Sort hul plads objekt til børn. Akademiet for Underholdende Videnskaber

> Sorte huller

Hvad er der sket sort hul– forklaring til børn: beskrivelse med fotos, hvordan man finder universet i rummet, hvordan stjerner opstår, døden, supermassive sorte huller i galakser.

Til de små forældre eller I skole skal forklare, hvad man skal opfatte et sort hul som tomt sted- en alvorlig fejl. Tværtimod er en utrolig mængde stof koncentreret i den, som er indespærret i et lille rum. Til forklaring til børn var mere farverig, forestil dig bare, hvis du tog en stjerne 10 gange mere massiv end Solen og prøvede at presse den ind i et område på størrelse med New York City. På grund af dette tryk bliver gravitationsfeltet så stærkt, at ingen, ikke engang en lysstråle, kan undslippe. Med udviklingen af ​​teknologi er NASA i stand til at lære mere og mere om disse mystiske objekter.

Begynde forklaring til børn Dette er muligt, fordi udtrykket "sort hul" ikke eksisterede før 1967 (introduceret af John Wheeler). Men før dette blev det i flere århundreder nævnt om eksistensen af ​​mærkelige genstande, der på grund af deres tæthed og massivitet ikke frigiver lys. De blev endda forudsagt af Albert Einstein i generel teori relativitet. Hun beviste, at når en massiv stjerne dør, er der en lille tæt kerne tilbage. Hvis en stjerne er tre gange solens masse, så overvinder tyngdekraften andre kræfter, og vi får et sort hul.

Selvfølgelig er det vigtigt forklare børnene at forskere fratages muligheden for at observere disse træk direkte (teleskoper finder kun lys røntgenstråling og andre former for elektromagnetisk stråling), så der er ingen grund til at vente på et foto af et sort hul. Men det er muligt at beregne deres placering og endda bestemme deres størrelse på grund af den indflydelse, de har på omgivende genstande. For eksempel hvis den passerer gennem en sky interstellart stof, så vil det i processen begynde at trække stof indad - tilvækst. Det samme vil ske, hvis en stjerne passerer i nærheden. Sandt nok kan en stjerne eksplodere.

I tiltrækningsøjeblikket opvarmes stoffet og accelererer og frigiver det ud i rummet Røntgenstråler. Nylige opdagelser har set flere kraftige udbrud af gammastråler, der viser, at hullet fortærer nærliggende stjerner. I dette øjeblik stimulerer de væksten af ​​nogle og stopper andre.

En stjernes død er begyndelsen på et sort hul

De fleste sorte huller opstår fra restmateriale fra døende store stjerner (supernovaeksplosioner). Mindre stjerner bliver tætte neutronstjerner, som mangler massiviteten til at fange lys. Hvis en stjernes masse er 3 gange større end Solens, bliver den en kandidat til et sort hul. Vigtig forklare børnene en særhed. Når en stjerne kollapser, nærmer dens overflade sig en imaginær overflade (hændelseshorisont). Tiden på selve stjernen bliver langsommere end observatørens. Når overfladen når begivenhedshorisonten, fryser tiden, og stjernen kan ikke længere kollapse - et frosset, sammenfaldende objekt.

Større sorte huller kan opstå efter en stjernekollision. Efter opsendelsen i december 2004 var NASA-teleskopet i stand til at registrere stærke, flygtige lysglimt - gammastråler. Chandra og Hubble indsamlede derefter data om begivenheden og indså, at disse flares kunne være resultatet af en kollision mellem et sort hul og en neutronstjerne, som skaber et nyt sort hul.

Selvom i gang med uddannelse børn Og forældre Vi har allerede fundet ud af det, men én ting forbliver et mysterium. Hullerne synes at eksistere i to forskellige skalaer. Der er mange sorte huller - resterne af massive stjerner. Typisk er de 10-24 gange mere massive end Solen. Forskere ser dem konstant, hvis en fremmed stjerne kommer kritisk tæt på. Men de fleste sorte huller eksisterer isoleret og kan simpelthen ikke ses. Men at dømme efter antallet af stjerner, der er store nok til at være sorte hul-kandidater, må der være titusindvis af millioner af milliarder af sådanne sorte huller i Mælkevejen.

Der er også supermassive sorte huller, som er en million eller endda en milliard gange større end vores sol. Det menes, at sådanne monstre lever i centrum af næsten alle store galakser(og i vores).

Til de små det bliver interessant at vide i lang tid Forskere mente, at der ikke var nogen gennemsnitlig størrelse for sorte huller. Men data fra Chandra, XMM-Newton og Hubble viser, at de er der.

Måske opstår supermassive sorte huller pga kædereaktion forårsaget af kollision af stjerner i kompakte hobe. På grund af dette akkumuleres en masse massive stjerner, som kollapser og producerer sorte huller. Disse klynger indtager derefter det galaktiske centrum, hvor de sorte huller smelter sammen og bliver et supermassivt medlem.

Du forstår måske allerede, at du ikke vil være i stand til at beundre det sorte hul i høj kvalitet online, fordi disse genstande ikke frigiver lys. Men børn vil være interesserede i at studere fotografier og diagrammer skabt baseret på kontakten mellem sorte huller og almindeligt stof.

Rumobjekter

Hvad er sorte huller?

Børn, tror du, du nogensinde kunne se effekten af ​​et vakuum i dit værelse? Når du gør noget, skal du være opmærksom på, fordi du kan se, at snavs og krummer begynder at bevæge sig mod støvsugeren. Et sort hul er som en støvsuger, men kun i rummet. Det er dog ikke det kraftige sug, der får ting til at falde ned i det sorte hul. Suget vil ikke være stærkt nok. I stedet bruger det sorte hul tyngdekraften til at trække alt omkring sig ind.

Hvordan dannes sorte huller? Forklaring til børn

Hvornår store stjerner løber tør for brændstof, kan hun ikke længere bære sin vægt. Tryk fra massive lag af brint får stjernen til at skrumpe mindre og mindre. Til sidst vil stjernen blive mindre end et atom. Forestil dig, børn, et øjeblik, at hele stjernen vil blive knust til et punkt, der er mindre end et atom.

Hvordan kan noget være mindre, men beholde den samme mængde masse?

Faktisk er alt meget enkelt. Tag en svamp på størrelse med en flaske, du kan nemt knuse den i dine hænder. Men her interessant pointe. Hvis du gør noget mindre ved at klemme den, bliver dens tyngdekraft stærkere. Forestil dig børn, hvis du komprimerer en stjerne til størrelsen af ​​et atom, hvor kraftig bliver dens tyngdekraft?

Tyngdekraften af ​​et sort hul er så kraftig, at det absorberer alt, selv lys, der passerer for tæt på. Det er rigtigt, ikke engang lys kan undslippe et sort hul.

Strukturen af ​​et sort hul. Astronomi for børn

Sorte huller består af tre hoveddele. Det ydre lag af et sort hul kaldes den ydre begivenhedshorisont. Inde i den ydre begivenhedshorisont kan du stadig undslippe det sorte huls tyngdekraft, fordi tyngdekraften ikke er så stærk der. Det midterste lag af et sort hul kaldes den indre begivenhedshorisont. Hvis du ikke undslap det sorte huls tyngdekraft, før du trådte ind i den indre begivenhedshorisont, så gik I børn glip af jeres chance. Tyngdekraften i dette lag er meget stærkere og slipper ikke de genstande, den griber. På dette tidspunkt begynder du at falde mod midten af ​​det sorte hul. Centrum af et sort hul kaldes Singulariteten. Dette mærkelige ord betyder en knust stjerne. Singulariteten er det sted, hvor det sorte huls tyngdekraft er stærkest.

Hvordan kan du komme ind i et sort hul?

Tænk på Jorden. Hvis du kommer for tæt på Jorden, løber du ind i dens tyngdekraft. På Jorden kunne du igen flyve ud i rummet på en raket. Men falder I ned i et sort hul, så har I børn ingen mulighed for at komme ud, da tyngdekraften er meget stærk.

På grund af den relativt nylige vækst i interessen for skabelsen af ​​populærvidenskabelige film om emnet rumudforskning, har moderne seere hørt meget om sådanne fænomener som singulariteten eller det sorte hul. Men film afslører åbenbart ikke den fulde natur af disse fænomener, og nogle gange forvrænger de endda det konstruerede videnskabelige teorier for større effektivitet. Af denne grund, repræsentationen af ​​mange moderne mennesker O disse fænomener enten helt overfladisk eller helt forkert. En af løsningerne på dette problem er denne artikel, hvor vi vil forsøge at forstå eksisterende resultater forskning og svar på spørgsmålet - hvad er et sort hul?

I 1784 nævnte den engelske præst og naturforsker John Michell første gang i et brev Royal Society et hypotetisk massivt legeme, der har så stærk en tyngdekrafttiltrækning, at den anden kosmiske hastighed for det vil overstige lysets hastighed. Flugthastighed er den hastighed, som et relativt lille objekt skal bruge for at overvinde sin tyngdekraft. himmellegeme og gå ud over det lukkede kredsløb omkring denne krop. Ifølge hans beregninger vil et legeme med Solens tæthed og en radius på 500 solradier have et sekund flugthastighed lig med hastigheden Sveta. I dette tilfælde vil selv lys ikke forlade overfladen af ​​en sådan krop, og derfor givet krop vil kun absorbere det indkommende lys og vil forblive usynlig for iagttageren - en slags sort plet mod baggrunden af ​​det mørke rum.

Michells koncept om en supermassiv krop tiltrak imidlertid ikke megen interesse, før Einsteins arbejde. Lad os huske på, at sidstnævnte definerede lysets hastighed som den maksimale hastighed for informationsoverførsel. Derudover udvidede Einstein teorien om tyngdekraften til hastigheder tæt på lysets hastighed (). Som følge heraf var det ikke længere relevant at anvende Newtonsk teori på sorte huller.

Einsteins ligning

Som et resultat af at anvende generel relativitet til sorte huller og løse Einsteins ligninger, blev hovedparametrene for et sort hul identificeret, hvoraf der kun er tre: masse, elektrisk ladning og vinkelmomentum. Det skal bemærkes det betydelige bidrag fra den indiske astrofysiker Subramanian Chandrasekhar, som skabte en grundlæggende monografi: " Matematisk teori sorte huller."

Således er løsningen på Einsteins ligninger repræsenteret af fire muligheder for fire mulige typer sorte huller:

• BH uden rotation og uden ladning – Schwarzschild-løsning. En af de første beskrivelser af et sort hul (1916) ved hjælp af Einsteins ligninger, men uden at tage højde for to af kroppens tre parametre. Løsning tysk fysiker Karl Schwarzschild giver en mulighed for at beregne det ydre gravitationsfelt af et sfærisk massivt legeme. Det særlige ved begrebet sorte huller hos den tyske videnskabsmand er tilstedeværelsen af ​​en begivenhedshorisont og gemmer sig bag den. Schwarzschild var også den første til at beregne gravitationsradius, som fik hans navn, som bestemmer radius af den kugle, hvor begivenhedshorisonten ville være placeret for et legeme med en given masse.
• BH uden rotation med ladning – Reisner-Nordström løsning. En løsning fremsat i 1916-1918, der tager højde for den mulige elektriske ladning af et sort hul. Denne ladning kan ikke være vilkårligt stor og er begrænset på grund af den resulterende elektriske frastødning. Sidstnævnte skal kompenseres af gravitationel tiltrækning.
• BH med rotation og uden ladning - Kerrs løsning (1963). Et roterende Kerr-sort hul adskiller sig fra et statisk ved tilstedeværelsen af ​​en såkaldt ergosfære (læs mere om dette og andre komponenter i et sort hul).
• BH med rotation og ladning - Kerr-Newman løsning. denne beslutning blev opgjort i 1965 og kl dette øjeblik er den mest komplette, da den tager højde for alle tre parametre i det sorte hul. Det antages dog stadig, at sorte huller i naturen har en ubetydelig ladning.

Dannelse af sort hul

Der er flere teorier om, hvordan et sort hul dannes og fremstår, hvoraf den mest berømte er, at det opstår som følge af gravitationssammenbrud af en stjerne med tilstrækkelig masse. En sådan kompression kan afslutte udviklingen af ​​stjerner med en masse på mere end tre solmasser. Efterbehandling termo nukleare reaktioner inde i sådanne stjerner begynder de hurtigt at komprimeres til supertætte. Hvis gastrykket i en neutronstjerne ikke kan kompensere for gravitationskræfter, det vil sige, at stjernens masse overvinder den såkaldte. Oppenheimer-Volkoff-grænsen, så fortsætter kollapset, hvilket resulterer i, at stof bliver komprimeret til et sort hul.

Det andet scenarie, der beskriver fødslen af ​​et sort hul, er komprimeringen af ​​protogalctic gas, det vil sige interstellar gas på transformationsstadiet til en galakse eller en slags klynge. Hvis der ikke er tilstrækkeligt indre tryk til at kompensere for de samme gravitationskræfter, kan der opstå et sort hul.

To andre scenarier forbliver hypotetiske:

• Forekomsten af ​​et sort hul som følge af den såkaldte oprindelige sorte huller.
• Forekomst som følge af nukleare reaktioner, der forekommer under høje energier. Et eksempel på sådanne reaktioner er eksperimenter med kollidere.

Struktur og fysik af sorte huller

Strukturen af ​​et sort hul ifølge Schwarzschild omfatter kun to elementer, der blev nævnt tidligere: singulariteten og begivenhedshorisonten for det sorte hul. Kort fortalt om singulariteten, kan det bemærkes, at det er umuligt at trække en lige linje igennem den, og også at inden for den er det meste af de eksisterende fysiske teorier virker ikke. Således forbliver singularitetens fysik et mysterium for videnskabsmænd i dag. sort hul er en vis grænse, der krydser, fysisk genstand mister muligheden for at vende tilbage ud over sine grænser og vil helt sikkert "falde" ind i det sorte huls singularitet.

Strukturen af ​​et sort hul bliver noget mere kompliceret i tilfælde af Kerr-løsningen, nemlig ved tilstedeværelse af rotation af det sorte hul. Kerrs løsning antager, at hullet har en ergosfære. Ergosfæren er en bestemt region placeret uden for begivenhedshorisonten, inden for hvilken alle kroppe bevæger sig i det sorte huls rotationsretning. Dette område er endnu ikke spændende, og det er muligt at forlade det, i modsætning til begivenhedshorisonten. Ergosfæren er sandsynligvis en slags analog til en tilvækstskive, der repræsenterer roterende stof omkring massive legemer. Hvis et statisk Schwarzschild sort hul er repræsenteret som en sort kugle, så har Kerry sorte hul, på grund af tilstedeværelsen af ​​en ergosfære, form som en oblate ellipsoide, i form af hvilken vi ofte så sorte huller i tegninger, i gamle film eller videospil.

• Hvor meget vejer et sort hul? - Den største teoretisk materiale på fremkomsten af ​​et sort hul er tilgængelig for scenariet for dets udseende som et resultat af sammenbruddet af en stjerne. I dette tilfælde bestemmes den maksimale masse af en neutronstjerne og minimumsmassen af ​​et sort hul af Oppenheimer - Volkoff-grænsen, ifølge hvilken den nedre grænse for massen af ​​et sort hul er 2,5 - 3 solmasser. Det tungeste sorte hul, der er blevet opdaget (i galaksen NGC 4889) har en masse på 21 milliarder solmasser. Vi bør dog ikke glemme sorte huller, der hypotetisk opstår som følge af nukleare reaktioner ved høje energier, såsom dem ved kolliderer. Massen af ​​sådanne kvante sorte huller, med andre ord "Planck sorte huller," er af størrelsesordenen, nemlig 2·10−5 g.
• Sort hul størrelse. Minimumsradius for et sort hul kan beregnes ud fra minimumsmassen (2,5 – 3 solmasser). Hvis Solens gravitationsradius, det vil sige området, hvor begivenhedshorisonten ville være placeret, er omkring 2,95 km, så vil minimumsradius for et sort hul på 3 solmasser være omkring ni kilometer. Sådanne relativt små størrelser er svære at forstå hvornår vi taler om om massive genstande, der tiltrækker alt omkring sig. For kvantesorte huller er radius dog 10 −35 m.
• Den gennemsnitlige tæthed af et sort hul afhænger af to parametre: masse og radius. Tætheden af ​​et sort hul med en masse på omkring tre solmasser er omkring 6 10 26 kg/m³, mens densiteten af ​​vand er 1000 kg/m³. Sådanne små sorte huller er dog ikke blevet fundet af videnskabsmænd. De fleste påviste sorte huller har masser større end 10 5 solmasser. Der er et interessant mønster, ifølge hvilket jo mere massivt det sorte hul er, jo lavere er dets tæthed. I dette tilfælde medfører en ændring i massen med 11 størrelsesordener en ændring i tætheden med 22 størrelsesordener. Således har et sort hul med en masse på 1·10 9 solmasser en tæthed på 18,5 kg/m³, hvilket er pr. mindre tæthed guld. Og sorte huller med en masse på mere end 10 10 solmasser kan have gennemsnitlig tæthed mindre lufttæthed. Baseret på disse beregninger er det logisk at antage, at dannelsen af ​​et sort hul ikke sker på grund af komprimering af stof, men som følge af akkumulering af en stor mængde stof i et bestemt volumen. I tilfælde af kvantesorte huller kan deres tæthed være omkring 10 94 kg/m³.
• Temperaturen af ​​et sort hul afhænger også omvendt af dets masse. Denne temperatur er direkte relateret til. Spektret af denne stråling falder sammen med spektret af et absolut sort legeme, det vil sige et legeme, der absorberer al indfaldende stråling. Strålingsspektret for et absolut sort legeme afhænger kun af dets temperatur, så kan temperaturen af ​​det sorte hul bestemmes ud fra Hawking-strålingsspektret. Som nævnt ovenfor er denne stråling kraftigere, jo mindre det sorte hul er. Samtidig forbliver Hawking-stråling hypotetisk, da den endnu ikke er blevet observeret af astronomer. Det følger heraf, at hvis der findes Hawking-stråling, så er temperaturen i de observerede sorte huller så lav, at den ikke tillader denne stråling at blive opdaget. Ifølge beregninger er selv temperaturen i et hul med en masse i størrelsesordenen af ​​Solens masse ubetydeligt lille (1·10 -7 K eller -272 °C). Temperaturen af ​​kvantesorte huller kan nå op på omkring 10 12 K, og med deres hurtige fordampning (ca. 1,5 minutter) kan sådanne sorte huller udsende energi i størrelsesordenen ti mio. atombomber. Men heldigvis ville det kræve energi 10 14 gange at skabe sådanne hypotetiske objekter mere end det, som blev opnået i dag ved Large Hadron Collider. Derudover er sådanne fænomener aldrig blevet observeret af astronomer.

Hvad består et sort hul af?

Et andet spørgsmål bekymrer både videnskabsmænd og dem, der blot er interesserede i astrofysik - hvad består et sort hul af? Der er ikke noget klart svar på dette spørgsmål, da det ikke er muligt at se ud over begivenhedshorisonten omkring noget sort hul. Derudover sørger teoretiske modeller for et sort hul som tidligere nævnt kun for 3 af dets komponenter: Ergosfæren, begivenhedshorisonten og singulariteten. Det er logisk at antage, at der i ergosfæren kun er de genstande, der blev tiltrukket af det sorte hul, og som nu kredser omkring det - forskellige slags kosmiske legemer og kosmisk gas. Begivenhedshorisonten er kun en tynd implicit grænse, én gang ud over hvilken de samme kosmiske kroppe uigenkaldeligt tiltrækkes mod den sidste hovedkomponent i det sorte hul - singulariteten. Arten af ​​singulariteten er ikke blevet undersøgt i dag, og det er for tidligt at tale om dens sammensætning.

Ifølge nogle antagelser kan et sort hul bestå af neutroner. Hvis vi følger scenariet for forekomsten af ​​et sort hul som følge af komprimeringen af ​​en stjerne til en neutronstjerne med dens efterfølgende komprimering, så består hovedparten af ​​det sorte hul sandsynligvis af neutroner, hvoraf selve det sorte hul består neutronstjerne. Med enkle ord: Når en stjerne kollapser, komprimeres dens atomer på en sådan måde, at elektroner kombineres med protoner og derved danner neutroner. En lignende reaktion opstår faktisk i naturen, og med dannelsen af ​​en neutron opstår neutrinostråling. Dette er dog blot antagelser.

Hvad sker der, hvis du falder ned i et sort hul?

At falde ned i et astrofysisk sort hul får kroppen til at strække sig. Overvej en hypotetisk selvmordskosmonaut, der går ind i et sort hul kun iført en rumdragt med fødderne først. Ved at krydse begivenhedshorisonten vil astronauten ikke bemærke nogen ændringer, på trods af at han ikke længere har mulighed for at komme tilbage. På et tidspunkt vil astronauten nå et punkt (lidt bag begivenhedshorisonten), hvor deformation af hans krop vil begynde at forekomme. Da gravitationsfeltet i et sort hul er uensartet og repræsenteres af en kraftgradient, der stiger mod midten, vil astronautens ben være udsat for en mærkbart større gravitationspåvirkning end for eksempel hovedet. Så på grund af tyngdekraften, eller rettere tidevandskræfter, vil benene "falde" hurtigere. Således begynder kroppen gradvist at forlænges i længden. Til beskrivelse lignende fænomen astrofysikere har fundet på et ret kreativt udtryk - spaghettificering. Yderligere strækning af kroppen vil sandsynligvis nedbryde den til atomer, som før eller siden vil nå en singularitet. Man kan kun gætte, hvordan en person vil føle sig i denne situation. Det er værd at bemærke, at effekten af ​​at strække en krop er omvendt proportional med massen af ​​det sorte hul. Det vil sige, at hvis et sort hul med massen af ​​tre sole øjeblikkeligt strækker/river kroppen, så vil det supermassive sorte hul have lavere tidevandskræfter, og der er antagelser om, at nogle fysiske materialer kunne "tolerere" en sådan deformation uden at miste deres struktur.

Som du ved, flyder tiden langsommere i nærheden af ​​massive genstande, hvilket betyder, at tiden for en selvmordsbomber-astronaut vil flyde meget langsommere end for jordboere. I dette tilfælde vil han måske overleve ikke kun sine venner, men også jorden selv. For at bestemme, hvor meget tid der vil bremse for en astronaut, vil der kræves beregninger, men ud fra ovenstående kan det antages, at astronauten vil falde ned i det sorte hul meget langsomt og måske simpelthen ikke vil leve for at se det øjeblik, hvor hans kroppen begynder at deformeres.

Det er bemærkelsesværdigt, at for en iagttager udefra vil alle kroppe, der flyver op til begivenhedshorisonten, forblive ved kanten af ​​denne horisont, indtil deres billede forsvinder. Årsagen til dette fænomen er gravitationel rødforskydning. Noget forenklet kan vi sige, at lyset, der falder på kroppen af ​​en selvmordskosmonaut "frosset" ved begivenhedshorisonten, vil ændre sin frekvens på grund af dens langsommere tid. Fordi tiden løber langsommere, vil frekvensen af ​​lys falde, og bølgelængden vil stige. Som et resultat af dette fænomen, ved udgangen, det vil sige for en ekstern observatør, vil lyset gradvist skifte mod lav frekvens - rødt. Et lysskifte langs spektret vil finde sted, efterhånden som selvmordskosmonauten bevæger sig længere og længere væk fra iagttageren, dog næsten umærkeligt, og hans tid flyder langsommere og langsommere. Således vil lyset, der reflekteres af hans krop, snart gå ud over synligt spektrum(billedet forsvinder), og ind yderligere krop astronauten kan kun opdages i området infrarød stråling, senere - i radiofrekvens, og som et resultat vil strålingen være fuldstændig uhåndgribelig.

På trods af ovenstående antages det, at i meget store supermassive sorte huller ændrer tidevandskræfterne sig ikke så meget med afstanden og virker næsten ensartet på det faldende legeme. I dette tilfælde ville det faldende rumfartøj bevare sin struktur. Et rimeligt spørgsmål opstår: hvor fører det sorte hul hen? Dette spørgsmål kan besvares af nogle videnskabsmænds arbejde, der forbinder to fænomener som f.eks ormehuller og sorte huller.

Tilbage i 1935 fremsatte Albert Einstein og Nathan Rosen en hypotese om eksistensen af ​​såkaldte ormehuller, der forbinder to punkter i rum-tid gennem steder med betydelig krumning af sidstnævnte - en Einstein-Rosen-bro eller ormehul. For en sådan kraftig krumning af rummet ville der kræves kroppe med gigantisk masse, hvis rolle ville blive perfekt opfyldt af sorte huller.

Einstein-Rosen-broen - betragtes som et ufremkommeligt ormehul, fordi den har små størrelser og er ustabil.

Et gennemkøreligt ormehul er muligt inden for rammerne af teorien om sorte og hvide huller. Hvor hvidt hul er output af information fanget i et sort hul. Det hvide hul er beskrevet inden for rammerne af den almene relativitetsteori, men forbliver i dag hypotetisk og er ikke blevet opdaget. En anden model af et ormehul blev foreslået af de amerikanske videnskabsmænd Kip Thorne og hans kandidatstuderende Mike Morris, hvilket kan være acceptabelt. Men både i tilfælde af Morris-Thorne-ormehullet og i tilfælde af sorte og hvide huller, kræver muligheden for at rejse, eksistensen af ​​såkaldt eksotisk stof, som har negativ energi og også forbliver hypotetisk.

Sorte huller i universet

Eksistensen af ​​sorte huller blev bekræftet relativt for nylig (september 2015), men før den tid var der allerede en masse teoretisk materiale om sorte hullers natur, såvel som mange kandidatobjekter til rollen som et sort hul. Først og fremmest skal du tage højde for størrelsen af ​​det sorte hul, da selve fænomenets natur afhænger af dem:

• Stjernemasse sort hul. Sådanne objekter er dannet som et resultat af sammenbruddet af en stjerne. Som tidligere nævnt er minimumsmassen af ​​et legeme, der er i stand til at danne et sådant sort hul, 2,5 - 3 solmasser.
• Sorte huller gennemsnitsvægt . Betinget mellemtype sorte huller, der er vokset i størrelse ved at forbruge nærliggende genstande, såsom en klynge gas, en nærliggende stjerne (i to-stjernede systemer) og andre kosmiske legemer.
• Supermassivt sort hul. Kompakte objekter med 10 5 -10 10 solmasser. Særprægede egenskaber Sådanne BH'er er karakteriseret ved en paradoksalt lav tæthed samt svage tidevandskræfter, som blev nævnt tidligere. Dette er præcis det supermassive sorte hul i centrum af vores Mælkevejsgalakse (Skytten A*, Sgr A*), såvel som de fleste andre galakser.

Kandidater til ChD

Det nærmeste sorte hul, eller rettere en kandidat til rollen som et sort hul, er et objekt (V616 Monoceros), som er placeret i en afstand af 3000 lysår fra Solen (i vores galakse). Den består af to komponenter: en stjerne med en masse på halvdelen af ​​Solens masse samt et usynligt lille legeme, hvis masse er 3-5 solmasser. Hvis dette objekt viser sig at være et lille sort hul med stjernemasse, vil det med rette blive det nærmeste sorte hul.

Efter dette objekt er det næstnærmeste sorte hul objektet Cygnus X-1 (Cyg X-1), som var den første kandidat til rollen som et sort hul. Afstanden til den er cirka 6070 lysår. Ganske godt undersøgt: den har en masse på 14,8 solmasser og en begivenhedshorisontradius på omkring 26 km.

Ifølge nogle kilder kan en anden nærmeste kandidat til rollen som et sort hul være en krop i stjernesystem V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), som i 1999 blev anslået til at være placeret i en afstand af 1600 lysår. Imidlertid har efterfølgende undersøgelser øget denne afstand med mindst 15 gange.

Hvor mange sorte huller er der i vores galakse?

Der er ikke noget nøjagtigt svar på dette spørgsmål, da det er ret svært at observere dem, og i løbet af hele perioden med at studere himlen har forskere været i stand til at opdage omkring et dusin sorte huller i Mælkevejen. Uden at hengive os til beregninger bemærker vi, at der er omkring 100-400 milliarder stjerner i vores galakse, og cirka hver tusinde stjerne har nok masse til at danne et sort hul. Det er sandsynligt, at millioner af sorte huller kunne være dannet under Mælkevejens eksistens. Da det er lettere at opdage sorte huller af enorm størrelse, er det logisk at antage, at størstedelen af ​​sorte huller i vores galakse højst sandsynligt ikke er supermassive. Det er bemærkelsesværdigt, at NASA-forskning i 2005 tyder på tilstedeværelsen af ​​en hel sværm af sorte huller (10-20 tusind), der kredser omkring galaksens centrum. Derudover opdagede japanske astrofysikere i 2016 en massiv satellit nær objektet * - et sort hul, kernen i Mælkevejen. På grund af denne krops lille radius (0,15 lysår) såvel som dens enorme masse (100.000 solmasser) antager forskerne, at dette objekt også er et supermassivt sort hul.

Kernen i vores galakse, Mælkevejens sorte hul (Skytten A*, Sgr A* eller Skytten A*) er supermassiv og har en masse på 4,31 10 6 solmasser og en radius på 0,00071 lysår (6,25 lystimer). eller 6,75 milliarder km). Temperaturen på Skytten A* sammen med klyngen omkring den er omkring 1·10 7 K.

Det største sorte hul

Det største sorte hul i universet, som videnskabsmænd har opdaget, er et supermassivt sort hul, FSRQ blazar, i centrum af galaksen S5 0014+81, i en afstand af 1,2 10 10 lysår fra Jorden. Ved foreløbige resultater observation vha rumobservatoriet Swift, massen af ​​det sorte hul var 40 milliarder (40 10 9) solmasser, og Schwarzschild-radius for et sådant hul var 118,35 milliarder kilometer (0,013 lysår). Derudover opstod den ifølge beregninger for 12,1 milliarder år siden (1,6 milliarder år efter) stort brag). Hvis dette gigantiske sorte hul ikke absorberer stoffet, der omgiver det, vil det leve til æraen med sorte huller - en af ​​æraerne for universets udvikling, hvor sorte huller vil dominere i det. Hvis kernen i galaksen S5 0014+81 fortsætter med at vokse, vil den blive et af de sidste sorte huller, der vil eksistere i universet.

De to andre kendte sorte huller, selvom de ikke har egennavne, har højeste værdi for undersøgelsen af ​​sorte huller, da de bekræftede deres eksistens eksperimentelt, og også gav vigtige resultater at studere tyngdekraften. Vi taler om begivenheden GW150914, som er sammenstødet af to sorte huller i ét. Denne begivenhed lov til at registrere.

Påvisning af sorte huller

Før vi overvejer metoder til at opdage sorte huller, bør vi besvare spørgsmålet - hvorfor er et sort hul sort? – svaret på dette kræver ikke dyb viden om astrofysik og kosmologi. Faktum er, at et sort hul absorberer al den stråling, der falder på det, og udsender slet ikke, hvis man ikke tager højde for den hypotetiske. Hvis vi overvejer dette fænomen mere detaljeret, kan vi antage, at processer, der fører til frigivelse af energi i form af elektromagnetisk stråling, ikke forekommer inde i sorte huller. Så, hvis et sort hul udsender, gør det det i Hawking-spektret (som falder sammen med spektret af en opvarmet, absolut sort krop). Men som tidligere nævnt blev denne stråling ikke detekteret, hvilket tyder på, at temperaturen i sorte huller er helt lav.

En anden almindeligt accepteret teori siger det elektromagnetisk stråling og er slet ikke i stand til at forlade begivenhedshorisonten. Det er højst sandsynligt, at fotoner (lyspartikler) ikke tiltrækkes af massive genstande, da de ifølge teorien ikke selv har nogen masse. Det sorte hul "tiltrækker" dog stadig fotoner af lys gennem forvrængning af rum-tid. Hvis vi forestiller os et sort hul i rummet som en slags fordybning på rumtidens glatte overflade, så er der en vis afstand fra centrum af det sorte hul, der nærmer sig, hvilket lys ikke længere vil kunne bevæge sig væk fra det. Det vil sige, groft sagt, lyset begynder at "falde" ned i et "hul", der ikke engang har en "bund".

Derudover, hvis vi tager virkningen af ​​gravitationel rødforskydning i betragtning, er det muligt, at lys i et sort hul mister sin frekvens og skifter langs spektret ind i området med lavfrekvent langbølget stråling, indtil det taber energi helt.

Så et sort hul er sort i farve og derfor svært at opdage i rummet.

Detektionsmetoder

Lad os se på de metoder, som astronomer bruger til at opdage et sort hul:

Ud over de ovenfor nævnte metoder forbinder forskere ofte objekter som sorte huller og. Kvasarer er visse klynger af kosmiske legemer og gas, som er blandt de lyseste astronomiske objekter i universet. Da de har en høj luminescensintensitet ved relativt små størrelser, er der grund til at antage, at midten af ​​disse objekter er et supermassivt sort hul, der tiltrækker omgivende stof. På grund af sådan en kraftfuld gravitationel tiltrækning det tiltrukne stof er så varmt, at det stråler intenst. Opdagelsen af ​​sådanne genstande sammenlignes normalt med opdagelsen af ​​et sort hul. Nogle gange kan kvasarer udsende stråler af opvarmet plasma i to retninger - relativistiske stråler. Årsagerne til udseendet af sådanne jetfly er ikke helt klare, men de er sandsynligvis forårsaget af vekselvirkningen mellem magnetfelterne i det sorte hul og tilvækstskiven og udsendes ikke af det direkte sorte hul.

Jet i M87-galaksen skyder fra midten af ​​det sorte hul

For at opsummere ovenstående kan man forestille sig, tæt på: dette er en sfærisk sort genstand, omkring hvilken stærkt opvarmet stof roterer og danner en lysende tilvækstskive.

Sammenlægninger og kollisioner af sorte huller

En af mest interessante fænomener i astrofysik er kollisionen af ​​sorte huller, hvilket også gør det muligt at opdage så massive astronomiske legemer. Sådanne processer er af interesse ikke kun for astrofysikere, da de resulterer i fænomener, der er dårligt undersøgt af fysikere. Det klareste eksempel er den tidligere nævnte begivenhed kaldet GW150914, hvor to sorte huller kom så tæt på, at de, som følge af deres gensidige tyngdekraft tiltrækning, smeltede sammen til ét. En vigtig konsekvens af denne kollision var fremkomsten af ​​gravitationsbølger.

Ifølge definitionen af ​​gravitationsbølger er der tale om ændringer gravitationsfelt, som forplanter sig på en bølgelignende måde fra massive bevægelige genstande. Når to sådanne genstande kommer tæt på, begynder de at rotere rundt generelt center tyngdekraft. Når de kommer tættere på, snurrer de rundt egen akse stiger. Sådanne vekslende svingninger af gravitationsfeltet på et tidspunkt kan danne en kraftfuld gravitationsbølge, som kan spredes over rummet i millioner af lysår. Så i en afstand af 1,3 milliarder lysår kolliderede to sorte huller og skabte en kraftig gravitationsbølge, der nåede Jorden den 14. september 2015 og blev optaget LIGO detektorer og JOMMUEN.

Hvordan dør sorte huller?

Det er klart, at for at et sort hul skal ophøre med at eksistere, skal det miste hele sin masse. Men ifølge dens definition kan intet forlade det sorte hul, hvis det har krydset sin begivenhedshorisont. Det er kendt, at muligheden for emission af partikler fra et sort hul først blev nævnt af den sovjetiske teoretiske fysiker Vladimir Gribov, i hans diskussion med en anden sovjetisk videnskabsmand Yakov Zeldovich. Det argumenterede han fra et synspunkt kvantemekanik et sort hul er i stand til at udsende partikler igennem tunnel effekt. Senere ved hjælp af kvantemekanik byggede den engelske teoretiske fysiker Stephen Hawking sin egen, lidt anderledes teori. Læs mere om dette fænomen Du kan læse. Kort sagt, i et vakuum er der såkaldte virtuelle partikler, som konstant fødes i par og tilintetgør hinanden, uden at interagere med omverdenen. Men hvis sådanne par dukker op på begivenhedshorisonten af ​​et sort hul, så stærk tyngdekraft hypotetisk i stand til at adskille dem, hvor den ene partikel falder ned i det sorte hul og den anden på vej væk fra det sorte hul. Og da en partikel, der flyver væk fra et hul, kan observeres, og derfor har positiv energi, så skal en partikel, der falder ned i et hul, have negative energier. Dermed vil det sorte hul miste sin energi, og der vil opstå en effekt, som kaldes sort huls fordampning.

Ifølge eksisterende modeller af et sort hul, som tidligere nævnt, bliver dens stråling mere intens, når dens masse falder. Så, på det sidste trin af det sorte huls eksistens, når det kan skrumpe til størrelsen af ​​et kvantesort hul, vil det frigive en enorm mængde energi i form af stråling, som kunne svare til tusinder eller endda millioner af atomare bomber. Denne begivenhed minder lidt om eksplosionen af ​​et sort hul, som den samme bombe. Ifølge beregninger kunne primordiale sorte huller være blevet født som følge af Big Bang, og de af dem med en masse på omkring 10 12 kg ville være fordampet og eksploderet omkring vores tid. Hvorom alting er, er sådanne eksplosioner aldrig blevet bemærket af astronomer.

På trods af Hawkings foreslåede mekanisme til at ødelægge sorte huller, forårsager egenskaberne ved Hawkings stråling et paradoks inden for kvantemekanikkens rammer. Hvis et sort hul absorberer en bestemt krop, og derefter mister den masse, der er et resultat af absorptionen af ​​denne krop, så vil det sorte hul, uanset kroppens natur, ikke adskille sig fra, hvad det var, før det absorberede kroppen. I dette tilfælde er information om kroppen for evigt tabt. Fra et synspunkt af teoretiske beregninger svarer transformationen af ​​den oprindelige rene tilstand til den resulterende blandede ("termiske") tilstand ikke til den nuværende teori om kvantemekanik. Dette paradoks kaldes nogle gange forsvinden af ​​information i sort hul. En endelig løsning på dette paradoks er aldrig blevet fundet. Kendte løsninger på paradokset:

• Ugyldigheden af ​​Hawkings teori. Dette medfører umuligheden af ​​at ødelægge et sort hul og dets konstante vækst.
• Tilstedeværelse af hvide huller. I dette tilfælde forsvinder den absorberede information ikke, men bliver simpelthen kastet ind i et andet univers.
• Inkonsekvensen af ​​den almindeligt accepterede teori om kvantemekanik.

Uløst problem med sort huls fysik

At dømme efter alt, hvad der blev beskrevet tidligere, har sorte huller, selvom de er blevet undersøgt i relativt lang tid, stadig mange funktioner, hvis mekanismer stadig er ukendte for videnskabsmænd.

• I 1970 formulerede en engelsk videnskabsmand den såkaldte. "princippet om kosmisk censur" - "Naturen afskyr nøgen singularitet." Det betyder, at singulariteter kun dannes på skjulte steder, som i midten af ​​et sort hul. Dog for at bevise dette princip Indtil videre har det ikke været muligt. Der er også teoretiske beregninger, hvorefter en "nøgen" singularitet kan opstå.
• "No hair-sætningen", ifølge hvilken sorte huller kun har tre parametre, er heller ikke blevet bevist.
• Ikke udviklet komplet teori magnetosfæren af ​​et sort hul.
• Naturen og fysikken af ​​gravitationel singularitet er ikke blevet undersøgt.
• Det vides ikke med sikkerhed, hvad der sker i den sidste fase af eksistensen af ​​et sort hul, og hvad der er tilbage efter dets kvanteforfald.

Interessante fakta om sorte huller

Sammenfattende ovenstående kan vi fremhæve flere interessante og usædvanlige træk ved arten af ​​sorte huller:

• BH'er har kun tre parametre: masse, elektrisk ladning og vinkelmomentum. Som et resultat af et så lille antal karakteristika ved denne krop, kaldes sætningen, der siger dette, "no-hair-sætningen". Det er også herfra sætningen "et sort hul har ingen hår", hvilket betyder at to sorte huller er helt identiske, deres tre nævnte parametre er ens.
• Det sorte huls tæthed kan være mindre end luftens tæthed, og temperaturen er tæt på absolut nul. Ud fra dette kan vi antage, at dannelsen af ​​et sort hul ikke sker på grund af kompression af stof, men som følge af ophobning af en stor mængde stof i et bestemt volumen.
• Tiden går meget langsommere for kroppe absorberet af et sort hul end for en ekstern observatør. Derudover strækker de absorberede kroppe sig betydeligt inde i det sorte hul, som forskerne kalder spaghettificering.
• Der kan være omkring en million sorte huller i vores galakse.
• Der er sandsynligvis et supermassivt sort hul i midten af ​​hver galakse.
• I fremtiden skal iflg teoretisk model, Universet vil nå den såkaldte æra med sorte huller, hvor BH'er bliver de dominerende kroppe i universet.

Du har sikkert set science fiction-film, hvor helte, der rejser i rummet, befinder sig i et andet univers? Oftest bliver mystiske kosmiske sorte huller døren til en anden verden. Det viser sig, at der er en vis sandhed i disse historier. Det siger videnskabsmænd.

Når selve midten af ​​en stjerne - i dens kerne - løber tør for brændstof, bliver alle dens partikler meget tunge. Og så kollapser hele planeten ind i dens centrum. Dette forårsager en kraftig chokbølge, som river den ydre, stadig brændende skal af stjernen, og den eksploderer i et blændende glimt. En teskefuld af en lille uddød stjerne vejer flere milliarder tons. Sådan en stjerne kaldes neutron. Og hvis en stjerne er tyve til tredive gange større end vores sol, fører dens ødelæggelse til dannelsen af mærkeligt fænomen i universet - sort hul.

Tyngdekraften i et sort hul er så stærk, at den fanger planeter, gasser og endda lys. Sorte huller er usynlige, de kan kun findes af en enorm tragt af kosmiske kroppe, der flyver ind i den. Kun omkring nogle huller dannes der en lys glød. Når alt kommer til alt er rotationshastigheden meget høj, partikler af himmellegemer varmes op til millioner af grader og lyser klart

Kosmisk sort hul tiltrækker alle objekter og vrider dem i en spiral. Når objekter nærmer sig det sorte hul, begynder de at accelerere og strække sig ud, som kæmpe spaghetti. Tiltrækningskraften vokser gradvist og bliver på et tidspunkt så monstrøs, at intet kan overvinde den. Denne grænse kaldes begivenhedshorisonten. Enhver begivenhed, der sker bagved, vil forblive usynlig for evigt.

Forskere antyder, at sorte huller kan skabe tunneler i rummet - "ormehuller". Hvis du falder ind i det, vil du være i stand til at passere gennem rummet og finde dig selv i et andet univers, hvor det modsatte hvide hul findes. Måske en dag vil denne hemmelighed blive afsløret på magtfulde rumskibe mennesker vil rejse til andre dimensioner.

Mystiske og undvigende sorte huller. Fysikkens love bekræfter muligheden for deres eksistens i universet, men mange spørgsmål er stadig tilbage. Talrige observationer viser, at der findes huller i universet, og der er mere end en million af disse objekter.

Hvad er sorte huller?

Tilbage i 1915, da man løste Einsteins ligninger, blev et sådant fænomen som "sorte huller" forudsagt. Imidlertid videnskabssamfund Jeg blev først interesseret i dem i 1967. De blev derefter kaldt "sammenfaldne stjerner", "frosne stjerner".

I dag er et sort hul et område af tid og rum, der har en sådan tyngdekraft, at selv en lysstråle ikke kan undslippe den.

Hvordan dannes sorte huller?

Der er flere teorier for udseendet af sorte huller, som er opdelt i hypotetiske og realistiske. Den enkleste og mest udbredte realistiske er teorien om gravitationssammenbrud af store stjerner.

Når nok er nok massiv stjerne før "døden" vokser den i størrelse og bliver ustabil og forbruger sit sidste brændstof. Samtidig forbliver stjernens masse uændret, men dens størrelse falder, efterhånden som den såkaldte fortætning sker. Med andre ord, når den komprimeres, "falder" den tunge kerne ind i sig selv. Parallelt hermed fører komprimering til en kraftig stigning i temperaturen inde i stjernen og de ydre lag af himmellegemet rives af, hvorfra der dannes nye stjerner. Samtidig, i midten af ​​stjernen, falder kernen ind i sit eget "center". Som følge af gravitationskræfternes påvirkning kollapser centret til et punkt – det vil sige, at gravitationskræfterne er så stærke, at de absorberer den komprimerede kerne. Sådan bliver et sort hul født, som begynder at forvride rum og tid, så selv lys ikke kan slippe ud af det.

I centrum af alle galakser er et supermassivt sort hul. Ifølge Einsteins relativitetsteori:

"Enhver masse forvrænger rum og tid."

Forestil dig nu, hvor meget et sort hul forvrænger tid og rum, fordi dets masse er enorm og samtidig presset ind i et ultra-lille volumen. Denne evne forårsager følgende mærkværdighed:

"Sorte huller har evnen til praktisk talt at stoppe tiden og komprimere rummet. På grund af denne ekstreme forvrængning bliver hullerne usynlige for os."

Hvis sorte huller ikke er synlige, hvordan ved vi, at de eksisterer?

Ja, selvom et sort hul er usynligt, burde det være mærkbart på grund af den sag, der falder ned i det. Samt stjernegas, som tiltrækkes af et sort hul; når man nærmer sig begivenhedshorisonten, begynder gassens temperatur at stige til ultrahøje værdier, hvilket fører til en glød. Det er derfor, sorte huller lyser. Takket være denne, omend svage, glød, forklarer astronomer og astrofysikere tilstedeværelsen i centrum af galaksen af ​​et objekt med et lille volumen, men en enorm masse. I øjeblikket er der, som et resultat af observationer, blevet opdaget omkring 1000 genstande, der ligner sorte hullers adfærd.

Sorte huller og galakser

Hvordan kan sorte huller påvirke galakser? Dette spørgsmål plager videnskabsmænd over hele verden. Der er en hypotese, ifølge hvilken det er de sorte huller placeret i centrum af galaksen, der påvirker dens form og udvikling. Og at når to galakser støder sammen, smelter sorte huller sammen, og under denne proces frigives en så enorm mængde energi og stof, at der dannes nye stjerner.

Typer af sorte huller

• Ifølge eksisterende teori, der er tre typer sorte huller: stjernernes, supermassive, miniature. Og hver af dem blev dannet på en særlig måde.
• - Sorte huller af stjernemasser, det vokser til enorme størrelser og kollapser.
  - Supermassive sorte huller, der kan have en masse svarende til millioner af sole, med høj sandsynlighed findes i centrene af næsten alle galakser, inklusive vores Mælkevejen. Forskere har stadig forskellige hypoteser for dannelsen af ​​supermassive sorte huller. Indtil videre ved man kun én ting – supermassive sorte huller er et biprodukt af dannelsen af ​​galakser. Supermassive sorte huller - de er forskellige fra almindelige emner der har meget stor størrelse, men paradoksalt nok lav tæthed.
• - Ingen har endnu været i stand til at opdage et miniature sort hul, der ville have en masse mindre end Solen. Det er muligt, at der kunne være dannet miniaturehuller kort efter Big Bang, som er initialen nøjagtige eksistens vores univers (ca. 13,7 milliarder år siden).
• - For ganske nylig blev et nyt koncept introduceret som "hvide sorte huller". Dette er stadig et hypotetisk sort hul, som er det modsatte af et sort hul. Stephen Hawking undersøgte aktivt muligheden for eksistensen af ​​hvide huller.
• - Kvante sorte huller - de eksisterer kun i teorien indtil videre. Kvante sorte huller kan dannes, når ultrasmå partikler kolliderer som følge af en kernereaktion.
• - Primære sorte huller er også en teori. De blev dannet umiddelbart efter deres oprindelse.

eksisterer i øjeblikket et stort antal af åbne spørgsmål, som endnu ikke er besvaret af fremtidige generationer. Kan der for eksempel virkelig eksistere såkaldte "ormehuller", ved hjælp af hvilke man kan rejse gennem rum og tid. Hvad sker der præcist inde i et sort hul, og hvilke love adlyder disse fænomener. Og hvad med forsvinden af ​​information i et sort hul?