Te ukrivljenosti je mogoče zaznati celo z našimi zelo nepopolnimi opazovalnimi sredstvi v svetovnem merilu.

Kakšen je svet v resnici?

Zato v našem okoliškem svetu vsakdo vidi le tisto, kar je dostopno njegovim čutom, na primer hrošč, ki se plazi po balonu, čuti ravno in neskončno. Zato je zelo težko zaznati zvijanje fleksibilnega prostora-časa, še posebej, če ste znotraj te dimenzije.

Seveda takšen model zgradbe vesolja predpostavlja, da je vsaka črna luknja v našem vesolju prehod v drugo vesolje. Toda sploh ni jasno, koliko »plasti«, kot jih imenuje Poplavsky, obstaja v pra-velikem-N-krat velikem-vesolju, v katerem se nahaja naša črna luknja z našim vesoljem.

Neverjetna hipoteza je potrjena

Ali je res mogoče potrditi tako neverjetno hipotezo? Nikodem Poplavsky meni, da je to mogoče. Navsezadnje se v našem vesolju vse črne luknje in zvezde vrtijo. Po logičnem sklepanju bi moralo biti popolnoma enako v superpra-vesolju. To pomeni, da bi morali biti rotacijski parametri našega vesolja enaki tistim črne luknje, v kateri se nahaja.

V tem primeru naj bi se del spiralnih galaksij zasukal v levo, drugi prostorsko nasprotni del pa v desno. Dejansko je po sodobnih opazovalnih podatkih večina spiralnih galaksij zavitih leva stran- "levo", v drugem, nasprotnem delu opazovanega vesolja pa je vse obratno - večina spiralnih galaksij se zasuka v desno.

S. TRANKOVSKI

Med najpomembnejšimi in zanimivimi problemi sodobne fizike in astrofizike je akademik V.L. Ginzburg imenoval vprašanja, povezana s črnimi luknjami (glej "Znanost in življenje" št. 11, 12, 1999). Obstoj teh nenavadnih objektov je bil napovedan že pred več kot dvesto leti, pogoji za njihov nastanek so bili natančno izračunani v poznih tridesetih letih 20. stoletja, astrofizika pa jih je začela resno preučevati pred manj kot štiridesetimi leti. Danes znanstvene revije po vsem svetu letno objavijo na tisoče člankov o črnih luknjah.

Nastanek črne luknje lahko poteka na tri načine.

Tako je običajno prikazati procese, ki se dogajajo v bližini propadajoče črne luknje. Sčasoma (Y) se prostor (X) okoli njega (osenčeno območje) skrči in hiti proti singularnosti.

Gravitacijsko polje črne luknje vnaša huda popačenja v geometrijo prostora.

Črna luknja, nevidna skozi teleskop, se razkrije le s svojim gravitacijskim vplivom.

V močnem gravitacijskem polju črne luknje se rojevajo pari delec-antidelec.

Rojstvo para delec-antidelec v laboratoriju.

KAKO NASTANEJO

Svetleč nebeško telo, ki ima gostoto enako Zemljini in premer dvesto petdesetkrat večji od premera Sonca, zaradi sile svoje gravitacije ne bo dovolil, da bi njegova svetloba dosegla nas. Tako je možno, da največja svetleča telesa v vesolju ostanejo nevidna prav zaradi svoje velikosti.
Pierre Simon Laplace.
Razstava svetovnega sistema. 1796

Leta 1783 sta angleški matematik John Mitchell in trinajst let kasneje neodvisno od njega francoski astronom in matematik Pierre Simon Laplace opravila zelo nenavadno študijo. Preučevali so pogoje, pod katerimi svetloba ne bi mogla uiti zvezde.

Logika znanstvenikov je bila preprosta. Za vsak astronomski objekt (planet ali zvezdo) je mogoče izračunati tako imenovano ubežno hitrost oziroma drugo kozmično hitrost, ki omogoča, da ga katero koli telo ali delec za vedno zapusti. In v takratni fiziki je kraljevala Newtonova teorija, po kateri je svetloba tok delcev (pred teorijo elektromagnetni valovi in kvanti so ostali skoraj sto petdeset let). Ubežno hitrost delcev lahko izračunamo na podlagi enakosti potencialne energije na površini planeta in kinetične energije telesa, ki je »pobegnilo« na neskončno veliko razdaljo. Ta hitrost je določena s formulo #1#

Kje M- masa vesoljskega objekta, R- njen polmer, G- gravitacijska konstanta.

Iz tega lahko zlahka dobimo polmer telesa dane mase (kasneje imenovan "gravitacijski radij" r g"), pri kateri je ubežna hitrost enaka svetlobni hitrosti:

To pomeni, da je zvezda stisnjena v kroglo s polmerom r g< 2G.M./c 2 bo prenehal oddajati – svetloba ga ne bo mogla zapustiti. V vesolju se bo pojavila črna luknja.

Zlahka je izračunati, da se bo Sonce (njegova masa je 2,1033 g) spremenilo v črno luknjo, če se skrči na polmer približno 3 kilometre. Gostota njegove snovi bo dosegla 10 16 g/cm 3 . Polmer Zemlje, stisnjene v črno luknjo, bi se zmanjšal na približno en centimeter.

Zdelo se je neverjetno, da v naravi obstajajo sile, ki so sposobne stisniti zvezdo na tako nepomembno velikost. Zato so sklepi iz del Mitchella in Laplacea več kot sto let veljali za nekakšen matematični paradoks, ki ni imel fizičnega pomena.

Strog matematični dokaz, da je tako eksotičen objekt v vesolju mogoč, je bil pridobljen šele leta 1916. Nemški astronom Karl Schwarzschild je po analizi enačb splošne teorije relativnosti Alberta Einsteina prišel do zanimivega rezultata. Ob proučevanju gibanja delca v gravitacijskem polju masivnega telesa je prišel do zaključka: enačba izgubi svoj fizikalni pomen (njena rešitev se obrača v neskončnost), ko r= 0 in r = r g.

Točke, v katerih lastnosti polja postanejo nesmiselne, imenujemo singularne, to je posebne. Singularnost na ničelni točki odraža točkovno ali, kar je isto, centralno simetrično strukturo polja (navsezadnje lahko vsako sferično telo - zvezdo ali planet - predstavljamo kot materialno točko). In točke, ki se nahajajo na sferični površini s polmerom r g, tvorijo ravno površino, s katere je ubežna hitrost enaka svetlobni hitrosti. V splošni teoriji relativnosti se imenuje Schwarzschildova singularna sfera ali obzorje dogodkov (zakaj, bo jasno kasneje).

Že na podlagi primera nam znanih predmetov - Zemlje in Sonca - je jasno, da so črne luknje zelo čudni predmeti. Tudi astronomi, ki se ukvarjajo s snovjo pri ekstremnih vrednostih temperature, gostote in tlaka, jih imajo za zelo eksotične in do nedavnega vsi niso verjeli v njihov obstoj. Vendar pa so bili prvi znaki o možnosti nastanka črnih lukenj že v splošni teoriji relativnosti A. Einsteina, ustvarjeni leta 1915. Angleški astronom Arthur Eddington, eden prvih razlagalcev in popularizatorjev relativnostne teorije, je v 30. letih izpeljal sistem enačb, ki opisujejo notranja struktura zvezde Iz njih izhaja, da je zvezda v ravnotežju pod vplivom nasprotno usmerjenih gravitacijskih sil in notranjega tlaka, ki nastane zaradi gibanja delcev vroče plazme znotraj zvezde in pritiska sevanja, ki nastaja v njenih globinah. To pomeni, da je zvezda plinska krogla, v središču katere toplota, ki se postopoma zmanjšuje proti periferiji. Iz enačb je zlasti izhajalo, da je površinska temperatura Sonca približno 5500 stopinj (kar se je povsem skladalo s podatki astronomskih meritev), v njegovem središču pa naj bi bila približno 10 milijonov stopinj. To je Eddingtonu omogočilo preroški zaključek: pri tej temperaturi se "vname" termonuklearna reakcija, ki zadostuje za zagotovitev sijaja Sonca. Atomski fiziki tistega časa se s tem niso strinjali. Zdelo se jim je, da je v globinah zvezde preveč "hladno": temperatura tam ni bila dovolj, da bi reakcija "šla". Na to je razjarjeni teoretik odgovoril: "Iščite bolj vroče mesto!"

In na koncu se je izkazalo, da je imel prav: termonuklearna reakcija res poteka v središču zvezde (druga stvar je, da se je tako imenovani "standardni solarni model", ki temelji na idejah o termonuklearni fuziji, očitno izkazal za biti nepravilen - glej na primer "Znanost in življenje" št. 2, 3, 2000). Toda kljub temu pride do reakcije v središču zvezde, zvezda zasije in sevanje, ki nastane, jo ohranja v stabilnem stanju. Toda jedrsko "gorivo" v zvezdi izgori. Sproščanje energije se ustavi, sevanje ugasne in sila, ki zadržuje gravitacijsko privlačnost, izgine. Obstaja meja mase zvezde, po kateri se zvezda začne nepovratno krčiti. Izračuni kažejo, da se to zgodi, če masa zvezde preseže dve do tri sončne mase.

GRAVITACIJSKI KOLAPS

Sprva je hitrost krčenja zvezde majhna, vendar se njena hitrost nenehno povečuje, saj je gravitacijska sila obratno sorazmerna s kvadratom razdalje. Stiskanje postane nepovratno; ni nobenih sil, ki bi lahko nasprotovale lastni gravitaciji. Ta proces se imenuje gravitacijski kolaps. Hitrost gibanja lupine zvezde proti središču se povečuje in se približuje svetlobni hitrosti. In tu začnejo igrati vlogo učinki relativnostne teorije.

Hitrost pobega je bila izračunana na podlagi Newtonovih idej o naravi svetlobe. Z vidika splošne relativnosti se pojavi v bližini zvezde v kolapsu odvijajo nekoliko drugače. V njegovem močnem gravitacijskem polju se pojavi tako imenovani gravitacijski rdeči premik. To pomeni, da je frekvenca sevanja, ki prihaja iz masivnega predmeta, premaknjena proti nižjim frekvencam. V meji, na meji Schwarzschildove krogle, postane frekvenca sevanja enako nič. To pomeni, da opazovalec, ki se nahaja zunaj njega, ne bo mogel izvedeti ničesar o tem, kaj se dogaja znotraj. Zato Schwarzschildovo kroglo imenujemo obzorje dogodkov.

Toda zmanjšanje frekvence je enako upočasnitvi časa in ko frekvenca postane nič, se čas ustavi. To pomeni, da bo zunanji opazovalec videl zelo čudno sliko: lupina zvezde, ki pada z naraščajočim pospeškom, se ustavi, namesto da bi dosegla svetlobno hitrost. Z njegovega vidika se bo stiskanje ustavilo takoj, ko se bo velikost zvezde približala gravitacijski
usu. Nikoli ne bo videl niti enega delca "potopljati" pod Schwarzschielovo kroglo. Toda za hipotetičnega opazovalca, ki pade v črno luknjo, bo na njegovi uri vsega konec v nekaj trenutkih. Tako bo gravitacijski čas kolapsa zvezde velikosti Sonca 29 minut, veliko gostejša in kompaktnejša nevtronska zvezda pa le 1/20.000 sekunde. In tu se sooči s težavami, povezanimi z geometrijo prostora-časa v bližini črne luknje.

Opazovalec se znajde v ukrivljenem prostoru. V bližini gravitacijskega polmera postanejo gravitacijske sile neskončno velike; raztegnejo raketo z astronavtom opazovalcem v neskončno tanko nit neskončne dolžine. Toda sam tega ne bo opazil: vse njegove deformacije bodo ustrezale izkrivljanju prostorsko-časovnih koordinat. Ti premisleki se seveda nanašajo na idealen, hipotetičen primer. Vsako pravo telo bodo raztrgale plimske sile veliko preden se približa Schwarzschildovi krogli.

DIMENZIJE ČRNIH LUKENJ

Velikost črne luknje ali natančneje polmer Schwarzschildove krogle je sorazmeren z maso zvezde. In ker astrofizika ne postavlja nobenih omejitev glede velikosti zvezde, je črna luknja lahko poljubno velika. Če je na primer nastala med kolapsom zvezde z maso 10 8 sončnih mas (ali zaradi združitve več sto tisoč ali celo milijonov razmeroma majhnih zvezd), bo njen polmer približno 300 milijonov kilometrov, dvakrat večja od Zemljine orbite. In povprečna gostota snovi takega velikana je blizu gostote vode.

Očitno so to vrste črnih lukenj, ki jih najdemo v središčih galaksij. Kakorkoli že, astronomi danes štejejo okoli petdeset galaksij, v središču katerih so po posrednih dokazih (o katerih v nadaljevanju sodeč) črne luknje z maso okoli milijarde (10 9) sončnih. Očitno ima tudi naša galaksija svojo črno luknjo; Njegova masa je bila ocenjena precej natančno - 2,4. 10 6 ±10 % mase Sonca.

Teorija nakazuje, da bi se poleg takšnih supergigantov morale pojaviti tudi črne mini luknje z maso približno 10 14 g in polmerom približno 10 -12 cm (velikost atomskega jedra). Lahko bi se pojavili v prvih trenutkih obstoja vesolja kot manifestacija zelo močne nehomogenosti prostora-časa z ogromno energijsko gostoto. Danes raziskovalci spoznavajo razmere, ki so takrat obstajale v vesolju ob močnih trkalnikih (pospeševalnikih s trčnimi žarki). Poskusi v CERN-u v začetku tega leta so ustvarili kvark-gluonsko plazmo, snov, ki je obstajala pred nastankom osnovnih delcev. Raziskave tega agregatnega stanja se nadaljujejo v ameriškem pospeševalnem centru Brookhaven. Sposoben je pospeševati delce do energij, ki so za en in pol do dva reda velikosti višje od pospeševalnika v
CERN. Prihajajoči poskus je povzročil resno zaskrbljenost: ali bo ustvaril mini črno luknjo, ki bo upognila naš prostor in uničila Zemljo?

Ta strah je tako močno odmeval, da je bila ameriška vlada prisiljena sklicati avtoritativno komisijo, ki je preučila to možnost. Komisija, sestavljena iz uglednih raziskovalcev, je ugotovila: energija pospeševalnika je prenizka za nastanek črne luknje (ta poskus je opisan v reviji Science and Life, št. 3, 2000).

KAKO VIDETI NEVIDNO

Črne luknje ne oddajajo ničesar, niti svetlobe ne. Astronomi pa so se jih naučili videti oziroma bolje rečeno najti »kandidate« za to vlogo. Obstajajo trije načini za odkrivanje črne luknje.

1. Potrebno je spremljati vrtenje zvezd v kopicah okoli določenega težišča. Če se izkaže, da v tem središču ni ničesar in se zdi, da se zvezde vrtijo okoli praznega prostora, lahko z gotovostjo rečemo: v tej "praznini" je črna luknja. Na podlagi tega je bila predpostavljena prisotnost črne luknje v središču naše Galaksije in ocenjena njena masa.

2. Črna luknja aktivno srka vase snov iz okolice. Medzvezdni prah, plin in snov iz bližnjih zvezd padajo nanj v spirali in tvorijo tako imenovani akrecijski disk, podoben Saturnovemu obroču. (Prav to je strašilo v eksperimentu Brookhaven: mini črna luknja, ki se je pojavila v pospeševalniku, bo začela srkati Zemljo vase in tega procesa ne bo mogla ustaviti nobena sila.) Ko se približajo Schwarzschildovi krogli, delci izkusijo pospeši in začne oddajati v rentgenskem območju. To sevanje ima značilen spekter, podoben dobro raziskanemu sevanju delcev, pospešenih v sinhrotronu. In če takšno sevanje prihaja iz nekega področja vesolja, lahko z gotovostjo trdimo, da tam mora biti črna luknja.

3. Ko se dve črni luknji združita, pride do gravitacijskega sevanja. Izračunano je, da če je masa vsakega približno deset sončnih mas, potem ko se združita v nekaj urah, se bo energija, ki ustreza 1% njihove skupne mase, sprostila v obliki gravitacijskih valov. To je tisočkrat več od svetlobe, toplote in druge energije, ki jo je Sonce oddajalo ves čas svojega obstoja – pet milijard let. Upajo, da bodo zaznali gravitacijsko sevanje s pomočjo observatorijev gravitacijskih valov LIGO in drugih, ki jih zdaj gradijo v Ameriki in Evropi s sodelovanjem ruskih raziskovalcev (glej "Znanost in življenje" št. 5, 2000).

In vendar, čeprav astronomi ne dvomijo o obstoju črnih lukenj, si nihče ne upa kategorično trditi, da se ravno ena od njih nahaja na določeni točki v vesolju. Znanstvena etika in integriteta raziskovalca zahtevata nedvoumen odgovor na zastavljeno vprašanje, ki ne dopušča odstopanj. Ni dovolj, da ocenimo maso nevidnega predmeta; treba je izmeriti njegov polmer in pokazati, da ne presega Schwarzschildovega polmera. In tudi znotraj naše Galaksije ta problem še ni rešljiv. Zato znanstveniki kažejo določeno zadržanost pri poročanju o svojih odkritjih, znanstvene revije pa so dobesedno polne poročil o teoretičnih delih in opazovanjih učinkov, ki lahko osvetlijo njihovo skrivnost.

Imajo pa črne luknje še eno lastnost, teoretično predvideno, zaradi katere bi jih morda lahko videli. Vendar pod enim pogojem: masa črne luknje mora biti veliko manjša od mase Sonca.

ČRNA LUKNJA JE LAHKO TUDI "BELA"

Črne luknje so dolgo veljale za utelešenje teme, objekte, ki v vakuumu, ob odsotnosti absorpcije snovi, ne oddajajo ničesar. Vendar pa je leta 1974 slavni angleški teoretik Stephen Hawking pokazal, da je črnim luknjam mogoče pripisati temperaturo in bi zato morale sevati.

V skladu s koncepti kvantne mehanike vakuum ni praznina, ampak nekakšna »pena prostora-časa«, mešanica virtualnih (v našem svetu neopazljivih) delcev. Vendar pa lahko nihanja kvantne energije "izvržejo" par delec-antidelec iz vakuuma. Na primer, pri trčenju dveh ali treh gama kvantov se bosta elektron in pozitron pojavila kot iz nič. Ta in podobni pojavi so bili večkrat opaženi v laboratorijih.

Kvantne fluktuacije določajo procese sevanja črnih lukenj. Če je par delcev z energijami E in -E(skupna energija para je nič), se pojavi v bližini Schwarzschildove krogle, nadaljnja usoda delci bodo različni. Lahko se uničijo skoraj takoj ali pa gredo skupaj pod horizont dogodkov. V tem primeru se stanje črne luknje ne bo spremenilo. Če pa gre samo en delec pod obzorje, bo opazovalec zabeležil drugega in zdelo se mu bo, da ga je ustvarila črna luknja. Hkrati črna luknja, ki je absorbirala delec z energijo -E, bo zmanjšal vašo energijo in z energijo E- se bo povečalo.

Hawking je izračunal hitrosti, s katerimi se odvijajo vsi ti procesi, in prišel do zaključka: verjetnost absorpcije delcev z negativno energijo je večja. To pomeni, da črna luknja izgubi energijo in maso – izhlapi. Poleg tega seva kot popolnoma črno telo s temperaturo T = 6 . 10 -8 M z / M kelvini, kje M c - masa Sonca (2,10 33 g), M- masa črne luknje. Ta preprosta povezava kaže, da je temperatura črne luknje z maso, ki je šestkrat večja od sončne, enaka stomilijontki stopinje. Jasno je, da tako hladno telo ne oddaja praktično nič in vsa zgornja razmišljanja ostajajo veljavna. Mini luknje so druga stvar. Preprosto je videti, da so z maso 10 14 -10 30 gramov segreti na več deset tisoč stopinj in razbeljeni! Vendar je treba takoj opozoriti, da z lastnostmi črnih lukenj ni nobenih protislovij: to sevanje oddaja plast nad Schwarzschildovo kroglo in ne pod njo.

Torej črna luknja, ki se je zdela večno zamrznjen predmet, prej ali slej izgine in izhlapi. Še več, ko »hujša«, se stopnja izhlapevanja poveča, vendar še vedno traja izjemno dolgo. Ocenjuje se, da bi morale mini luknje s težo 10 14 gramov, ki so se pojavile takoj po velikem poku pred 10-15 milijardami let, do našega časa popolnoma izhlapeti. Na zadnji stopnji življenja njihova temperatura doseže kolosalne vrednosti, zato morajo biti produkti izhlapevanja delci izjemno visoke energije. Morda prav oni ustvarjajo razširjene zračne plohe v Zemljinem ozračju – EAS. Vsekakor je izvor delcev nenormalno visoke energije še en pomemben in zanimiv problem, ki ga lahko tesno povežemo z nič manj vznemirljivimi vprašanji fizike črnih lukenj.

Pojem črne luknje poznajo vsi – od šolarjev do starejših; uporablja se v znanstveni in fantastični literaturi, v rumenih medijih in na znanstvenih konferencah. Toda kaj točno so takšne luknje, ni znano vsem.

Iz zgodovine črnih lukenj

1783 Prvo hipotezo o obstoju takšnega pojava, kot je črna luknja, je leta 1783 predstavil angleški znanstvenik John Michell. V svoji teoriji je združil dve Newtonovi stvaritvi – optiko in mehaniko. Michellova zamisel je bila naslednja: če je svetloba tok drobnih delcev, potem morajo, tako kot vsa druga telesa, delci izkusiti privlačnost gravitacijskega polja. Izkazalo se je, da bolj ko je zvezda masivna, težje se svetloba upre njeni privlačnosti. 13 let za Michellom je francoski astronom in matematik Laplace predstavil (najverjetneje neodvisno od britanskega kolega) podobno teorijo.

1915 Vendar so vsa njihova dela ostala nepreklicana do začetka 20. stoletja. Leta 1915 je Albert Einstein objavil Splošno teorijo relativnosti in pokazal, da je gravitacija ukrivljenost prostora-časa, ki jo povzroča snov, nekaj mesecev kasneje pa je nemški astronom in teoretični fizik Karl Schwarzschild z njo rešil določen astronomski problem. Raziskoval je strukturo ukrivljenega prostora-časa okoli Sonca in ponovno odkril pojav črnih lukenj.

(John Wheeler je skoval izraz "črne luknje")

1967 Ameriški fizik John Wheeler je orisal prostor, ki ga je mogoče kot kos papirja zmečkati v neskončno majhno točko in ga označil z izrazom »črna luknja«.

1974 Britanski fizik Stephen Hawking je dokazal, da lahko črne luknje, čeprav absorbirajo materijo brez povratka, oddajajo sevanje in na koncu izhlapijo. Ta pojav se imenuje "Hawkingovo sevanje".

2013 Najnovejša raziskava pulsarjev in kvazarjev ter odkritje kozmičnega mikrovalovnega sevanja ozadja je končno omogočilo opis samega koncepta črnih lukenj. Leta 2013 se je plinski oblak G2 zelo približal črni luknji in ga bo najverjetneje absorbirala, opazovanje edinstvenega procesa pa ponuja ogromno možnosti za nova odkritja značilnosti črnih lukenj.

(Ogromen objekt Strelec A*, njegova masa je 4 milijonkrat večja od Sonca, kar pomeni kopico zvezd in nastanek črne luknje)

2017. Skupina znanstvenikov iz večdržavnega sodelovanja Event Horizon Telescope je povezala osem teleskopov z različne točke celinah Zemlje, opravila opazovanja črne luknje, ki je supermasiven objekt in se nahaja v galaksiji M87, ozvezdje Devica. Masa objekta je 6,5 milijarde (!) Sončevih mas, gigantsko večja od masivnega objekta Strelec A*, za primerjavo, s premerom, ki je nekoliko manjši od razdalje od Sonca do Plutona.

Opazovanja so potekala v več fazah, od pomladi 2017 in skozi vsa obdobja 2018. Količina informacij je znašala petabajtov, nato pa jih je bilo treba dešifrirati in pridobiti pristno sliko ultra oddaljenega objekta. Zato je trajalo še celi dve leti, da so vse podatke temeljito obdelali in združili v eno celoto.

2019 Podatki so bili uspešno dešifrirani in prikazani, tako da je nastala prva slika črne luknje.

(Prva slika črne luknje v galaksiji M87 v ozvezdju Device)

Ločljivost slike vam omogoča, da vidite senco točke nepovrata v središču predmeta. Slika je bila pridobljena kot rezultat ultra dolgih osnovnih interferometričnih opazovanj. Gre za tako imenovana sinhrona opazovanja enega objekta z več radijskimi teleskopi, ki so med seboj povezani v mrežo in se nahajajo v različne dele globus, usmerjen v eno smer.

Kaj pravzaprav so črne luknje

Lakonična razlaga pojava gre takole.

Črna luknja je prostor-časovno območje, katerega gravitacijska privlačnost je tako močna, da ga noben predmet, vključno s svetlobnimi kvanti, ne more zapustiti.

Črna luknja je bila nekoč ogromna zvezda. Medtem ko se v njegovih globinah ohranjajo termonuklearne reakcije visok pritisk, vse ostaja normalno. Toda sčasoma se zaloga energije izčrpa in nebesno telo se pod vplivom lastne gravitacije začne krčiti. Zadnja stopnja tega procesa je sesedanje zvezdnega jedra in nastanek črne luknje.

• 1. Črna luknja z veliko hitrostjo izvrže curek


• 2. Disk snovi zraste v črno luknjo


• 3. Črna luknja


• 4. Podroben diagram območja črne luknje


• 5. Velikost najdenih novih opazovanj

Najpogostejša teorija je, da podobni pojavi obstajajo v vsaki galaksiji, vključno s središčem naše. mlečna cesta. Ogromna gravitacijska sila luknje lahko okoli sebe zadrži več galaksij in jim prepreči, da bi se oddaljile druga od druge. "Območje pokritosti" je lahko različno, vse je odvisno od mase zvezde, ki se je spremenila v črno luknjo, in je lahko na tisoče svetlobnih let.

Schwarzschildov radij

Glavna lastnost črne luknje je, da se nobena snov, ki pade vanjo, ne more več vrniti. Enako velja za svetlobo. V svojem bistvu so luknje telesa, ki popolnoma absorbirajo vso svetlobo, ki pada nanje, in ne oddajajo nobene svoje. Takšni predmeti se lahko vizualno zdijo kot strdki popolne teme.

• 1. Gibanje snovi s polovično hitrostjo svetlobe


• 2. Fotonski obroč


• 3. Notranji fotonski obroč


• 4. Horizont dogodkov v črni luknji

Na podlagi Einsteinove splošne teorije relativnosti, če se telo približa kritični razdalji do središča luknje, se ne bo več moglo vrniti. Ta razdalja se imenuje Schwarzschildov radij. Kaj točno se zgodi znotraj tega radija, ni zagotovo znano, vendar obstaja najpogostejša teorija. Menijo, da je vsa snov črne luknje skoncentrirana v neskončno majhni točki, v njenem središču pa je objekt z neskončno gostoto, kar znanstveniki imenujejo singularna motnja.

Kako pride do padca v črno luknjo?

(Na sliki je črna luknja Strelec A* videti kot izjemno svetel grozd svetlobe)

Ne tako dolgo nazaj, leta 2011, so znanstveniki odkrili plinski oblak, ki so mu dali preprosto ime G2, ki oddaja nenavadno svetlobo. Ta sij je lahko posledica trenja v plinu in prahu, ki ga povzroča črna luknja Strelec A*, ki kroži okoli nje kot akrecijski disk. Tako postanemo opazovalci neverjetnega pojava absorpcije plinskega oblaka s supermasivno črno luknjo.

Glede na nedavne študije se bo črna luknja čim bolj približala marca 2014. Poustvarimo lahko sliko o tem, kako bo potekal ta vznemirljivi spektakel.

• 1. Ko se plinski oblak prvič pojavi v podatkih, je podoben ogromni krogli plina in prahu.


• 2. Zdaj, junija 2013, je oblak od črne luknje oddaljen več deset milijard kilometrov. Vanjo pade s hitrostjo 2500 km/s.


• 3. Pričakuje se, da bo oblak šel mimo črne luknje, vendar bodo plimske sile, ki jih povzroči razlika v gravitaciji, ki deluje na sprednji in zadnji rob oblaka, povzročile, da bo ta dobival vse bolj podolgovato obliko.


• 4. Ko se oblak raztrga, bo večina najverjetneje stekla v akrecijski disk okoli strelca A* in v njem ustvarila udarne valove. Temperatura bo poskočila na nekaj milijonov stopinj.


• 5. Del oblaka bo padel neposredno v črno luknjo. Nihče ne ve natančno, kaj se bo s to snovjo zgodilo naprej, vendar se pričakuje, da bo med padcem oddajala močne tokove rentgenskih žarkov in je nikoli več ne bodo videli.

Video: črna luknja pogoltne plinski oblak

(Računalniška simulacija tega, koliko plinskega oblaka G2 bi uničila in porabila črna luknja Sagittarius A*)

Kaj je v črni luknji

Obstaja teorija, ki pravi, da je črna luknja v notranjosti praktično prazna, vsa njena masa pa je skoncentrirana v neverjetno majhni točki, ki se nahaja v njenem samem središču – singularnosti.

Po drugi teoriji, ki obstaja že pol stoletja, vse, kar pade v črno luknjo, preide v drugo vesolje, ki se nahaja v sami črni luknji. Zdaj ta teorija ni glavna.

In obstaja še tretja, najbolj sodobna in trdovratna teorija, po kateri se vse, kar pade v črno luknjo, raztopi v nihanjih strun na njeni površini, ki jo označujemo kot obzorje dogodkov.

Kaj je torej obzorje dogodkov? V notranjost črne luknje je nemogoče pogledati tudi s super zmogljivim teleskopom, saj tudi svetloba, ki vstopi v velikanski vesoljski lijak, nima možnosti, da bi se vrnila nazaj. Vse, kar je mogoče vsaj nekako upoštevati, se nahaja v njegovi neposredni bližini.

Horizont dogodkov je običajna površinska črta, izpod katere ne more uiti nič (ne plin, ne prah, ne zvezde, ne svetloba). In to je zelo skrivnostna točka brez vrnitve v črnih luknjah vesolja.

Gradivo so pripravili uredniki InoSMI posebej za rubriko RIA Science >>

Michael Finkel

Zavrtimo uro nazaj. Pred človekom, preden je Zemlja, preden je Sonce vžgalo, preden so se rodile galaksije, preden je zasijala svetloba, je prišlo do "velikega poka". To se je zgodilo pred 13,8 milijarde let.

Toda kaj se je zgodilo pred tem? Mnogi fiziki pravijo, da "pred tem" ne obstaja. Trdijo, da se je čas začel šteti v trenutku "velikega poka", saj menijo, da vse, kar je prej obstajalo, ni vključeno v obseg znanosti. Nikoli ne bomo razumeli, kakšna je bila resničnost pred velikim pokom, iz česa je nastala in zakaj je nastalo naše vesolje. Takšne ideje presegajo človeško razumevanje.

Toda nekateri nekonvencionalni znanstveniki se s tem ne strinjajo. Ti fiziki teoretizirajo, da je bila nekaj trenutkov pred »velikim pokom« celotna masa in energija nastajajočega vesolja stisnjena v eno neverjetno gosto, a končno zrno. Recimo temu seme novega vesolja.

Menijo, da je bilo seme nepredstavljivo majhno, morda trilijone-krat manjše od katerega koli delca, ki bi ga lahko opazovali ljudje. In vendar je ta delec dal zagon vsem drugim delcem, da ne omenjam galaksij, solarni sistem, planeti in ljudje.

Če res želite nekaj imenovati božji delček, potem je to seme popolno za to ime.

Kako je torej nastalo to seme? Eno idejo je pred nekaj leti predstavil Nikodem Poplawski, ki dela na Univerzi v New Havenu. To je, da je bilo seme našega vesolja skovano v prvobitni peči, ki je zanj postala črna luknja.

Množenje multiverzumov

Preden nadaljujemo, je pomembno razumeti, da so v zadnjih dvajsetih letih številni teoretični fiziki postali prepričani, da naše vesolje ni edino. Morda smo del multiverzuma, ki predstavlja ogromno število posameznih vesolj, od katerih je vsako žareča krogla na pravem nočnem nebu.

Obstaja veliko polemik o tem, kako je eno vesolje povezano z drugim in ali taka povezava sploh obstaja. Toda vsi ti spori so zgolj špekulativni in resnice ni mogoče dokazati. Toda ena privlačna ideja je, da je seme vesolja kot seme rastline. To je košček bistvene snovi, tesno stisnjen in skrit v zaščitni lupini.

To natančno pojasnjuje, kaj se dogaja v črni luknji. Črne luknje so trupla velikanskih zvezd. Ko takšni zvezdi zmanjka goriva, se njeno jedro zruši. Sila težnosti vleče vse skupaj z neverjetno in vedno večjo silo. Temperature dosežejo 100 milijard stopinj. Atomi se sesedajo. Elektroni so raztrgani na koščke. In potem se ta masa še bolj zmanjša.

Na tej točki se zvezda spremeni v črno luknjo. To pomeni, da je njegova privlačnost tako ogromna, da ji ne more uiti niti žarek svetlobe. Meja med notranjostjo in zunanjostjo črne luknje se imenuje obzorje dogodkov. V središču skoraj vsake galaksije, vključno z našo Rimsko cesto, znanstveniki odkrivajo gromozanske črne luknje, ki so nekaj milijonkrat masivnejše od našega Sonca.

Vprašanja brez dna

Če uporabite Einsteinovo teorijo, da ugotovite, kaj se dogaja na dnu črne luknje, lahko izračunate točko, ki je neskončno gosta in neskončno majhna. Ta hipotetični koncept se imenuje singularnost. Toda v naravi neskončnosti običajno ne obstajajo. Težava je v Einsteinovih teorijah, ki zagotavljajo odlične izračune za večji del vesolja, vendar razpadejo pred neverjetnimi silami, kot so tiste znotraj črne luknje ali tiste, ki so prisotne ob rojstvu vesolja.

Fiziki, kot je dr. Poplavsky, pravijo, da snov znotraj črne luknje dejansko pride do točke, ko je ni več mogoče stisniti. To "seme" je neverjetno majhno in tehta toliko kot milijarda zvezd. Toda za razliko od singularnosti je povsem resničen.

Po Poplavskem se proces stiskanja ustavi, ker se črne luknje vrtijo. Vrtijo se zelo hitro, morda dosežejo svetlobno hitrost. In ta torzija daje stisnjenemu semenu neverjetno aksialno vrtenje. Seme ni samo majhno in težko; tudi zvit in stisnjen je, kakor vzmet tistega hudiča v njuhalici.

Z drugimi besedami, povsem možno je, da je črna luknja tunel, »enosmerna vrata« med dvema vesoljema, pravi Poplavsky. To pomeni, da če padeš v črno luknjo v središču Mlečne ceste, potem je povsem možno, da boš končal v drugem vesolju (no, če ne ti, potem pa tvoja zmečkanost drobni delci telo). To drugo vesolje ni v našem; luknja je preprosto vezni člen, kot skupna korenina, iz katere rasteta dve trepetliki.

Kaj pa vsi mi, v našem lastnem vesolju? Morda smo produkt drugega, starejšega vesolja. Recimo temu naše pravo vesolje. To seme, ki ga je matično vesolje skovalo v črni luknji, je morda močno odskočilo pred 13,8 milijardami let, in čeprav se naše vesolje od takrat hitro širi, smo morda še vedno zunaj obzorja dogodkov črne luknje.