Kosmoseplaneetide mustad augud. Teadaoleva universumi suurim must auk

S. TRANKOVSKI

Kaasaegse füüsika ja astrofüüsika olulisemate ja huvitavamate probleemidena nimetas akadeemik V.L.Ginzburg mustade aukudega seotud küsimusi (vt “Teadus ja elu” nr 11, 12, 1999). Nende kummaliste objektide olemasolu ennustati enam kui kakssada aastat tagasi, nende tekkeni viivad tingimused arvutati täpselt välja 20. sajandi 30. aastate lõpus ja astrofüüsika hakkas neid tõsiselt uurima vähem kui nelikümmend aastat tagasi. Tänapäeval avaldavad teadusajakirjad üle maailma igal aastal tuhandeid artikleid mustade aukude kohta.

Musta augu teke võib toimuda kolmel viisil.

Nii on tavaks kujutada variseva musta augu läheduses toimuvaid protsesse. Aja jooksul (Y) ruum (X) selle ümber (varjutatud ala) kahaneb, tormades singulaarsuse poole.

Musta augu gravitatsiooniväli toob ruumi geomeetriasse tõsiseid moonutusi.

Teleskoobi kaudu nähtamatu must auk ilmutab end ainult gravitatsioonilise mõju kaudu.

Musta augu võimsas gravitatsiooniväljas sünnivad osakeste-antiosakeste paarid.

Osakeste-antiosakeste paari sünd laboris.

KUIDAS NEED TEKKIvad

Helendav taevakeha, mille tihedus on võrdne Maa tihedusega ja mille läbimõõt on kakssada viiskümmend korda suurem kui Päikese läbimõõt, ei lase oma raskusjõu tõttu oma valgusel meieni jõuda. Seega on võimalik, et Universumi suurimad helendavad kehad jäävad nähtamatuks just oma suuruse tõttu.
Pierre Simon Laplace.
Maailmasüsteemi ekspositsioon. 1796

1783. aastal viisid inglise matemaatik John Mitchell ja kolmteist aastat hiljem, temast sõltumatult, prantsuse astronoom ja matemaatik Pierre Simon Laplace läbi väga kummalise uuringu. Nad uurisid tingimusi, mille korral valgus ei pääse tähe eest.

Teadlaste loogika oli lihtne. Iga astronoomilise objekti (planeet või täht) jaoks on võimalik välja arvutada nn põgenemiskiirus ehk teine ​​kosmiline kiirus, mis võimaldab igal kehal või osakesel sealt igaveseks lahkuda. Ja tolleaegses füüsikas valitses ülim Newtoni teooria, mille kohaselt valgus on osakeste voog (elektromagnetlainete ja kvantide teooriani oli veel peaaegu sada viiskümmend aastat). Osakeste põgenemiskiirust saab arvutada planeedi pinnal oleva potentsiaalse energia ja lõpmatult suurele kaugusele “põgenenud” keha kineetilise energia võrdsuse põhjal. See kiirus määratakse valemiga #1#

Kus M- kosmoseobjekti mass, R- selle raadius, G- gravitatsioonikonstant.

Selle põhjal saame hõlpsasti teada antud massiga keha raadiuse (hiljem nimetatakse seda "gravitatsiooniraadiuseks"). r g "), mille korral põgenemiskiirus on võrdne valguse kiirusega:

See tähendab, et täht on kokku surutud raadiusega sfääriks r g< 2GM/c 2 lakkab kiirgamast – tuli ei saa sealt lahkuda. Universumisse tekib must auk.

Lihtne on arvutada, et Päike (tema mass on 2,1033 g) muutub mustaks auguks, kui ta tõmbub kokku umbes 3 kilomeetri raadiusega. Selle aine tihedus ulatub 10 16 g/cm 3 . Mustaks auguks kokkusurutud Maa raadius väheneks umbes ühe sentimeetrini.

Tundus uskumatu, et looduses võivad eksisteerida jõud, mis suudavad tähe nii tähtsusetuks suuruseks kokku suruda. Seetõttu peeti Mitchelli ja Laplace’i töödest tehtud järeldusi enam kui sada aastat millekski matemaatiliseks paradoksiks, millel puudus füüsiline tähendus.

Range matemaatiline tõestus selle kohta, et selline eksootiline objekt kosmoses oli võimalik, saadi alles 1916. aastal. Saksa astronoom Karl Schwarzschild sai pärast Albert Einsteini üldrelatiivsusteooria võrrandite analüüsimist huvitava tulemuse. Olles uurinud osakese liikumist massiivse keha gravitatsiooniväljas, jõudis ta järeldusele: võrrand kaotab oma füüsikalise tähenduse (lahendus pöördub lõpmatusse), kui r= 0 ja r = r g.

Punkte, kus välja omadused muutuvad mõttetuks, nimetatakse ainsuseks ehk eriliseks. Nullpunkti singulaarsus peegeldab välja punktisuunalist või, mis on sama, tsentraalselt sümmeetrilist struktuuri (materiaalse punktina võib ju kujutada iga sfäärilist keha – tähte või planeeti). Ja punktid, mis asuvad raadiusega sfäärilisel pinnal r g, moodustavad just selle pinna, millelt väljumise kiirus on võrdne valguse kiirusega. Üldrelatiivsusteoorias nimetatakse seda Schwarzschildi ainsuse sfääriks ehk sündmuste horisondiks (miks, selgub hiljem).

Juba meile tuttavate objektide - Maa ja Päikese - näitel on selge, et mustad augud on väga kummalised objektid. Isegi astronoomid, kes tegelevad ainega temperatuuri, tiheduse ja rõhu äärmuslikel väärtustel, peavad neid väga eksootilisteks ja kuni viimase ajani ei uskunud kõik nende olemasolu. Esimesed viited mustade aukude tekkimise võimalikkusele sisaldusid aga juba A. Einsteini 1915. aastal loodud üldrelatiivsusteoorias. Inglise astronoom Arthur Eddington, üks esimesi relatiivsusteooria tõlgendajaid ja populariseerijaid, tuletas 30ndatel võrrandisüsteemi, mis kirjeldab tähtede sisemist ehitust. Nendest järeldub, et täht on tasakaalus vastassuunaliste gravitatsioonijõudude ja siserõhu mõjul, mis tekivad kuumade plasmaosakeste liikumisel tähe sees ning selle sügavustes tekkiva kiirguse rõhu mõjul. See tähendab, et täht on gaasipall, mille keskel on kõrge temperatuur, mis järk-järgult väheneb perifeeria suunas. Eelkõige võrranditest tulenes, et Päikese pinnatemperatuur oli umbes 5500 kraadi (mis oli üsna kooskõlas astronoomiliste mõõtmiste andmetega) ja selle keskmes peaks see olema umbes 10 miljonit kraadi. See võimaldas Eddingtonil teha prohvetliku järelduse: sellel temperatuuril "süttib" termotuumareaktsioon, millest piisab Päikese sära tagamiseks. Tollased aatomifüüsikud sellega ei nõustunud. Neile tundus, et tähe sügavuses oli liiga "külm": sealne temperatuur ei olnud reaktsiooni "minekuks" piisav. Selle peale vastas raevunud teoreetik: "Otsige kuumem koht!"

Ja lõpuks osutus tal õigus: termotuumareaktsioon toimub tõesti tähe keskel (teine ​​asi on see, et nn standardne päikesemudel, mis põhineb termotuumasünteesi ideedel, osutus ilmselt selliseks. olla vale – vt näiteks “Teadus ja elu” nr 2, 3, 2000). Kuid sellegipoolest toimub reaktsioon tähe keskmes, täht särab ja tekkiv kiirgus hoiab seda stabiilses olekus. Kuid tähes olev tuumakütus põleb läbi. Energia vabanemine peatub, kiirgus kustub ja gravitatsioonilist külgetõmmet piirav jõud kaob. Tähe massil on piir, mille järel täht hakkab pöördumatult kahanema. Arvutused näitavad, et see juhtub siis, kui tähe mass ületab kaks kuni kolm Päikese massi.

GRAVITATSIOONILINE KOLLAPS

Alguses on tähe kokkutõmbumiskiirus väike, kuid selle kiirus suureneb pidevalt, kuna gravitatsioonijõud on pöördvõrdeline kauguse ruuduga. Kokkusurumine muutub pöördumatuks; pole jõudu, mis suudaksid enesegravitatsioonile vastu seista. Seda protsessi nimetatakse gravitatsiooniliseks kollapsiks. Tähe kesta liikumiskiirus keskpunkti suunas suureneb, lähenedes valguse kiirusele. Ja siin hakkavad rolli mängima relatiivsusteooria mõjud.

Põgenemiskiirus arvutati Newtoni ideede põhjal valguse olemuse kohta. Üldrelatiivsusteooria seisukohalt toimuvad nähtused variseva tähe läheduses mõnevõrra erinevalt. Selle võimsas gravitatsiooniväljas toimub nn gravitatsiooniline punanihe. See tähendab, et massiivselt objektilt tuleva kiirguse sagedus nihkub madalamate sageduste suunas. Piiris, Schwarzschildi sfääri piiril, muutub kiirgussagedus nulliks. See tähendab, et väljaspool seda asuv vaatleja ei saa sees toimuva kohta midagi teada. Seetõttu nimetatakse Schwarzschildi sfääri sündmuste horisondiks.

Kuid sageduse vähendamine võrdub aeglustumise ajaga ja kui sagedus muutub nulliks, aeg peatub. See tähendab, et välisvaatleja näeb väga kummalist pilti: kasvava kiirendusega langeva tähe kest valguse kiiruse saavutamise asemel peatub. Tema seisukohast peatub kokkusurumine kohe, kui tähe suurus läheneb gravitatsioonile
usu. Ta ei näe kunagi Schwarzchieli sfääri alla "sukeldumas" ühtki osakest. Kuid hüpoteetilise vaatleja jaoks, kes langeb musta auku, saab tema käekellal kõik mõne hetkega läbi. Seega on Päikese suuruse tähe gravitatsiooniline kollapsiaeg 29 minutit ning palju tihedam ja kompaktsem neutrontähe võtab aega vaid 1/20 000 sekundit. Ja siin seisab ta silmitsi probleemidega, mis on seotud aegruumi geomeetriaga musta augu lähedal.

Vaatleja satub kõverasse ruumi. Gravitatsiooniraadiuse lähedal muutuvad gravitatsioonijõud lõpmatult suureks; nad venitavad raketi koos astronaut-vaatlejaga lõpmata õhukeseks lõpmatu pikkusega niidiks. Kuid ta ise ei pane seda tähele: kõik tema deformatsioonid vastavad aegruumi koordinaatide moonutustele. Need kaalutlused viitavad loomulikult ideaalsele hüpoteetilisele juhtumile. Loodejõud rebivad iga tõelise keha tükkideks ammu enne Schwarzschildi sfäärile lähenemist.

MUSTADE AUKUDE MÕÕTMED

Musta augu suurus või täpsemalt Schwarzschildi sfääri raadius on võrdeline tähe massiga. Ja kuna astrofüüsika ei sea tähe suurusele mingeid piiranguid, võib must auk olla meelevaldselt suur. Kui see tekkis näiteks 10 8 Päikese massiga tähe kokkuvarisemisel (või sadade tuhandete või isegi miljonite suhteliselt väikeste tähtede ühinemise tõttu), on selle raadius umbes 300 miljonit kilomeetrit, kaks korda suurem kui Maa orbiit. Ja sellise hiiglase aine keskmine tihedus on lähedane vee tihedusele.

Ilmselt on need sellised mustad augud, mida leidub galaktikate keskpunktides. Igal juhul loevad astronoomid tänapäeval umbes viiskümmend galaktikat, mille keskmes on kaudsete tõendite põhjal otsustades (seda käsitletakse allpool) umbes miljardi (10 9) päikese massiga mustad augud. Meie galaktikas on ilmselt ka oma must auk; Selle mass hinnati üsna täpselt - 2,4. 10 6 ±10% Päikese massist.

Teooria viitab sellele, et koos selliste superhiiglastega peaksid tekkima ka mustad miniaugud massiga umbes 10 14 g ja raadiusega umbes 10–12 cm (aatomituuma suurused). Need võivad ilmneda Universumi olemasolu esimestel hetkedel aegruumi väga tugeva ebahomogeensuse ja kolossaalse energiatihedusega ilminguna. Tänapäeval mõistavad teadlased võimsate põrkurite (kokkupõrkeid kasutavaid kiirendeid) juures Universumis tol ajal valitsenud tingimusi. Selle aasta alguses CERNis tehtud katsed andsid kvarkgluoonplasmat, ainet, mis eksisteeris enne elementaarosakeste tekkimist. Selle aine oleku uurimine jätkub Brookhavenis, Ameerika kiirendikeskuses. See on võimeline kiirendama osakesi energiani, mis on poolteist kuni kaks suurusjärku suuremad kui kiirendi
CERN. Eelseisev eksperiment on tekitanud tõsist muret: kas see loob mini-musta augu, mis painutab meie ruumi ja hävitab Maa?

See hirm kõlas nii tugevalt, et USA valitsus oli sunnitud selle võimaluse uurimiseks kokku kutsuma autoriteetse komisjoni. Silmapaistvatest teadlastest koosnev komisjon jõudis järeldusele: kiirendi energia on musta augu tekkeks liiga madal (seda katset on kirjeldatud ajakirjas Science and Life, nr 3, 2000).

KUIDAS NÄHA NÄHTATAMAT

Mustad augud ei kiirga midagi, isegi mitte valgust. Astronoomid on aga õppinud neid nägema või õigemini leidma sellesse rolli "kandidaate". Musta augu tuvastamiseks on kolm võimalust.

1. On vaja jälgida tähtede pöörlemist klastrites teatud raskuskeskme ümber. Kui selgub, et selles keskuses pole midagi ja tähed näivad tiirlevat tühja ruumi ümber, võime üsna kindlalt öelda: selles “tühjuses” on must auk. Selle põhjal eeldati musta augu olemasolu meie galaktika keskmes ja hinnati selle massi.

2. Must auk imeb ümbritsevast ruumist aktiivselt endasse ainet. Sellele langeb spiraalina lähedalasuvate tähtede tolm, gaas ja aine, moodustades Saturni rõngaga sarnase nn akretsiooniketta. (Täpselt see on Brookhaveni eksperimendi hernehirmutis: kiirendisse tekkinud mini-must auk hakkab Maad endasse imema ja seda protsessi ei suutnud ükski jõud peatada.) Lähenedes Schwarzschildi sfäärile, kogevad osakesed kiirendus ja hakkavad kiirgama röntgenikiirguse vahemikus. Sellel kiirgusel on iseloomulik spekter, mis sarnaneb hästi uuritud sünkrotronis kiirendatud osakeste kiirgusega. Ja kui selline kiirgus tuleb mõnest Universumi piirkonnast, võime kindlalt väita, et seal peab olema must auk.

3. Kui kaks musta auku ühinevad, tekib gravitatsiooniline kiirgus. Arvutatakse, et kui igaühe mass on umbes kümme päikesemassi, siis nende ühinemisel mõne tunni jooksul vabaneb gravitatsioonilainetena energia, mis võrdub 1% nende kogumassist. Seda on tuhat korda rohkem kui valgust, soojust ja muud energiat, mida Päike kogu oma eksisteerimise – viie miljardi aasta – jooksul kiirgas. Gravitatsioonikiirgust loodavad nad tuvastada gravitatsioonilainete observatooriumite LIGO jt abil, mida nüüd Venemaa teadlaste osalusel Ameerikas ja Euroopas ehitatakse (vt “Teadus ja elu” nr 5, 2000).

Ja ometi, kuigi astronoomid ei kahtle mustade aukude olemasolus, ei julge keegi kategooriliselt väita, et täpselt üks neist asub antud ruumipunktis. Teaduseetika ja uurija ausus nõuavad püstitatud küsimusele ühemõttelist vastust, mis ei talu lahknevusi. Nähtamatu objekti massi hindamisest ei piisa, tuleb mõõta selle raadius ja näidata, et see ei ületa Schwarzschildi raadiust. Ja isegi meie galaktikas pole see probleem veel lahendatav. Seetõttu näitavad teadlased oma avastusest teatamisel teatavat vaoshoitust ning teadusajakirjad on sõna otseses mõttes täis aruandeid teoreetilisest tööst ja mõjude tähelepanekutest, mis võivad nende saladust valgustada.

Kuid mustadel aukudel on veel üks teoreetiliselt ennustatud omadus, mis võib võimaldada neid näha. Kuid siiski ühel tingimusel: musta augu mass peaks olema palju väiksem kui Päikese mass.

MUST AUK VÕIB OLLA KA "VALGE"

Pikka aega peeti musti auke pimeduse kehastuseks, objektideks, mis vaakumis aine neeldumise puudumisel midagi välja ei eralda. 1974. aastal näitas aga kuulus inglise teoreetik Stephen Hawking, et mustadele aukudele saab määrata temperatuuri ja seetõttu peaksid nad kiirgama.

Kvantmehaanika kontseptsioonide kohaselt ei ole vaakum tühjus, vaid omamoodi “aegruumi vaht”, virtuaalsete (meie maailmas jälgimatute) osakeste segadus. Kvantenergia kõikumised võivad aga osakeste-antiosakeste paari vaakumist “välja visata”. Näiteks kahe või kolme gammakvandi kokkupõrkes ilmuvad elektron ja positroon justkui tühjast õhust. Seda ja sarnaseid nähtusi on laborites korduvalt täheldatud.

Just kvantkõikumised määravad mustade aukude kiirgusprotsessid. Kui energiatega osakeste paar E Ja -E(paari koguenergia on null) toimub Schwarzschildi sfääri läheduses, siis on osakeste edasine saatus erinev. Nad võivad hävitada peaaegu kohe või minna koos sündmuste horisondi alla. Sel juhul musta augu olek ei muutu. Aga kui ainult üks osake läheb horisondi alla, registreerib vaatleja teise ja talle tundub, et selle tekitas must auk. Samal ajal must auk, mis neelas osakest energiaga -E, vähendab teie energiat ja energiaga E- suureneb.

Hawking arvutas välja kõigi nende protsesside toimumise kiirused ja jõudis järeldusele: negatiivse energiaga osakeste neeldumise tõenäosus on suurem. See tähendab, et must auk kaotab energia ja massi – see aurustub. Lisaks kiirgab see temperatuuriga täiesti musta kehana T = 6 . 10 -8 M Koos / M kelvinid, kus M c - Päikese mass (2,10 33 g), M- musta augu mass. See lihtne seos näitab, et musta augu temperatuur, mille mass on kuus korda suurem päikese massist, on võrdne sajamiljondikkraadiga. On selge, et nii külm keha ei eralda praktiliselt mitte midagi ja kõik ülaltoodud mõttekäigud jäävad kehtima. Miniaugud on teine ​​asi. On hästi näha, et massiga 10 14 -10 30 grammi on need kuumutatud kümnete tuhandete kraadideni ja valge-kuum! Tuleb aga kohe märkida, et mustade aukude omadustega pole vastuolusid: seda kiirgust kiirgab kiht Schwarzschildi sfääri kohal, mitte selle all.

Niisiis kaob must auk, mis näis olevat igavesti külmunud objekt, varem või hiljem aurustudes. Veelgi enam, kui ta "kaalu kaotab", suureneb aurustumiskiirus, kuid see võtab siiski väga kaua aega. Arvatakse, et 10 14 grammi kaaluvad miniaugud, mis tekkisid vahetult pärast Suurt Pauku 10-15 miljardit aastat tagasi, peaksid meie ajaks täielikult aurustuma. Viimasel eluetapil jõuab nende temperatuur kolossaalsete väärtusteni, seega peavad aurustumisproduktid olema ülikõrge energiaga osakesed. Võib-olla tekitavad just nemad Maa atmosfääris laialdasi õhuhooge – EAS. Igal juhul on anomaalselt suure energiaga osakeste päritolu teine ​​oluline ja huvitav probleem, mida saab tihedalt seostada mitte vähem põnevate küsimustega mustade aukude füüsikas.

« Ulmekirjandusest võib kasu olla – see ergutab kujutlusvõimet ja leevendab hirmu tuleviku ees. Teaduslikud faktid võivad aga palju üllatavamad olla. Ulmekirjandus ei kujutanud kunagi ette selliste asjade nagu mustad augud olemasolu»
Stephen Hawking

Universumi sügavustes on inimeste jaoks peidus lugematu arv müsteeriume ja saladusi. Üks neist on mustad augud – objektid, mida isegi inimkonna suurimad mõistused ei mõista. Sajad astrofüüsikud üritavad paljastada mustade aukude olemust, kuid praeguses etapis pole me nende olemasolu isegi praktikas tõestanud.

Filmirežissöörid pühendavad neile oma filme ning tavainimeste seas on mustad augud muutunud nii kultusnähtuseks, et neid samastatakse maailmalõpu ja vältimatu surmaga. Neid kardetakse ja vihatakse, kuid samal ajal jumaldab ja kummardab neid tundmatu, mida need kummalised universumi killud endas peidavad. Nõus, musta augu alla neelamine on nii romantiline asi. Nende abiga on see võimalik, samuti võivad nad saada meile teejuhiks.

Kollane ajakirjandus spekuleerib sageli mustade aukude populaarsuse üle. Ajalehtedest järjekordse supermassiivse musta auguga kokkupõrke tõttu maailmalõpuga seotud pealkirju leida pole probleem. Palju hullem on see, et kirjaoskamatu osa elanikkonnast võtab kõike tõsiselt ja tekitab tõelist paanikat. Selguse toomiseks teeme teekonna mustade aukude avastamise päritolu juurde ja püüame mõista, mis see on ja kuidas sellele läheneda.

Nähtamatud tähed

Juhtub nii, et tänapäeva füüsikud kirjeldavad meie universumi ehitust relatiivsusteooria abil, mille Einstein 20. sajandi alguses hoolikalt inimkonnale andis. Veelgi salapärasemaks muutuvad mustad augud, mille sündmuste horisondil lakkavad kehtimast kõik meile teadaolevad füüsikaseadused, sealhulgas Einsteini teooria. Kas pole mitte imeline? Lisaks avaldati oletus mustade aukude olemasolust ammu enne Einsteini enda sündi.

1783. aastal kasvas Inglismaal teaduslik tegevus märkimisväärselt. Sel ajal käis teadus religiooniga kõrvuti, nad said omavahel hästi läbi ja teadlasi ei peetud enam ketseriks. Lisaks tegelesid preestrid teadusliku uurimistööga. Üks neist Jumala teenijatest oli inglise pastor John Michell, kes ei mõelnud mitte ainult olemasolu küsimuste, vaid ka täiesti teaduslike probleemide üle. Michell oli väga tituleeritud teadlane: algul oli ta ühes kolledžis matemaatika ja antiiklingvistika õpetaja ning pärast seda võeti ta mitmete avastuste eest vastu Londoni Kuninglikku Seltsi.

John Michell õppis seismoloogiat, kuid vabal ajal meeldis talle mõelda igaviku ja kosmose üle. Nii tekkiski tal idee, et kuskil universumi sügavustes võivad olla ülimassiivsed kehad, millel on nii võimas gravitatsioon, et sellise keha gravitatsioonijõu ületamiseks on vaja liikuda kiirusega, mis on võrdne või suurem. kui valguse kiirus. Kui me aktsepteerime sellist teooriat tõena, siis isegi valgus ei suuda arendada teist kosmilist kiirust (kiirust, mis on vajalik lahkuva keha gravitatsioonilise külgetõmbe ületamiseks), mistõttu selline keha jääb palja silmaga nähtamatuks.

Michell nimetas oma uut teooriat "tumedateks tähtedeks" ja püüdis samal ajal arvutada selliste objektide massi. Ta väljendas oma mõtteid selles küsimuses avalikus kirjas Londoni Kuninglikule Seltsile. Kahjuks polnud neil päevil sellistel uuringutel teaduse jaoks erilist väärtust, mistõttu Michelli kiri saadeti arhiivi. Vaid kakssada aastat hiljem, 20. sajandi teisel poolel, avastati see tuhandete teiste iidses raamatukogus hoolikalt talletatud dokumentide hulgast.

Esimesed teaduslikud tõendid mustade aukude olemasolu kohta

Pärast Einsteini üldise relatiivsusteooria avaldamist asusid matemaatikud ja füüsikud tõsiselt lahendama saksa teadlase esitatud võrrandeid, mis pidid meile universumi ehituse kohta palju uut rääkima. Saksa astronoom ja füüsik Karl Schwarzschild otsustas 1916. aastal sama teha.

Teadlane jõudis oma arvutusi kasutades järeldusele, et mustade aukude olemasolu on võimalik. Ta oli ka esimene, kes kirjeldas seda, mida hiljem nimetati romantiliseks väljendiks "sündmushorisont" – aegruumi kujuteldavat piiri musta augu juures, mille ületamisel on punkt, kust tagasipöördumist ei toimu. Sündmuste horisondist ei pääse miski, isegi valgus mitte. Sündmushorisondist tagapool tekib nn singulaarsus, kus meile teadaolevad füüsikaseadused lakkavad kehtimast.

Jätkates oma teooria arendamist ja võrrandite lahendamist, avastas Schwarzschild enda ja maailma jaoks uusi mustade aukude saladusi. Seega suutis ta ainult paberil arvutada kauguse musta augu keskpunktist, kus selle mass on koondunud, sündmuste horisondini. Schwarzschild nimetas seda kaugust gravitatsiooniraadiuseks.

Vaatamata sellele, et matemaatiliselt olid Schwarzschildi lahendused äärmiselt õiged ja neid ei saanud ümber lükata, ei saanud 20. sajandi alguse teadusringkonnad nii šokeeriva avastusega kohe leppida ning mustade aukude olemasolu kanti maha fantaasiana, mis ilmus igal aastal. nüüd ja siis relatiivsusteoorias. Järgmise pooleteise aastakümne jooksul oli mustade aukude olemasolu kosmoseuuring aeglane ja sellega tegelesid vaid mõned saksa füüsiku teooria järgijad.

Tähed sünnitavad pimedust

Pärast seda, kui Einsteini võrrandid olid tükkideks sorteeritud, oli aeg kasutada tehtud järeldusi universumi struktuuri mõistmiseks. Eelkõige tähtede evolutsiooni teoorias. Pole saladus, et meie maailmas ei kesta miski igavesti. Isegi tähtedel on oma elutsükkel, ehkki pikem kui inimesel.

Üks esimesi teadlasi, kes tähtede evolutsiooni vastu tõsiselt huvi tundis, oli Indiast pärit noor astrofüüsik Subramanjan Chandrasekhar. 1930. aastal avaldas ta teadusliku töö, mis kirjeldas tähtede oletatavat sisemist ehitust ja ka nende elutsükleid.

Juba 20. sajandi alguses arvasid teadlased sellist nähtust nagu gravitatsiooniline kokkusurumine (gravitatsiooniline kollaps). Teatud ajahetkel oma elus hakkab täht gravitatsioonijõudude mõjul tohutu kiirusega kokku tõmbuma. Reeglina juhtub see tähe surma hetkel, kuid gravitatsioonilise kollapsi ajal on kuuma palli jätkuvaks eksisteerimiseks mitu võimalust.

Chandrasekhari teaduslik nõunik Ralph Fowler, omal ajal lugupeetud teoreetiline füüsik, oletas, et gravitatsioonilise kollapsi ajal muutub iga täht väiksemaks ja kuumemaks – valgeks kääbuseks. Kuid selgus, et õpilane "rikkus" õpetaja teooriat, mida eelmise sajandi alguses jagas enamik füüsikuid. Noore indiaanlase töö järgi sõltub tähe hukkumine selle algmassist. Näiteks võivad valgeteks kääbusteks saada vaid need tähed, mille mass ei ületa 1,44 korda Päikese massi. Seda numbrit nimetati Chandrasekhari limiidiks. Kui tähe mass ületas selle piiri, sureb see täiesti erineval viisil. Teatud tingimustel võib selline surmahetkel olev täht uuesti sündida uueks neutrontäheks – see on järjekordne tänapäevase universumi mõistatus. Relatiivsusteooria ütleb meile veel ühe võimaluse – tähe kokkusurumine üliväikesteks väärtusteks ja siit algab lõbu.

1932. aastal ilmus ühes teadusajakirjas artikkel, milles NSVLi geniaalne füüsik Lev Landau soovitas, et kokkuvarisemise ajal surutakse ülimassiivne täht lõpmatu väikese raadiuse ja lõpmatu massiga punktiks. Hoolimata asjaolust, et sellist sündmust on ettevalmistamata inimese seisukohast väga raske ette kujutada, polnud Landau tõest kaugel. Füüsik pakkus ka välja, et relatiivsusteooria järgi on gravitatsioon sellises punktis nii suur, et hakkab aegruumi moonutama.

Astrofüüsikutele Landau teooria meeldis ja nad jätkasid selle arendamist. 1939. aastal tekkis Ameerikas tänu kahe füüsiku – Robert Oppenheimeri ja Hartland Snyderi – pingutustele teooria, mis kirjeldas üksikasjalikult ülimassiivset tähte kokkuvarisemise ajal. Sellise sündmuse tulemusena oleks pidanud tekkima tõeline must auk. Vaatamata argumentide veenvusele eitasid teadlased jätkuvalt niisuguste kehade olemasolu kui ka tähtede nendeks muutumise võimalust. Isegi Einstein distantseeris end sellest ideest, uskudes, et täht pole sellisteks fenomenaalseteks muutusteks võimeline. Teised füüsikud ei koonerdanud oma väidetega, nimetades selliste sündmuste võimalikkust naeruväärseks.
Teadus jõuab aga alati tõeni, tuleb vaid veidi oodata. Ja nii see juhtuski.

Universumi heledaimad objektid

Meie maailm on paradokside kogum. Mõnikord eksisteerivad selles koos asjad, mille kooseksisteerimine trotsib igasugust loogikat. Näiteks terminit "must auk" ei seostaks tavaline inimene väljendiga "uskumatult hele", kuid eelmise sajandi 60. aastate alguses tehtud avastus võimaldas teadlastel seda väidet valeks pidada.

Teleskoopide abil suutsid astrofüüsikud tähistaevast avastada senitundmatuid objekte, mis käitusid väga kummaliselt vaatamata sellele, et nägid välja nagu tavalised tähed. Ameerika teadlane Martin Schmidt juhtis neid kummalisi valgustiid uurides tähelepanu nende spektrograafiale, mille andmed näitasid teiste tähtede skaneerimisest erinevaid tulemusi. Lihtsamalt öeldes ei olnud need tähed nagu teised, kellega oleme harjunud.

Äkitselt koitis see Schmidtile ja ta märkas spektri nihet punases vahemikus. Selgus, et need objektid on meist palju kaugemal kui tähed, mida oleme harjunud taevas vaatlema. Näiteks Schmidti vaadeldud objekt asus meie planeedist kahe ja poole miljardi valgusaasta kaugusel, kuid säras sama eredalt kui mõnisada valgusaasta kaugusel olev täht. Selgub, et ühe sellise objekti valgus on võrreldav terve galaktika heledusega. See avastus oli tõeline läbimurre astrofüüsikas. Teadlane nimetas neid objekte "kvaasitähtedeks" või lihtsalt "kvasariks".

Martin Schmidt jätkas uute objektide uurimist ja leidis, et nii ereda sära võib põhjustada vaid üks põhjus – akretsioon. Akretsioon on ümbritseva aine neeldumine ülimassiivse keha poolt gravitatsiooni abil. Teadlane jõudis järeldusele, et kvasarite keskmes on tohutu must auk, mis uskumatu jõuga tõmbab endasse kosmosesse ümbritseva aine. Kui auk neelab ainet, kiirenevad osakesed tohutu kiiruseni ja hakkavad hõõguma. Musta augu ümber olevat helendavat kuplit nimetatakse akretsioonikettaks. Selle visualiseerimist demonstreeris hästi Christopher Nolani film Interstellar, mis tekitas palju küsimusi: "kuidas saab must auk hõõguda?"

Tänaseks on teadlased tähistaevast leidnud juba tuhandeid kvasareid. Neid kummalisi, uskumatult eredaid objekte nimetatakse universumi majakateks. Need võimaldavad meil kosmose struktuuri pisut paremini ette kujutada ja läheneda hetkele, millest see kõik alguse sai.

Kuigi astrofüüsikud olid juba aastaid saanud kaudseid tõendeid ülimassiivsete nähtamatute objektide olemasolust universumis, eksisteeris mõiste "must auk" alles 1967. aastal. Keeruliste nimede vältimiseks tegi Ameerika füüsik John Archibald Wheeler ettepaneku nimetada selliseid objekte mustadeks aukudeks. Miks mitte? Mingil määral on need mustad, sest me ei näe neid. Pealegi tõmbavad nad kõike ligi, neisse võib kukkuda nagu päris auku. Ja tänapäeva füüsikaseaduste järgi on sellisest kohast lihtsalt võimatu välja pääseda. Stephen Hawking aga väidab, et läbi musta augu rännates võib sattuda teise Universumi, teise maailma ja see on lootus.

Hirm lõpmatuse ees

Mustade aukude liigse salapära ja romantiseerimise tõttu on neist objektidest saanud inimeste seas tõeline õuduslugu. Tabloidajakirjandus armastab spekuleerida elanikkonna kirjaoskamatuse üle, avaldades hämmastavaid lugusid sellest, kuidas meie Maa poole liigub tohutu must auk, mis mõne tunniga päikesesüsteemi õgib, või lihtsalt paiskab meie planeedi suunas mürgiseid gaase. .

Eriti populaarne on teema planeedi hävitamisest suure hadronipõrgetise abil, mis ehitati Euroopas 2006. aastal Euroopa Tuumauuringute Nõukogu (CERN) territooriumil. Paanikalaine algas kellegi rumala naljana, kuid kasvas lumepallina. Keegi käivitas kuulujutu, et põrkeri osakeste kiirendisse võib tekkida must auk, mis neelaks meie planeedi täielikult alla. Loomulikult hakkasid nördinud inimesed nõudma LHC-s katsete keelustamist, kartes sündmuste sellist tulemust. Euroopa Kohtusse hakkasid laekuma hagiavaldused, milles nõuti põrkeseadme sulgemist ja selle loonud teadlaste karistamist seaduse täies ulatuses.

Tegelikult ei eita füüsikud, et osakeste põrkumisel suures hadronipõrgutis võivad tekkida objektid, mis on omadustelt sarnased mustade aukudega, kuid nende suurus on elementaarosakeste suuruse tasemel ja sellised "augud" eksisteerivad sellisel juhul. lühikest aega, et me ei suuda isegi nende esinemist registreerida.

Üks peamisi eksperte, kes inimeste ees teadmatuse lainet hajutada püüab, on kuulus teoreetiline füüsik Stephen Hawking, keda pealegi peetakse mustade aukude osas tõeliseks “guruks”. Hawking tõestas, et mustad augud ei neela alati akretsiooniketastesse ilmuvat valgust ja osa sellest hajub kosmosesse. Seda nähtust nimetati Hawkingi kiirguseks ehk musta augu aurustumiseks. Hawking tuvastas ka seose musta augu suuruse ja selle "aurustumiskiiruse" vahel - mida väiksem see on, seda vähem aega see eksisteerib. See tähendab, et kõik Suure hadronipõrgutaja vastased ei peaks muretsema: selles olevad mustad augud ei suuda ellu jääda isegi miljondiksekundit.

Teooria pole praktikas tõestatud

Kahjuks ei võimalda inimtehnoloogia praeguses arengujärgus testida enamikku astrofüüsikute ja teiste teadlaste väljatöötatud teooriatest. Ühest küljest on mustade aukude olemasolu üsna veenvalt paberil tõestatud ja tuletatud valemite abil, milles kõik sobib iga muutujaga. Teisalt ei ole me praktikas veel päris musta auku oma silmaga näha saanud.

Kõigist erimeelsustest hoolimata viitavad füüsikud, et iga galaktika keskmes on ülimassiivne must auk, mis koondab oma gravitatsiooniga tähed parvedesse ning sunnib neid suures ja sõbralikus seltskonnas mööda universumit ringi rändama. Meie Linnutee galaktikas on erinevatel hinnangutel 200–400 miljardit tähte. Kõik need tähed tiirlevad millegi ümber, millel on tohutu mass, mida me teleskoobiga ei näe. Tõenäoliselt on see must auk. Kas me peaksime teda kartma? – Ei, vähemalt mitte järgmise paari miljardi aasta jooksul, aga me saame sellest teha veel ühe huvitava filmi.

Seoses suhteliselt hiljutise huvi kasvuga kosmoseuuringute teemaliste populaarteaduslike filmide loomise vastu on tänapäeva vaatajad palju kuulnud sellistest nähtustest nagu singulaarsus ehk must auk. Kuid ilmselgelt ei paljasta filmid nende nähtuste täielikku olemust ja mõnikord isegi moonutavad üles ehitatud teaduslikke teooriaid suurema efekti saavutamiseks. Seetõttu on paljude tänapäeva inimeste arusaam nendest nähtustest kas täiesti pealiskaudne või täiesti ekslik. Üheks lahenduseks tekkinud probleemile on käesolev artikkel, milles püüame mõista olemasolevaid uurimistulemusi ja vastata küsimusele - mis on must auk?

1784. aastal mainis inglise preester ja loodusteadlane John Michell esmakordselt kirjas Kuninglikule Seltsile teatud hüpoteetilist massiivset keha, millel on nii tugev gravitatsiooniline külgetõmme, et selle teine ​​põgenemiskiirus ületab valguse kiiruse. Teine põgenemiskiirus on kiirus, mida suhteliselt väike objekt vajab, et ületada taevakeha gravitatsiooniline külgetõmbejõud ja väljuda selle keha ümber olevast suletud orbiidist. Tema arvutuste kohaselt on Päikese tihedusega ja 500 päikeseraadiuse raadiusega keha pinnal teine ​​kosmiline kiirus, mis on võrdne valguse kiirusega. Sellisel juhul ei lahku isegi valgus sellise keha pinnalt ja seetõttu neelab see keha ainult sissetulevat valgust ja jääb vaatlejale nähtamatuks - omamoodi must laik pimeda ruumi taustal.

Kuid Michelli ülimassiivse keha kontseptsioon ei äratanud erilist huvi kuni Einsteini loominguni. Meenutagem, et viimane defineeris valguse kiiruse kui info edastamise maksimaalse kiiruse. Lisaks laiendas Einstein gravitatsiooniteooriat valguse kiirusele lähedasele kiirusele (). Seetõttu ei olnud Newtoni teooriat mustade aukude puhul enam asjakohane rakendada.

Einsteini võrrand

Mustadele aukudele üldrelatiivsusteooria rakendamise ja Einsteini võrrandite lahendamise tulemusena selgusid musta augu peamised parameetrid, mida on ainult kolm: mass, elektrilaeng ja nurkimpulss. Väärib märkimist India astrofüüsiku Subramanian Chandrasekhari oluline panus, kes lõi fundamentaalse monograafia: "Mustade aukude matemaatiline teooria".

Seega on Einsteini võrrandite lahendus esitatud nelja võimaliku tüüpi mustade aukude jaoks neljas variandis:

• BH ilma pöörlemise ja laadimiseta – Schwarzschildi lahendus. Üks esimesi musta augu kirjeldusi (1916), kasutades Einsteini võrrandeid, kuid võtmata arvesse kahte keha kolmest parameetrist. Saksa füüsiku Karl Schwarzschildi lahendus võimaldab arvutada sfäärilise massiivse keha välise gravitatsioonivälja. Saksa teadlase mustade aukude kontseptsiooni eripära on sündmuste horisondi olemasolu ja selle taha peitmine. Schwarzschild arvutas esimesena välja ka tema nime saanud gravitatsiooniraadiuse, mis määrab selle sfääri raadiuse, millel asetseks antud massiga keha puhul sündmuste horisont.
• BH ilma pöörlemiseta koos laadimisega – Reisner-Nordströmi lahendus. Aastatel 1916-1918 välja pakutud lahendus, mis arvestab musta augu võimalikku elektrilaengut. See laeng ei saa olla meelevaldselt suur ja on sellest tuleneva elektrilise tõuke tõttu piiratud. Viimast tuleb kompenseerida gravitatsioonilise külgetõmbe abil.
• BH rotatsiooniga ja laenguta – Kerri lahendus (1963). Pöörlev Kerri must auk erineb staatilisest nn ergosfääri olemasolu poolest (selle ja teiste musta augu komponentide kohta loe lähemalt).
• BH koos pöörlemise ja laadimisega - Kerr-Newmani lahendus. See lahendus arvutati 1965. aastal ja on praegu kõige täielikum, kuna see võtab arvesse musta augu kõiki kolme parameetrit. Siiski eeldatakse endiselt, et looduses on mustadel aukudel tähtsusetu laeng.

Musta augu teke

Musta augu tekkimise ja ilmumise kohta on mitu teooriat, millest kuulsaim on see, et see tekib piisava massiga tähe gravitatsioonilise kokkuvarisemise tagajärjel. Selline kokkusurumine võib lõpetada selliste tähtede evolutsiooni, mille mass on üle kolme päikese massi. Pärast termotuumareaktsioonide lõppemist selliste tähtede sees hakkavad nad kiiresti supertihedaks tõmbuma. Kui neutrontähe gaasirõhk ei suuda gravitatsioonijõude kompenseerida ehk siis tähe mass ületab nn. Oppenheimer-Volkoffi piiri, siis kollaps jätkub, mille tulemuseks on aine kokkusurumine mustaks auguks.

Teine stsenaarium, mis kirjeldab musta augu sündi, on protogalaktilise gaasi kokkusurumine, see tähendab tähtedevahelise gaasi kokkusurumine galaktikaks või mingiks parveks muutumise staadiumis. Kui siserõhk on ebapiisav samade gravitatsioonijõudude kompenseerimiseks, võib tekkida must auk.

Kaks muud stsenaariumi jäävad hüpoteetiliseks:

• Musta augu tekkimine nn ürgsed mustad augud.
• Tekkimine suurel energial toimuvate tuumareaktsioonide tulemusena. Selliste reaktsioonide näiteks on katsed põrkeseadmetega.

Mustade aukude struktuur ja füüsika

Musta augu struktuur Schwarzschildi järgi sisaldab ainult kahte varem mainitud elementi: musta augu singulaarsust ja sündmuste horisonti. Lühidalt singulaarsusest rääkides võib märkida, et selle kaudu on võimatu sirgjoont tõmmata ja ka enamik olemasolevaid füüsikalisi teooriaid selle sees ei tööta. Seega jääb singulaarsuse füüsika tänapäeval teadlastele mõistatuseks. must auk on teatud piir, mille ületamisel kaotab füüsiline objekt võimaluse üle oma piiride tagasi pöörduda ja “langeb” kindlasti musta augu singulaarsusse.

Musta augu struktuur muutub mõnevõrra keerulisemaks Kerri lahenduse puhul, nimelt musta augu pöörlemise korral. Kerri lahendus eeldab, et augul on ergosfäär. Ergosfäär on sündmuste horisondist väljaspool asuv teatud piirkond, mille sees kõik kehad liiguvad musta augu pöörlemissuunas. See ala pole veel põnev ja erinevalt sündmuste horisondist on võimalik sealt lahkuda. Ergosfäär on tõenäoliselt mingi akretsiooniketta analoog, mis kujutab endast massiivsete kehade ümber pöörlevat ainet. Kui staatilist Schwarzschildi musta auku kujutatakse musta sfäärina, siis Kerry must auk on ergosfääri olemasolu tõttu lapiku ellipsoidi kujuga, mille kujul nägime vanasti joonistel sageli musti auke. filme või videomänge.

• Kui palju must auk kaalub? – Kõige teoreetilisem materjal musta augu tekkimise kohta on saadaval selle stsenaariumi kohta, mis tekib tähe kokkuvarisemise tagajärjel. Sel juhul määratakse neutrontähe maksimaalne ja musta augu minimaalne mass Oppenheimeri - Volkovi piiriga, mille järgi on musta augu massi alumine piir 2,5 - 3 päikesemassi. Raskeima avastatud musta augu (galaktikas NGC 4889) mass on 21 miljardit päikesemassi. Siiski ei tohiks me unustada musti auke, mis hüpoteetiliselt tekivad suure energiaga tuumareaktsioonide tulemusena, näiteks põrkajate juures. Selliste kvantmustade aukude, teisisõnu “Plancki mustade aukude” mass on suurusjärgus, nimelt 2·10–5 g.
• Musta augu suurus. Musta augu minimaalse raadiuse saab arvutada minimaalse massi järgi (2,5 – 3 päikesemassi). Kui Päikese gravitatsiooniraadius ehk piirkond, kus asetseks sündmuste horisont, on umbes 2,95 km, siis 3 päikesemassiga musta augu minimaalne raadius on umbes üheksa kilomeetrit. Selliseid suhteliselt väikeseid suurusi on raske mõista, kui räägime massiivsetest objektidest, mis tõmbavad ligi kõike enda ümber. Kvantmustade aukude raadius on aga 10–35 m.
• Musta augu keskmine tihedus sõltub kahest parameetrist: massist ja raadiusest. Umbes kolme päikesemassiga musta augu tihedus on umbes 6 10 26 kg/m³, vee tihedus aga 1000 kg/m³. Nii väikseid musti auke pole teadlased aga leidnud. Enamiku avastatud mustade aukude mass on suurem kui 105 päikesemassi. On huvitav muster, mille kohaselt mida massiivsem on must auk, seda väiksem on selle tihedus. Sel juhul toob massi muutus 11 suurusjärgu võrra kaasa tiheduse muutuse 22 suurusjärgu võrra. Seega on musta augu, mille mass on 1,10 9 päikesemassi, tihedus 18,5 kg/m³, mis on ühe võrra väiksem kulla tihedusest. Ja mustadel aukudel, mille mass on üle 10 10 päikesemassi, võib keskmine tihedus olla väiksem kui õhul. Nende arvutuste põhjal on loogiline eeldada, et musta augu teke ei toimu aine kokkusurumisel, vaid suure hulga aine kogunemise tulemusena teatud ruumalasse. Kvantmustade aukude puhul võib nende tihedus olla umbes 10 94 kg/m³.
• Ka musta augu temperatuur sõltub pöördvõrdeliselt selle massist. See temperatuur on otseselt seotud. Selle kiirguse spekter langeb kokku absoluutselt musta keha spektriga, st kehaga, mis neelab kogu langeva kiirguse. Absoluutselt musta keha kiirgusspekter sõltub ainult selle temperatuurist, siis saab musta augu temperatuuri määrata Hawkingi kiirgusspektrist. Nagu eespool mainitud, on see kiirgus seda võimsam, mida väiksem on must auk. Samal ajal jääb Hawkingi kiirgus hüpoteetiliseks, kuna astronoomid pole seda veel täheldanud. Sellest järeldub, et kui Hawkingi kiirgus on olemas, siis on vaadeldavate mustade aukude temperatuur nii madal, et see ei võimalda seda kiirgust tuvastada. Arvutuste kohaselt on isegi Päikese massi suurusjärgus oleva augu temperatuur tühiselt väike (1·10 -7 K ehk -272°C). Kvantmustade aukude temperatuur võib ulatuda umbes 10 12 K-ni ja nende kiire aurustumisega (umbes 1,5 minutit) võivad sellised mustad augud eraldada umbes kümne miljoni aatomipommi energiat. Kuid õnneks oleks selliste hüpoteetiliste objektide loomiseks vaja 10 14 korda suuremat energiat kui tänapäeval suure hadronite põrgataja puhul. Lisaks pole astronoomid kunagi selliseid nähtusi täheldanud.

Millest must auk koosneb?

Teine küsimus teeb murelikuks nii teadlasi kui ka lihtsalt astrofüüsikahuvilisi – millest must auk koosneb? Sellele küsimusele pole selget vastust, sest pole võimalik vaadata kaugemale mis tahes musta auku ümbritsevast sündmuste horisondist. Lisaks, nagu varem mainitud, näevad musta augu teoreetilised mudelid ette ainult 3 selle komponenti: ergosfäär, sündmuste horisont ja singulaarsus. On loogiline eeldada, et ergosfääris on ainult need objektid, mida must auk tõmbas ja mis nüüd selle ümber tiirlevad - mitmesugused kosmilised kehad ja kosmiline gaas. Sündmuste horisont on vaid õhuke kaudne piir, millest kord üle tõmbuvad samad kosmilised kehad pöördumatult musta augu viimase põhikomponendi – singulaarsuse – poole. Singulaarsuse olemust pole tänapäeval uuritud ja selle koostisest on vara rääkida.

Mõnede eelduste kohaselt võib must auk koosneda neutronitest. Kui järgida musta augu tekkimise stsenaariumi tähe kokkusurumisel neutrontäheks koos selle järgneva kokkusurumisega, siis tõenäoliselt moodustavad musta augu põhiosa neutronitest, millest neutrontäht ise on. koostatud. Lihtsamalt öeldes: kui täht kokku variseb, surutakse selle aatomid kokku nii, et elektronid ühinevad prootonitega, moodustades seeläbi neutroneid. Sarnane reaktsioon toimub tegelikult ka looduses ja neutroni moodustumisega tekib neutriinokiirgus. Need on siiski vaid oletused.

Mis juhtub, kui satud musta auku?

Astrofüüsilisse musta auku kukkumine põhjustab keha venimise. Mõelge hüpoteetilisele enesetapukosmonautile, kes suundub musta auku, kandes ainult skafandrit, jalad ees. Sündmushorisonti ületades ei märka astronaut mingeid muutusi, hoolimata sellest, et tal pole enam võimalust tagasi saada. Mingil hetkel jõuab astronaut punkti (sündmushorisondist veidi tagapool), kus hakkab toimuma tema keha deformatsioon. Kuna musta augu gravitatsiooniväli on ebaühtlane ja seda kujutab tsentri suunas suurenev jõugradient, siis astronaudi jalad on allutatud märgatavalt suuremale gravitatsioonimõjule kui näiteks pea. Siis "kukkuvad" jalad gravitatsiooni või pigem loodete mõjul kiiremini. Seega hakkab keha järk-järgult pikenema. Selle nähtuse kirjeldamiseks on astrofüüsikud välja mõelnud üsna loomingulise termini – spagetistamine. Keha edasine venitamine lagundab selle tõenäoliselt aatomiteks, mis varem või hiljem jõuavad singulaarsuseni. Võib vaid oletada, kuidas inimene end selles olukorras tunneb. Tasub teada, et keha venitamise mõju on pöördvõrdeline musta augu massiga. See tähendab, et kui kolme Päikese massiga must auk venitab/rebib keha hetkega välja, siis on ülimassiivsel mustal augul madalamad loodete jõud ja on oletusi, et mõned füüsikalised materjalid võivad sellist deformatsiooni "taluda" oma struktuuri kaotamata.

Nagu teate, voolab aeg massiivsete objektide läheduses aeglasemalt, mis tähendab, et enesetaputerroristi astronaudi jaoks kulub aeg palju aeglasemalt kui maalastel. Sel juhul võib-olla elab ta üle mitte ainult oma sõprade, vaid ka Maa enda. Et teha kindlaks, kui palju aega astronaudil aeglustub, on vaja arvutusi, kuid ülaltoodu põhjal võib eeldada, et astronaut kukub musta auku väga aeglaselt ja võib-olla lihtsalt ei ela hetkeni, mil tema keha hakkab deformeeruma.

Tähelepanuväärne on see, et väljastpoolt vaatleja jaoks jäävad kõik sündmuste horisonti üles lendavad kehad selle horisondi servale, kuni nende kujutis kaob. Selle nähtuse põhjuseks on gravitatsiooniline punanihe. Mõnevõrra lihtsustades võib öelda, et sündmuste horisondis “külmunud” enesetapukosmonaudi kehale langev valgus muudab aeglustunud aja tõttu oma sagedust. Mida aeglasemalt aeg möödub, siis valguse sagedus väheneb ja lainepikkus suureneb. Selle nähtuse tulemusena nihkub valgus väljundis, see tähendab välise vaatleja jaoks, järk-järgult madala sageduse - punase - suunas. Toimub valguse nihe piki spektrit, kuna enesetapja-kosmonaut liigub vaatlejast aina kaugemale, kuigi peaaegu märkamatult, ning tema aeg voolab aina aeglasemalt. Seega läheb tema kehalt peegelduv valgus peagi nähtavast spektrist kaugemale (pilt kaob) ning astronaudi keha on edaspidi võimalik tuvastada vaid infrapunakiirguse piirkonnast, hiljem raadiosageduselt ning selle tulemusena on astronaudi keha tuvastatav vaid infrapunakiirguse piirkonnast. kiirgus on täiesti tabamatu.

Vaatamata eeltoodule eeldatakse, et väga suurtes supermassiivsetes mustades aukudes ei muutu loodete jõud kaugusega nii palju ja mõjuvad langevale kehale peaaegu ühtlaselt. Sellisel juhul säilitaks langev kosmoselaev oma struktuuri. Tekib mõistlik küsimus: kuhu must auk viib? Sellele küsimusele saab vastata mõne teadlase tööga, mis seob omavahel kaks nähtust nagu ussiaugud ja mustad augud.

Juba 1935. aastal esitasid Albert Einstein ja Nathan Rosen hüpoteesi niinimetatud ussiaukude olemasolu kohta, mis ühendavad kahte aegruumi punkti läbi viimaste olulise kumerusega kohtade - Einsteini-Roseni silla või ussiauku. Sellise võimsa ruumikõveruse jaoks oleks vaja hiiglasliku massiga kehasid, mille rolli täidaksid suurepäraselt mustad augud.

Einstein-Roseni silda peetakse läbimatuks ussiauguks, kuna see on väikese suurusega ja ebastabiilne.

Läbitav ussiauk on võimalik mustade ja valgete aukude teooria raames. Kus valge auk on musta auku lõksu jäänud teabe väljund. Valget auku kirjeldatakse üldrelatiivsusteooria raames, kuid täna jääb see hüpoteetiliseks ja seda pole avastatud. Ameerika teadlased Kip Thorne ja tema kraadiõppur Mike Morris pakkusid välja veel ühe ussiaugu mudeli, mis võib olla läbitav. Kuid nii Morris-Thorne’i ussiaugu kui ka mustade ja valgete aukude puhul eeldab rännakuvõimalus nn eksootilise aine olemasolu, millel on negatiivne energia ja mis jääb samuti hüpoteetiliseks.

Mustad augud universumis

Mustade aukude olemasolu sai kinnitust suhteliselt hiljuti (september 2015), kuid enne seda oli juba palju teoreetilist materjali mustade aukude olemuse kohta, aga ka palju kandidaatobjekte musta augu rolli kohta. Kõigepealt peaksite võtma arvesse musta augu suurust, kuna nähtuse olemus sõltub neist:

• Tähemassi must auk. Sellised objektid tekivad tähe kokkuvarisemise tulemusena. Nagu varem mainitud, on sellise musta augu moodustamiseks võimelise keha minimaalne mass 2,5–3 päikesemassi.
• Keskmassiga mustad augud. Tingimuslik vahepealne musta augu tüüp, mis on kasvanud lähedal asuvate objektide, näiteks gaasiparve, naabertähe (kahe tähe süsteemides) ja muude kosmiliste kehade neeldumise tõttu.
• Supermassiivne must auk. Kompaktsed objektid 10 5 -10 10 päikesemassiga. Selliste mustade aukude iseloomulikud omadused on nende paradoksaalselt madal tihedus ja nõrgad loodete jõud, millest oli varem juttu. See on täpselt ülimassiivne must auk meie Linnutee galaktika (Sagittarius A*, Sgr A*) ja ka enamiku teiste galaktikate keskmes.

ChD kandidaadid

Lähim must auk, õigemini musta augu kandidaat, on objekt (V616 Monoceros), mis asub Päikesest 3000 valgusaasta kaugusel (meie galaktikas). See koosneb kahest komponendist: tähest, mille mass on pool Päikese massist, ja ka nähtamatust väikesest kehast, mille mass on 3–5 Päikese massi. Kui see objekt osutub väikeseks tähemassiga mustaks auguks, saab sellest õigustatult lähim must auk.

Selle objekti järel on teine ​​lähim must auk objekt Cygnus X-1 (Cyg X-1), mis oli esimene kandidaat musta augu rolli. Kaugus sellest on ligikaudu 6070 valgusaastat. Üsna hästi uuritud: selle mass on 14,8 päikesemassi ja sündmuste horisondi raadius on umbes 26 km.

Mõnede allikate väitel võib musta augu rolliks olla veel üks lähim kandidaat tähesüsteemis V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), mis asus 1999. aasta hinnangul 1600 valgusaasta kaugusel. Hilisemad uuringud on aga suurendanud seda vahemaad vähemalt 15 korda.

Mitu musta auku on meie galaktikas?

Sellele küsimusele pole täpset vastust, kuna nende vaatlemine on üsna keeruline ja kogu taeva uurimisperioodi jooksul on teadlased suutnud Linnuteest avastada kümmekond musta auku. Arvutustesse laskumata märgime, et meie galaktikas on umbes 100–400 miljardit tähte ja umbes igal tuhandel tähel on piisavalt massi musta augu moodustamiseks. Tõenäoliselt võis Linnutee eksisteerimise ajal tekkida miljoneid musti auke. Kuna tohutu suurusega musti auke on lihtsam tuvastada, on loogiline eeldada, et tõenäoliselt ei ole suurem osa meie galaktika mustadest aukudest ülimassiivsed. Tähelepanuväärne on, et NASA 2005. aasta uuringud viitavad terve galaktika keskpunkti ümber tiirleva mustade aukude sülemile (10-20 tuhat). Lisaks avastasid Jaapani astrofüüsikud 2016. aastal objekti lähedalt massiivse satelliidi * – musta augu, Linnutee tuuma. Selle keha väikese raadiuse (0,15 valgusaastat) ja tohutu massi (100 000 päikesemassi) tõttu oletavad teadlased, et see objekt on ka ülimassiivne must auk.

Meie galaktika tuum, Linnutee must auk (Sagittarius A*, Sgr A* või Sagittarius A*) on ülimassiivne ja selle mass on 4,31 10 6 päikesemassi ja raadius 0,00071 valgusaastat (6,25 valgustundi). ehk 6,75 miljardit km). Sagittarius A* temperatuur koos seda ümbritseva kobaraga on umbes 1·10 7 K.

Suurim must auk

Universumi suurim must auk, mille teadlased avastasid, on supermassiivne must auk, FSRQ blazar, galaktika S5 0014+81 keskel, Maast 1,2 10 10 valgusaasta kaugusel. Swifti kosmoseobservatooriumi abil tehtud esialgsete vaatlustulemuste kohaselt oli musta augu mass 40 miljardit (40·10 9) päikesemassi ja sellise augu Schwarzschildi raadius oli 118,35 miljardit kilomeetrit (0,013 valgusaastat). Lisaks tekkis see arvutuste kohaselt 12,1 miljardit aastat tagasi (1,6 miljardit aastat pärast Suurt Pauku). Kui see hiiglaslik must auk ei ima endasse seda ümbritsevat ainet, elab see mustade aukude ajastusse – ühe Universumi arengu ajastuni, mille jooksul hakkavad selles domineerima mustad augud. Kui galaktika S5 0014+81 tuum jätkab kasvamist, saab sellest üks viimastest mustadest aukudest, mis universumis eksisteerib.

Ülejäänud kaks teadaolevat musta auku, kuigi neil pole oma nime, on mustade aukude uurimisel kõige olulisemad, kuna need kinnitasid nende olemasolu eksperimentaalselt ja andsid olulisi tulemusi ka gravitatsiooni uurimisel. Jutt käib sündmusest GW150914, mis on kahe musta augu kokkupõrge üheks. See üritus võimaldas registreeruda.

Mustade aukude tuvastamine

Enne mustade aukude tuvastamise meetodite kaalumist peaksime vastama küsimusele – miks on must auk must? – vastus sellele ei nõua sügavaid teadmisi astrofüüsikast ja kosmoloogiast. Fakt on see, et must auk neelab kogu sellele langeva kiirguse ja ei kiirga üldse, kui te ei võta hüpoteetilist arvesse. Kui seda nähtust üksikasjalikumalt käsitleda, võib eeldada, et protsessid, mis viivad energia vabanemiseni elektromagnetilise kiirguse kujul, ei toimu mustade aukude sees. Siis, kui must auk kiirgab, teeb see seda Hawkingi spektris (mis langeb kokku kuumutatud, absoluutselt musta keha spektriga). Kuid nagu varem mainitud, seda kiirgust ei tuvastatud, mis viitab sellele, et mustade aukude temperatuur on täiesti madal.

Teine üldtunnustatud teooria ütleb, et elektromagnetkiirgus ei ole üldse võimeline sündmuste horisondist lahkuma. Suure tõenäosusega massiivsed objektid footoneid (valgusosakesi) ei tõmba, kuna teooria kohaselt pole neil endil massi. Kuid must auk "meelitab" endiselt valguse footoneid aegruumi moonutuste kaudu. Kui kujutleme musta auku ruumis teatud süvendina aegruumi siledal pinnal, siis on musta augu keskpunktist teatav kaugus, millele lähenedes ei suuda valgus sellest enam eemalduda. See tähendab, et jämedalt öeldes hakkab valgus "kukkuma" "auku", millel pole isegi "põhja".

Lisaks, kui võtta arvesse gravitatsioonilise punanihke mõju, on võimalik, et mustas augus olev valgus kaotab oma sageduse, nihkudes mööda spektrit madala sagedusega pikalainelise kiirguse piirkonda, kuni kaotab täielikult energia.

Seega on must auk musta värvi ja seetõttu ruumis raskesti tuvastatav.

Tuvastamismeetodid

Vaatame meetodeid, mida astronoomid musta augu tuvastamiseks kasutavad:

Lisaks ülalmainitud meetoditele seostavad teadlased sageli selliseid objekte nagu mustad augud ja. Kvasarid on teatud kosmiliste kehade ja gaaside parved, mis kuuluvad universumi eredaimate astronoomiliste objektide hulka. Kuna neil on suhteliselt väikeste suuruste juures kõrge luminestsentsi intensiivsus, on põhjust eeldada, et nende objektide keskpunkt on ülimassiivne must auk, mis tõmbab ligi ümbritsevat ainet. Tänu sellisele võimsale gravitatsioonilisele külgetõmbejõule on tõmmatud aine nii kuumenenud, et kiirgab intensiivselt. Selliste objektide avastamist võrreldakse tavaliselt musta augu avastamisega. Mõnikord võivad kvasarid kiirata kuumutatud plasma jugasid kahes suunas – relativistlikke jugasid. Selliste jugade ilmumise põhjused pole päris selged, kuid tõenäoliselt on need põhjustatud musta augu ja akretsiooniketta magnetvälja vastasmõjust ning neid ei kiirga otsene must auk.

Jet M87 galaktikas tulistab musta augu keskelt

Ülaltoodu kokkuvõtteks võib ette kujutada, et see on sfääriline must objekt, mille ümber keerleb kõrgelt kuumenenud aine, moodustades helendava akretsiooniketta.

Mustade aukude ühinemised ja kokkupõrked

Üks huvitavamaid nähtusi astrofüüsikas on mustade aukude kokkupõrge, mis võimaldab tuvastada ka selliseid massiivseid astronoomilisi kehasid. Sellised protsessid pakuvad huvi mitte ainult astrofüüsikutele, kuna nende tulemuseks on nähtused, mida füüsikud on vähe uurinud. Markantseim näide on varem mainitud sündmus nimega GW150914, mil kaks musta auku jõudsid nii lähedale, et vastastikuse gravitatsioonilise külgetõmbe tulemusena ühinesid üheks. Selle kokkupõrke oluline tagajärg oli gravitatsioonilainete tekkimine.

Definitsiooni järgi on gravitatsioonilained gravitatsioonivälja muutused, mis levivad lainetaoliselt massiivsetest liikuvatest objektidest. Kui kaks sellist objekti lähenevad, hakkavad nad pöörlema ​​ümber ühise raskuskeskme. Kui nad lähenevad, suureneb nende pöörlemine ümber oma telje. Sellised gravitatsioonivälja vahelduvad võnkumised ühel hetkel võivad moodustada ühe võimsa gravitatsioonilaine, mis võib kosmoses levida miljoneid valgusaastaid. Nii põrkasid 1,3 miljardi valgusaasta kaugusel kokku kaks musta auku, mis tekitasid võimsa gravitatsioonilaine, mis jõudis Maale 14. septembril 2015 ja mille registreerisid LIGO ja VIRGO detektorid.

Kuidas mustad augud surevad?

Ilmselgelt peaks must auk lakkama eksisteerimast kaotama kogu oma massi. Kuid selle määratluse kohaselt ei saa miski mustast august lahkuda, kui see on ületanud selle sündmuste horisondi. Teatavasti mainis mustast august osakeste emissiooni võimalust esmakordselt Nõukogude teoreetiline füüsik Vladimir Gribov oma arutelus teise Nõukogude teadlase Jakov Zeldovitšiga. Ta väitis, et kvantmehaanika seisukohalt on must auk võimeline tunneliefekti kaudu osakesi kiirgama. Hiljem koostas inglise teoreetiline füüsik Stephen Hawking kvantmehaanikat kasutades oma, veidi teistsuguse teooria. Selle nähtuse kohta saate rohkem lugeda. Lühidalt öeldes on vaakumis nn virtuaalsed osakesed, mis sünnivad pidevalt paarikaupa ja hävitavad üksteist, suhtlemata välismaailmaga. Aga kui sellised paarid ilmuvad musta augu sündmuste horisondile, on tugev gravitatsioon hüpoteetiliselt võimeline neid eraldama, kusjuures üks osake kukub musta auku ja teine ​​eemaldub mustast august. Ja kuna august eemale lendavat osakest on võimalik jälgida ja seetõttu on tal positiivne energia, siis peab auku kukkuv osake olema negatiivse energiaga. Seega kaotab must auk oma energia ja tekib efekt, mida nimetatakse musta augu aurustumiseks.

Olemasolevate musta augu mudelite kohaselt, nagu varem mainitud, muutub selle kiirgus intensiivsemaks selle massi vähenedes. Seejärel, musta augu eksisteerimise viimases etapis, kui see võib kahaneda kvantmusta augu suuruseks, vabastab see kiirguse kujul tohutul hulgal energiat, mis võib olla võrdne tuhandete või isegi miljonite aatomitega. pommid. See sündmus meenutab mõneti musta augu plahvatust, nagu seesama pomm. Arvutuste kohaselt võisid ürgsed mustad augud sündida Suure Paugu tagajärjel ning umbes 10 12 kg massiga need oleks meie ajal aurustunud ja plahvatanud. Olgu kuidas on, aga selliseid plahvatusi pole astronoomid kunagi märganud.

Hoolimata Hawkingi pakutud mehhanismist mustade aukude hävitamiseks, põhjustavad Hawkingi kiirguse omadused kvantmehaanika raames paradoksi. Kui must auk neelab teatud keha ja seejärel kaotab selle keha neeldumisest tuleneva massi, siis olenemata keha olemusest ei erine must auk sellest, mis ta oli enne keha neelamist. Sel juhul kaob teave keha kohta igaveseks. Teoreetiliste arvutuste seisukohalt ei vasta algse puhta oleku muundumine tekkivasse segaolekusse (“termiliseks”) praegusele kvantmehaanika teooriale. Seda paradoksi nimetatakse mõnikord teabe kadumiseks mustas augus. Sellele paradoksile pole kunagi leitud lõplikku lahendust. Tuntud lahendused paradoksile:

• Hawkingi teooria kehtetus. See toob kaasa musta augu hävitamise võimatuse ja selle pideva kasvu.
• Valgete aukude olemasolu. Sel juhul neeldunud informatsioon ei kao, vaid visatakse lihtsalt teise Universumi välja.
• Üldtunnustatud kvantmehaanika teooria ebakõla.

Musta augu füüsika lahendamata probleem

Kõige varem kirjeldatu põhjal otsustades on mustadel aukudel, kuigi neid on uuritud suhteliselt pikka aega, siiski palju tunnuseid, mille tekkemehhanismid on teadlastele seni teadmata.

• 1970. aastal sõnastas üks inglise teadlane nn. "kosmilise tsensuuri põhimõte" - "Loodus jälestab alasti singulaarsust." See tähendab, et singulaarsused tekivad ainult varjatud kohtades, näiteks musta augu keskpunktis. Seda põhimõtet pole aga veel tõestatud. Samuti on olemas teoreetilised arvutused, mille järgi võib tekkida “alasti” singulaarsus.
• Tõestust pole leidnud ka “no hair teoreem”, mille kohaselt mustadel aukudel on vaid kolm parameetrit.
• Musta augu magnetosfääri täielikku teooriat pole välja töötatud.
• Gravitatsioonilise singulaarsuse olemust ja füüsikat ei ole uuritud.
• Pole täpselt teada, mis juhtub musta augu eksisteerimise viimases staadiumis ja mis jääb alles pärast selle kvantlagunemist.

Huvitavad faktid mustade aukude kohta

Ülaltoodut kokku võttes võime esile tuua mitmeid huvitavaid ja ebatavalisi mustade aukude olemuse tunnuseid:

• BH-del on ainult kolm parameetrit: mass, elektrilaeng ja nurkimment. Selle keha nii väikese arvu omaduste tõttu nimetatakse seda väitvat teoreemi "juusteta teoreemiks". Siit tuli ka väljend “mustal augul pole juukseid”, mis tähendab, et kaks musta auku on absoluutselt identsed, nende kolm mainitud parameetrit on samad.
• Musta augu tihedus võib olla väiksem kui õhu tihedus ja temperatuur on absoluutse nulli lähedal. Sellest võib eeldada, et musta augu tekkimine ei toimu aine kokkusurumisel, vaid suure hulga aine kogunemise tulemusena teatud ruumalasse.
• Aeg möödub mustas augus neelduvate kehade jaoks palju aeglasemalt kui välisvaatleja jaoks. Lisaks venivad neeldunud kehad märkimisväärselt musta augu sees, mida teadlased nimetavad spagetatsiooniks.
• Meie galaktikas võib olla umbes miljon musta auku.
• Tõenäoliselt on iga galaktika keskmes ülimassiivne must auk.
• Tulevikus jõuab Universum teoreetilise mudeli järgi nn mustade aukude ajastusse, mil mustadest aukudest saavad Universumis domineerivad kehad.

Kõigist inimkonnale teadaolevatest avakosmoses asuvatest objektidest jätavad mustad augud kõige jubedama ja arusaamatuima mulje. See tunne haarab mustade aukude mainimisel peaaegu iga inimest, hoolimata sellest, et inimkond on neist teadnud juba üle pooleteise sajandi. Esimesed teadmised nende nähtuste kohta saadi ammu enne Einsteini relatiivsusteooria publikatsioone. Kuid tegelik kinnitus nende objektide olemasolu kohta saadi mitte nii kaua aega tagasi.

Muidugi on mustad augud õigusega kuulsad oma kummaliste füüsiliste omaduste poolest, mis tekitavad universumis veelgi rohkem saladusi. Nad vaidlustavad kergesti kõik kosmilised füüsika ja kosmilise mehaanika seadused. Sellise nähtuse kui kosmilise augu olemasolu üksikasjade ja põhimõtete mõistmiseks peame end kurssi viima astronoomia kaasaegsete saavutustega ja kasutama oma kujutlusvõimet, lisaks peame minema standardkontseptsioonidest kaugemale. Kosmiliste aukude mõistmise ja nendega tutvumise hõlbustamiseks on portaali sait koostanud palju huvitavat teavet nende universumi nähtuste kohta.

Mustade aukude omadused portaali saidilt

Esiteks tuleb tähele panna, et mustad augud ei teki tühjast kohast, need on tekkinud tähtedest, mis on oma suuruse ja massiga hiiglaslikud. Pealegi on iga musta augu suurim omadus ja unikaalsus see, et neil on väga tugev gravitatsiooniline tõmbejõud. Objektide tõmbejõud musta augu külge ületab teise põgenemiskiiruse. Sellised gravitatsiooninäitajad näitavad, et isegi valguskiired ei pääse musta augu toimeväljast välja, kuna neil on palju väiksem kiirus.

Atraktsiooni eripära on see, et see tõmbab ligi kõik objektid, mis on vahetus läheduses. Mida suurem on objekt, mis musta augu lähedusest möödub, seda rohkem mõju ja külgetõmmet see saab. Sellest lähtuvalt võime järeldada, et mida suurem objekt, seda tugevamini must auk teda tõmbab ja sellise mõju vältimiseks peavad kosmilise keha liikumiskiirused olema väga suured.

Samuti on ohutu märkida, et kogu universumis pole ühtegi keha, mis võiks vältida musta augu ligitõmbamist, kui see satub selle vahetusse lähedusse, sest isegi kõige kiirem valgusvoog ei pääse sellest mõjust. Einsteini välja töötatud relatiivsusteooria sobib suurepäraselt mustade aukude omaduste mõistmiseks. Selle teooria kohaselt võib gravitatsioon mõjutada aega ja moonutada ruumi. Samuti öeldakse, et mida suurem objekt kosmoses asub, seda rohkem aeglustab see aega. Musta augu enda läheduses tundub aeg täielikult peatuvat. Kui kosmoseaparaat peaks sisenema kosmoseaugu tegevusväljale, oleks võimalik jälgida, kuidas see lähenedes aeglustub ja lõpuks kaob.

Te ei tohiks liiga palju karta selliseid nähtusi nagu mustad augud ja uskuda kogu ebateaduslikku teavet, mis praegu eksisteerib. Kõigepealt tuleb kummutada levinum müüt, et mustad augud võivad endasse imeda kogu ümbritseva aine ja objektid ning seda tehes kasvavad nad suuremaks ja imavad endasse aina rohkem. Ükski neist pole täiesti tõsi. Jah, tõepoolest, nad suudavad absorbeerida kosmilisi kehasid ja ainet, kuid ainult neid, mis on august endast teatud kaugusel. Peale võimsa gravitatsiooni ei erine nad palju tavalistest hiiglasliku massiga tähtedest. Isegi kui meie Päike muutub mustaks auguks, suudab see imeda vaid lühikese vahemaa kaugusel asuvaid objekte ja kõik planeedid jäävad pöörlema ​​oma tavapärastel orbiitidel.

Pöördudes relatiivsusteooria poole, võime järeldada, et kõik tugeva gravitatsiooniga objektid võivad mõjutada aja ja ruumi kõverust. Lisaks, mida suurem on kehamass, seda tugevam on moonutus. Nii said teadlased seda üsna hiljuti praktikas näha, kui nad võisid mõtiskleda muude objektide üle, mis oleksid pidanud olema meie silmadele kättesaamatud tohutute kosmiliste kehade, näiteks galaktikate või mustade aukude tõttu. Kõik see on võimalik tänu sellele, et lähedalt mustast august või muust kehast läbivad valguskiired painduvad gravitatsiooni mõjul väga tugevalt. Seda tüüpi moonutused võimaldavad teadlastel vaadata palju kaugemale kosmosesse. Kuid selliste uuringute abil on uuritava keha tegelikku asukohta väga raske kindlaks teha.

Mustad augud ei teki eikusagilt, need tekivad ülimassiivsete tähtede plahvatusel. Veelgi enam, musta augu tekkeks peab plahvatanud tähe mass olema vähemalt kümme korda suurem Päikese massist. Iga täht eksisteerib tänu termotuumareaktsioonidele, mis toimuvad tähe sees. Sel juhul eraldub sulamisprotsessi käigus vesinikusulam, kuid see ei saa lahkuda tähe mõjualast, kuna selle gravitatsioon tõmbab vesiniku tagasi. Kogu see protsess võimaldab tähtedel eksisteerida. Vesiniku süntees ja tähe gravitatsioon on üsna hästi töötavad mehhanismid, kuid selle tasakaalu rikkumine võib viia tähe plahvatuseni. Enamasti on selle põhjuseks tuumkütuse ammendumine.

Sõltuvalt tähe massist on nende plahvatusejärgseks arenguks võimalikud mitmed stsenaariumid. Nii moodustavad massiivsed tähed supernoova plahvatuse välja ja enamik neist jääb endise tähe tuuma taha, astronaudid kutsuvad selliseid objekte valgeteks kääbusteks. Enamasti tekib nende kehade ümber gaasipilv, mida hoiab paigal kääbuse gravitatsioon. Võimalik on ka teine ​​supermassiivsete tähtede arenemise tee, mille käigus tekkiv must auk tõmbab väga tugevalt kogu tähe aine enda keskele, mis toob kaasa selle tugeva kokkusurumise.

Selliseid kokkusurutud kehasid nimetatakse neutrontähtedeks. Kõige harvematel juhtudel, pärast tähe plahvatust, on meie aktsepteeritud arusaamas sellest nähtusest võimalik musta augu teke. Kuid selleks, et auk tekiks, peab tähe mass olema lihtsalt hiiglaslik. Sel juhul, kui tuumareaktsioonide tasakaal on häiritud, läheb tähe gravitatsioon lihtsalt hulluks. Samal ajal hakkab see aktiivselt kokku kukkuma, misjärel muutub see ainult ruumipunktiks. Teisisõnu võime öelda, et täht kui füüsiline objekt lakkab olemast. Vaatamata sellele, et see kaob, tekib selle taha sama raskusjõu ja massiga must auk.

Just tähtede kokkuvarisemine viib selleni, et need kaovad täielikult ja nende asemele tekib must auk, millel on samad füüsikalised omadused nagu kadunud tähel. Ainus erinevus on augu suurem kokkusurumisaste kui tähe maht. Kõigi mustade aukude kõige olulisem omadus on nende singulaarsus, mis määrab selle keskpunkti. See ala eirab kõiki füüsika-, mateeria- ja ruumiseadusi, mis lakkavad olemast. Singulaarsuse mõiste mõistmiseks võime öelda, et see on barjäär, mida nimetatakse kosmiliste sündmuste horisondiks. See on ka musta augu välispiir. Singulaarsust võib nimetada tagasipöördumise punktiks, kuna just seal hakkab toimima augu hiiglaslik gravitatsioonijõud. Isegi valgus, mis seda barjääri ületab, ei suuda välja pääseda.

Sündmuste horisondil on nii atraktiivne efekt, mis tõmbab valguse kiirusel kõik kehad ligi, mustale augule endale lähenedes suurenevad kiirusnäitajad veelgi. Seetõttu on kõik objektid, mis jäävad selle jõu ulatusse, määratud auku imemisele. Tuleb märkida, et sellised jõud on võimelised muutma sellise külgetõmbe mõjul tabatud keha, misjärel nad venivad õhukeseks nööriks ja lakkavad seejärel ruumis täielikult eksisteerimast.

Sündmushorisondi ja singulaarsuse vaheline kaugus võib varieeruda; seda ruumi nimetatakse Schwarzschildi raadiuseks. Sellepärast, mida suurem on musta augu suurus, seda suurem on tegevusulatus. Näiteks võime öelda, et musta augu, mis oli sama massiivne kui meie Päike, Schwarzschildi raadius oleks kolm kilomeetrit. Sellest tulenevalt on suurtel mustadel aukudel suurem ulatus.

Mustade aukude leidmine on üsna keeruline protsess, kuna valgus ei pääse neist välja. Seetõttu põhinevad otsing ja määratlus ainult kaudsetel tõenditel nende olemasolu kohta. Lihtsaim meetod, mida teadlased nende leidmiseks kasutavad, on nende otsimine, leides kohti pimedas ruumis, kui neil on suur mass. Enamasti õnnestub astronoomidel leida musti auke kaksiktähesüsteemidest või galaktikate keskpunktidest.

Enamik astronoome kaldub uskuma, et meie galaktika keskmes on ka ülivõimas must auk. See väide tekitab küsimuse, kas see auk suudab alla neelata kõik meie galaktikas? Tegelikkuses on see võimatu, kuna augul endal on sama mass kui tähtedel, kuna see on loodud tähest. Pealegi ei ennusta kõik teadlaste arvutused selle objektiga seotud globaalseid sündmusi. Veelgi enam, veel miljardeid aastaid pöörlevad meie galaktika kosmilised kehad vaikselt ümber selle musta augu ilma igasuguste muutusteta. Tõendid Linnutee keskel oleva augu olemasolust võivad pärineda teadlaste registreeritud röntgenlainetest. Ja enamik astronoome kaldub uskuma, et mustad augud kiirgavad neid aktiivselt tohututes kogustes.

Üsna sageli on meie galaktikas kahest tähest koosnevad tähesüsteemid ja sageli võib üks neist muutuda mustaks auguks. Selles versioonis neelab must auk kõik oma teel olevad kehad, samal ajal kui aine hakkab selle ümber pöörlema, mille tõttu moodustub nn kiirendusketas. Eripäraks on see, et see suurendab pöörlemiskiirust ja liigub keskele lähemale. Just musta augu keskele langev aine kiirgab röntgenikiirgust ja aine ise hävib.

Kahendtähtede süsteemid on musta augu staatuse esimesed kandidaadid. Sellistes süsteemides on musta auku kõige lihtsam leida, nähtava tähe ruumala tõttu on võimalik välja arvutada tema nähtamatu venna näitajad. Praegu võib kõige esimene musta augu staatuse kandidaat olla Cygnuse tähtkujust pärit täht, mis kiirgab aktiivselt röntgenikiirgust.

Kõigest eelnevast mustade aukude kohta järeldades võib öelda, et need pole muidugi nii ohtlikud nähtused, lähiläheduse korral on nad gravitatsioonijõu mõjul kõige võimsamad objektid avakosmoses. Seetõttu võime öelda, et nad ei erine eriti teistest kehadest, nende peamine omadus on tugev gravitatsiooniväli.

Mustade aukude eesmärgi kohta on välja pakutud tohutul hulgal teooriaid, millest mõned olid isegi absurdsed. Nii uskusid teadlased ühe neist sõnul, et mustad augud võivad sünnitada uusi galaktikaid. See teooria põhineb tõsiasjal, et meie maailm on elu tekkeks küllaltki soodne koht, kuid kui üks tegurist muutub, oleks elu võimatu. Seetõttu võib mustade aukude füüsikaliste omaduste muutuste singulaarsus ja iseärasused tekitada täiesti uue universumi, mis erineb oluliselt meie omast. Kuid see on ainult teooria ja üsna nõrk teooria, kuna puuduvad tõendid mustade aukude sellise mõju kohta.

Mis puutub mustadesse aukudesse, siis need mitte ainult ei suuda ainet absorbeerida, vaid võivad ka aurustuda. Sarnane nähtus leidis kinnitust mitu aastakümmet tagasi. Selle aurustumise tõttu võib must auk kaotada kogu oma massi ja seejärel täielikult kaduda.

Kõik see on väikseim teave mustade aukude kohta, mida saate portaali veebisaidilt teada saada. Meil on ka tohutult palju huvitavat infot teiste kosmiliste nähtuste kohta.

Mustad augud on võib-olla meie universumi kõige salapärasemad ja mõistatuslikumad astronoomilised objektid; avastamisest saadik on nad pälvinud teadlaste tähelepanu ja erutavad ulmekirjanike kujutlusvõimet. Mis on mustad augud ja mida need tähistavad? Mustad augud on kustunud tähed, mis oma füüsikaliste omaduste tõttu on nii suure tihedusega ja nii võimsa gravitatsiooniga, et isegi valgus ei pääse neist kaugemale.

Mustade aukude avastamise ajalugu

Esimest korda pakkus mustade aukude teoreetilisele olemasolule, ammu enne nende tegelikku avastamist, teatav D. Michel (Yorkshire'ist pärit inglise preester, kes tunneb vabal ajal huvi astronoomia vastu) juba 1783. aastal. Tema arvutuste kohaselt, kui võtta meie oma ja kokku suruda (tänapäevases arvutikeeles arhiveerida) 3 km raadiusesse, tekib nii suur (lihtsalt tohutu) gravitatsioonijõud, et isegi valgus ei suuda sealt lahkuda. . Nii tekkiski mõiste “musta auk”, kuigi tegelikult pole see sugugi must, meie arvates sobiks pigem termin “tume auk”, sest just valguse puudumine tekibki.

Hiljem, 1918. aastal, kirjutas suur teadlane Albert Einstein mustade aukude probleemist relatiivsusteooria kontekstis. Kuid alles 1967. aastal võitis mustade aukude kontseptsioon akadeemilistes ringkondades lõpuks Ameerika astrofüüsiku John Wheeleri jõupingutustega.

Olgu kuidas on, D. Michel, Albert Einstein ja John Wheeler eeldasid oma töödes ainult nende salapäraste taevaobjektide teoreetilise olemasolu avakosmoses, kuid mustade aukude tegelik avastamine leidis aset 1971. aastal, just siis. neid märgati esmakordselt teleskoobis.

Selline näeb välja must auk.

Kuidas mustad augud kosmoses tekivad

Nagu me astrofüüsikast teame, on kõigil tähtedel (kaasa arvatud meie Päikesel) piiratud kütusevaru. Ja kuigi tähe eluiga võib kesta miljardeid valgusaastaid, lõpeb see tingimuslik kütusevaru varem või hiljem ja täht "kustub". Tähe “kuhtumise” protsessiga kaasnevad intensiivsed reaktsioonid, mille käigus täht läbib olulise transformatsiooni ja võib olenevalt suurusest muutuda valgeks kääbuseks, neutrontäheks või mustaks auguks. Veelgi enam, suurimad, uskumatult muljetavaldava suurusega tähed muutuvad tavaliselt mustaks auguks - nende kõige uskumatumate suuruste kokkusurumise tõttu suureneb vastloodud musta augu mass ja gravitatsioonijõud mitmekordselt, mis muutub omamoodi galaktiline tolmuimeja – neelab kõike ja kõiki enda ümber.

Must auk neelab tähe.

Väike märkus - meie Päike ei ole galaktika standardite järgi sugugi suur täht ja pärast selle väljasuremist, mis toimub umbes mõne miljardi aasta pärast, ei muutu see tõenäoliselt mustaks auguks.

Kuid olgem ausad – tänapäeval ei tea teadlased veel kõiki musta augu tekke nõtkusi, kahtlemata on tegemist äärmiselt keerulise astrofüüsikalise protsessiga, mis iseenesest võib kesta miljoneid valgusaastaid. Kuigi selles suunas on võimalik edasi liikuda, võiks olla nn vahepealsete mustade aukude ehk väljasuremisseisundis tähtede avastamine ja sellele järgnev uurimine, milles toimub aktiivne mustade aukude tekkeprotsess. Muide, sarnase tähe avastasid astronoomid 2014. aastal spiraalgalaktika käest.

Mitu musta auku on universumis?

Kaasaegsete teadlaste teooriate kohaselt võib meie Linnutee galaktikas olla kuni sadu miljoneid musti auke. Vähem ei pruugi neid olla ka meie naabergalaktikas, kuhu meie Linnuteelt pole midagi lennata – 2,5 miljonit valgusaastat.

Musta augu teooria

Vaatamata tohutule massile (mis on sadu tuhandeid kordi suurem kui meie Päikese mass) ja uskumatule gravitatsiooni tugevusele ei olnud musti auke läbi teleskoobi lihtne näha, sest need ei kiirga üldse valgust. Teadlastel õnnestus musta auku märgata alles selle "söögi" ajal - teise tähe neeldumine, sel hetkel ilmub iseloomulik kiirgus, mida saab juba jälgida. Seega on musta augu teooria leidnud tegeliku kinnituse.

Mustade aukude omadused

Musta augu peamine omadus on selle uskumatud gravitatsiooniväljad, mis ei lase ümbritseval ruumil ja ajal jääda oma tavapärasesse olekusse. Jah, sa kuulsid õigesti, aeg mustas augus möödub kordades aeglasemalt kui tavaliselt ja kui sa olid seal, siis tagasi tulles (kui sul muidugi nii vedas) märkaksid üllatusega, et sajandeid on möödas. Maal ja te pole isegi vanaks saanud, jõudsite õigeks ajaks kohale. Kuigi olgem ausad, kui viibiksite mustas augus, siis vaevalt te ellu jääksite, sest seal on gravitatsioonijõud selline, et kõik materiaalsed objektid rebeneksid lihtsalt tükkideks, isegi mitte tükkideks, aatomiteks.

Kuid kui oleksite isegi musta augu lähedal selle gravitatsioonivälja mõjul, oleks teil samuti raske, sest mida rohkem te selle gravitatsioonile vastu hakkate, püüdes ära lennata, seda kiiremini te sinna kukute. Selle näiliselt paradoksi põhjuseks on gravitatsiooniline keeriseväli, mis on kõigil mustadel aukudel.

Mis siis, kui inimene kukub musta auku

Mustade aukude aurustumine

Inglise astronoom S. Hawking avastas huvitava fakti: mustad augud näivad samuti kiirgavat aurustumist. Tõsi, see kehtib ainult suhteliselt väikese massiga aukude kohta. Võimas gravitatsioon nende ümber sünnitab osakeste ja antiosakeste paarid, üks paarilistest tõmmatakse august sisse ja teine ​​väljutatakse. Seega kiirgab must auk kõvasid antiosakesi ja gammakiirgust. See mustast august tulenev aurustumine või kiirgus sai nime selle avastanud teadlase järgi - "Hawkingi kiirgus".

Suurim must auk

Mustade aukude teooria kohaselt on peaaegu kõigi galaktikate keskmes tohutud mustad augud massiga mitmest miljonist mitme miljardi päikese massini. Ja suhteliselt hiljuti avastasid teadlased kaks suurimat seni teadaolevat musta auku; need asuvad kahes lähedalasuvas galaktikas: NGC 3842 ja NGC 4849.

NGC 3842 on Lõvi tähtkuju eredaim galaktika, mis asub meist 320 miljoni valgusaasta kaugusel. Selle keskel on tohutu must auk, mis kaalub 9,7 miljardit päikesemassi.

NGC 4849, 335 miljoni valgusaasta kaugusel asuv Kooma parve galaktika uhkeldab sama muljetavaldava musta auguga.

Nende hiiglaslike mustade aukude gravitatsiooniväli ehk akadeemilises mõttes nende sündmuste horisont on ligikaudu 5 korda pikem kaugusest Päikesest kuni ! Selline must auk sööks ära meie päikesesüsteemi ja isegi ei lämbuks.

Väikseim must auk

Kuid suures mustade aukude perekonnas on ka väga väikseid esindajaid. Seega on teadlaste seni avastatud kõige kääbusm must auk vaid 3 korda suurem kui meie Päikese mass. Tegelikult on see musta augu tekkeks vajalik teoreetiline miinimum, kui see täht oleks veidi väiksem, poleks auk tekkinud.

Mustad augud on kannibalid

Jah, selline nähtus on olemas, nagu eespool kirjutasime, mustad augud on omamoodi “galaktilised tolmuimejad”, mis neelavad endasse kõike enda ümber, sealhulgas... teisi musti auke. Hiljuti avastasid astronoomid, et ühest galaktikast pärit musta auku sööb teisest galaktikast pärit veelgi suurem must ahn.

• Mõnede teadlaste hüpoteeside kohaselt pole mustad augud mitte ainult galaktilised tolmuimejad, mis imevad kõike endasse, vaid võivad teatud asjaoludel ka ise uusi universumeid sünnitada.
• Mustad augud võivad aja jooksul aurustuda. Eespool kirjutasime, et inglise teadlane Stephen Hawking avastas, et mustadel aukudel on kiirguse omadus ja pärast mõnda väga pikka aega, kui enam pole enam midagi neelata, hakkab must auk rohkem aurustuma, kuni aja jooksul annab kogu oma massi ümbritsevasse ruumi. Kuigi see on vaid oletus, hüpotees.
• Mustad augud aeglustavad aega ja painutavad ruumi. Ajadilatatsioonist oleme juba kirjutanud, kuid ka ruum musta augu tingimustes muutub täiesti kõveraks.
• Mustad augud piiravad tähtede arvu universumis. Nimelt takistavad nende gravitatsiooniväljad kosmoses gaasipilvede jahtumist, millest teatavasti sünnivad uued tähed.

Mustad augud Discovery Channelil, video

Ja lõpetuseks pakume teile huvitavat teaduslikku dokumentaalfilmi Discovery Channeli mustadest aukudest