Французинот кој предвиде откривање на црни дупки 6 букви. Најсветлите објекти во универзумот

Историја на црните дупки

Алексеј Левин

Научното размислување понекогаш конструира предмети со такви парадоксални својства што дури и најпроникливите научници првично одбиваат да ги препознаат. Повеќето јасен примерво историјата најнова физика- долгорочен недостаток на интерес за црните дупки и екстремните состојби гравитациско поле, предвидено пред речиси 90 години. Долго време тие се сметаа за чисто теоретска апстракција, а само во 1960-70-тите луѓето веруваа во нивната реалност. Сепак, основната равенка за теоријата на црните дупки е изведена пред повеќе од двесте години.

Увид на Џон Мишел

Името на Џон Мишел, физичар, астроном и геолог, професор Универзитетот во Кембриџи свештеник на Англиканската црква, сосема незаслужено изгубен меѓу ѕвездите на англиската наука од 18 век. Мишел ги постави темелите на сеизмологијата - науката за земјотресите, спроведе одлични истражувања за магнетизмот и, долго пред Кулон, го измисли торзиониот баланс, кој го користеше за гравиметриски мерења. Во 1783 година, тој се обиде да ги спои двете големи креации на Њутн - механиката и оптиката. Њутн сметал дека светлината е поток ситни честички. Мишел сугерираше дека лесните тела, како и обичната материја, ги почитуваат законите на механиката. Последиците од оваа хипотеза се покажаа како сосема нетривијални - небесни теламоже да се претвори во светлосни стапици.

Како размислуваше Мишел? Топско ѓуле испукано од површината на планетата целосно ќе ја надмине нејзината гравитација само ако неговата почетна брзина ја надмине она што сега се нарекува втора брзина на бегство. Ако гравитацијата на планетата е толку силна што брзината на бегство ја надминува брзината на светлината, светлосните тела ослободени во зенитот нема да можат да одат до бесконечност. Истото ќе се случи и со рефлектираната светлина. Следствено, планетата ќе биде невидлива за многу далечен набљудувач. Мишел ја пресметал критичната вредност на радиусот на таквата планета R cr во зависност од нејзината маса M сведена на масата на нашето Сонце M s: R cr = 3 km x M/M s.

Џон Мишел верувал во неговите формули и претпоставил дека длабочините на вселената кријат многу ѕвезди кои не можат да се видат од Земјата со ниту еден телескоп. Подоцна, големиот француски математичар, астроном и физичар Пјер дошол до истиот заклучок. Симон Лаплас, кој го вклучил и во првото (1796) и во второто (1799) издание на неговата „Изложба на светскиот систем“. Но, третото издание беше објавено во 1808 година, кога повеќето физичари веќе сметаа дека светлината е вибрации на етерот. Постоењето на „невидливи“ ѕвезди е во спротивност со теоријата на брановите на светлината, а Лаплас сметаше дека е најдобро едноставно да не ги спомнува. Во следните времиња, оваа идеја се сметаше за љубопитност, достојна за презентација само во делата за историјата на физиката.

Модел на Шварцшилд

Во ноември 1915 година, Алберт Ајнштајн објавил теорија за гравитација, која ја нарекол општа теорија на релативност (ГР). Ова дело веднаш најде благодарен читател во лицето на неговиот колега од Берлинската академија на науките, Карл Шварцшилд. Тоа беше Шварцшилд кој беше првиот во светот кој ја искористи општата релативност за да реши специфичен астрофизички проблем, пресметувајќи ја метриката простор-време надвор и внатре во сферично тело што не ротира (за специфичност, ќе го наречеме ѕвезда).

Од пресметките на Шварцшилд произлегува дека гравитацијата на ѕвездата не се искривува премногу Њутнова структурапросторот и времето само ако неговиот радиус е многу поголем од самата вредност што ја пресметал Џон Мишел! Овој параметар најпрво бил наречен радиус на Шварцшилд, а сега се нарекува гравитациски радиус. Според општата релативност, гравитацијата не влијае на брзината на светлината, туку ја намалува фреквенцијата на светлосните вибрации во иста пропорција како што го забавува времето. Ако радиусот на ѕвездата е 4 пати поголем од гравитациониот радиус, тогаш текот на времето на нејзината површина се забавува за 15%, а просторот добива забележлива кривина. Кога ќе се надмине двапати, посилно се наведнува, а времето забавува за 41%. Кога ќе се достигне гравитациониот радиус, времето на површината на ѕвездата целосно застанува (сите фреквенции одат на нула, зрачењето замрзнува, а ѕвездата излегува), но закривеноста на просторот таму е сè уште конечна. Далеку од ѕвездата, геометријата сè уште останува Евклидова, а времето не ја менува нејзината брзина.

И покрај фактот дека вредностите на гравитациониот радиус на Мишел и Шварцшилд се совпаѓаат, самите модели немаат ништо заедничко. За Мишел, просторот и времето не се менуваат, туку светлината забавува. Ѕвезда чии димензии се помали од нејзиниот гравитациски радиус продолжува да свети, но е видлива само за не премногу далечен набљудувач. За Шварцшилд, брзината на светлината е апсолутна, но структурата на просторот и времето зависи од гравитацијата. Ѕвезда која паднала под гравитациониот радиус исчезнува за секој набљудувач, без разлика каде се наоѓа (поточно, може да се открие со гравитациони ефекти, но воопшто не во однос на зрачењето).

Од неверување до потврда

Шварцшилд и неговите современици веруваа дека таквите чудни вселенски објектине постојат во природата. Самиот Ајнштајн не само што се придржувал до оваа гледна точка, туку и погрешно верувал дека успеал математички да го поткрепи своето мислење.

Во 1930-тите, младиот индиски астрофизичар Чандрасехар докажа дека ѕвездата што го потрошила своето нуклеарно гориво ја отфрла својата обвивка и се претвора во бело џуџе кое полека се лади само ако нејзината маса е помала од 1,4 сончеви маси. Наскоро Американецот Фриц Цвики сфатил дека експлозиите на супернова произведуваат исклучително густи тела од неутронска материја; Подоцна до истиот заклучок дојде и Лев Ландау. По работата на Чандрасехар, беше очигледно дека само ѕвезди со маса поголема од 1,4 соларни маси може да претрпат таква еволуција. Затоа, се појави природно прашање: дали постои горна границамаси за суперновите што неутронските ѕвезди ги оставаат зад себе?

На крајот на 30-тите години, идниот татко на Американецот атомска бомбаРоберт Опенхајмер утврдил дека таквата граница всушност постои и не надминува неколку сончеви маси. Дајте повеќе точна проценкатогаш немаше можност; Сега е познато дека масата на неутронските ѕвезди мора да биде во опсег од 1,5–3 M s. Но, дури и од грубите пресметки на Опенхајмер и неговиот дипломиран студент Џорџ Волков, следеше дека најмасивните потомци на супернова не стануваат неутронски ѕвезди, но преминете во некоја друга состојба. Во 1939 година, Опенхајмер и Хартланд Снајдер користеа идеализиран модел за да докажат дека масивна ѕвезда во колапс е намалена до нејзиниот гравитациски радиус. Од нивните формули всушност произлегува дека ѕвездата не застанува тука, но коавторите се воздржале од таков радикален заклучок.

Конечниот одговор беше пронајден во втората половина на 20 век преку напорите на цела галаксија брилијантни теоретски физичари, вклучувајќи ги и советските. Се испостави дека таков колапс Секогашја компресира ѕвездата „до крај“, целосно уништувајќи ја нејзината материја. Како резултат на тоа, се појавува сингуларност, „суперконцентрат“ на гравитационото поле, затворен во бесконечно мал волумен. За стационарна дупка тоа е точка, за ротирачка дупка е прстен. Заобленоста на простор-времето и, според тоа, силата на гравитацијата во близина на сингуларноста се стреми кон бесконечноста. На крајот на 1967 година, американскиот физичар Џон Арчибалд Вилер беше првиот што го нарече овој последен ѕвезден колапс црна дупка. Новиот термин го сакаа физичарите и ги воодушевија новинарите, кои го раширија низ светот (иако на Французите на почетокот не им се допадна, бидејќи изразот trou noir сугерираше сомнителни асоцијации).

Таму, надвор од хоризонтот

Црната дупка не е ниту материја ниту зрачење. Со одредена фигуративност, можеме да кажеме дека ова е самоодржливо гравитационо поле концентрирано во високо закривен регион на време-просторот. Нејзината надворешна граница е дефинирана со затворена површина, хоризонтот на настани. Ако ѕвездата не ротирала пред колапсот, оваа површина се покажува како правилна сфера, чиј радиус се совпаѓа со радиусот Шварцшилд.

Физичко значењехоризонтот е многу јасен. Светлосниот сигнал испратен од неговата надворешна близина може да патува бесконечно долго растојание. Но, сигналите испратени од внатрешниот регион не само што нема да го преминат хоризонтот, туку неизбежно ќе „паднат“ во сингуларноста. Хоризонтот е просторна граница помеѓу настаните што можат да им станат познати на копнените (и сите други) астрономи, и настаните за кои информации во никој случај нема да излезат.

Како што се очекуваше „според Шварцшилд“, далеку од хоризонтот привлекувањето на дупката е обратно пропорционално на квадратот на растојанието, така што за далечен набљудувач таа се манифестира како обично тешко тело. Освен масата, дупката го наследува моментот на инерција на пропаднатата ѕвезда и нејзиниот електричен полнеж. И сите други карактеристики на ѕвездата претходник (структура, состав, спектрална класаитн.) оди во заборав.

Ајде да испратиме сонда до дупката со радио станица која испраќа сигнал еднаш во секунда според времето на одборот. За далечински набљудувач, како што сондата се приближува до хоризонтот, временските интервали помеѓу сигналите ќе се зголемуваат - во принцип, неограничено. Штом бродот ќе го премине невидливиот хоризонт, ќе стане целосно тивок за светот „над дупката“. Сепак, ова исчезнување нема да биде без трага, бидејќи сондата ќе се откаже од својата маса, полнење и вртежен момент до дупката.

Зрачењето на црната дупка

Сите претходни модели беа изградени исклучиво врз основа на општата релативност. Меѓутоа, нашиот свет е регулиран со закони квантна механика, кои не ги игнорираат и црни дупки. Овие закони не ни дозволуваат да ја сметаме централната сингуларност како математичка точка. Во квантен контекст, неговиот дијаметар е даден со должината на Планк-Вилер, приближно еднаква на 10-33 сантиметри. Во оваа област, обичниот простор престанува да постои. Општо е прифатено дека центарот на дупката е исполнет со различни тополошки структури кои се појавуваат и умираат во согласност со квантните веројатносни закони. Својствата на таквиот квази-простор кој клокоти, кој Вилер го нарече квантна пена, сè уште се слабо разбрани.

Присуството на квантна сингуларност има директно влијание врз судбината на материјалните тела кои паѓаат во длабочините на црната дупка. Кога се приближува до центарот на дупката, секој предмет направен од моментално познати материјали ќе биде смачкан и растргнат од плимните сили. Сепак, дури и ако идните инженери и технолози создадат некои суперсилни легури и композити со моментално невидени својства, сите тие се уште се осудени да исчезнат: на крајот на краиштата, во зоната на сингуларност нема ниту вообичаено време ниту вообичаен простор.

Сега да го погледнеме хоризонтот на дупката преку квантна механичка леќа. Празен простор - физички вакуум- всушност, воопшто не е празен. Поради квантните флуктуации на различни полиња во вакуум, многу виртуелни честички постојано се раѓаат и умираат. Бидејќи гравитацијата во близина на хоризонтот е многу силна, нејзините флуктуации создаваат исклучително силни гравитациски изливи. Кога се забрзуваат на такви полиња, новородените „виртуелни“ добиваат дополнителна енергија и понекогаш стануваат нормални долговечни честички.

Виртуелните честички секогаш се раѓаат во парови кои се движат внатре спротивни насоки(ова го бара законот за зачувување на импулсот). Ако гравитациската флуктуација извлече пар честички од вакуумот, може да се случи една од нив да се материјализира надвор од хоризонтот, а втората (античестичката на првата) внатре. „Внатрешната“ честичка ќе падне во дупката, но „надворешната“ честичка може да избега под поволни услови. Како резултат на тоа, дупката се претвора во извор на зрачење и затоа ја губи енергијата и, следствено, масата. Затоа, црните дупки во принцип не се стабилни.

Овој феномен се нарекува Хокинг ефект, според извонредниот англиски физичар-етички теоретичар кој го открил во средината на 1970-тите. Стивен Хокинг, особено, докажа дека хоризонтот на црната дупка емитира фотони на ист начин како апсолутно црно тело загреано на температура од T = 0,5 x 10 –7 x M s /M. Следи дека како што дупката станува потенка, нејзината температура се зголемува, а „испарувањето“ природно се интензивира. Овој процес е исклучително бавен, а животниот век на дупка со маса М е околу 10 65 x (M/M s) 3 години. Кога нејзината големина ќе стане еднаква на должинатаПланк-Вилер, дупката ја губи стабилноста и експлодира, ослободувајќи ја истата енергија како и истовремената експлозија на милион водородни бомби од десет мегатони. Интересно е што масата на дупката во моментот на нејзиното исчезнување е сè уште прилично голема, 22 микрограми. Според некои модели, дупката не исчезнува без трага, туку зад себе остава стабилна реликвија со иста маса, таканаречениот максимон.

Максимоне роден пред 40 години - како поим и како физичка идеја. Во 1965 година, академик М.А. Марков сугерираше дека постои горна граница на масата елементарни честички. Тој предложи оваа ограничувачка вредност да се смета како димензија на масата, која може да се комбинира од три основни физички константи - Планковата константа h, брзината на светлината C и гравитациската константа G (за оние кои сакаат детали: за да го направите ова, треба за множење на h и C, поделете го резултатот со G и извадете го Квадратен корен). Ова се истите 22 микрограми што се споменати во статијата; оваа вредност се нарекува Планкова маса. Од истите константи може да се конструира величина со димензија на должина (должината на Планк-Вилер излегува 10–33 cm) и со димензија на време (10–43 секунди).
Марков отиде понатаму во своето размислување. Според неговите хипотези, испарувањето на црната дупка доведува до формирање на „сув остаток“ - максимон. Марков таквите структури ги нарекол елементарни црни дупки. Колку оваа теорија кореспондира со реалноста е сè уште отворено прашање. Во секој случај, аналози на максимоните на Марков се оживеани во некои модели на црни дупки засновани на теоријата на супержици.

Длабочините на просторот

Црните дупки не се забранети со законите на физиката, но дали постојат во природата? Апсолутно ригорозни докази за присуство на барем еден таков објект во вселената сè уште не се пронајдени. Сепак, многу е веројатно дека кај некои двојни системиИзворите на зрачењето на Х-зраци се црните дупки со ѕвездено потекло. Ова зрачење треба да настане како резултат на атмосферата на обична ѕвезда која е вшмукувана од гравитационото поле на соседната дупка. Како што гасот се движи кон хоризонтот на настани, тој станува многу жежок и емитува кванти на Х-зраци. Најмалку дваесетина извори на Х-зраци сега се сметаат за соодветни кандидати за улогата на црни дупки. Згора на тоа, ѕвездената статистика сугерира дека само во нашата галаксија има околу десет милиони дупки со ѕвездено потекло.

Црните дупки може да се формираат и за време на гравитациската кондензација на материјата во галактичките јадра. Така се појавуваат гигантски дупки со маса од милиони и милијарди соларни маси, кои, најверојатно, постојат во многу галаксии. Очигледно, во центарот на Млечниот Пат, скриен од облаци од прашина, има дупка со маса од 3-4 милиони соларни маси.

Стивен Хокинг дошол до заклучок дека црните дупки со произволна маса може да се родат веднаш потоа Големата експлозија, што го роди нашиот Универзум. Примарните дупки тежи до милијарда тони веќе испариле, но потешките сè уште можат да се сокријат во длабочините на вселената и, во догледно време, да предизвикаат космички огномет во форма моќни ракетигама зрачење. Сепак, такви експлозии никогаш досега не биле забележани.

Фабрика за црни дупки

Дали е можно да се забрзаат честичките во забрзувачот до толку висока енергија, така што нивниот судар ќе создаде црна дупка? На прв поглед, оваа идеја е едноставно луда - експлозијата на дупка ќе го уништи целиот живот на Земјата. Покрај тоа, тоа е технички неизводливо. Ако минималната маса на дупката е навистина 22 микрограми, тогаш енергетски единициова е 10 28 електрон волти. Овој праг е за 15 реда по големина поголем од можностите на најмоќниот акцелератор на светот, Големиот хадронски судирач (LHC), кој ќе биде лансиран во ЦЕРН во 2007 година.

src="black_holes1/aerial-view-lhc.jpg" width="275" border="0">

Сепак, можно е тоа стандардно оценувањеминималната маса на дупката е значително преценета. Во секој случај, тоа е она што го велат физичарите, развивајќи ја теоријата за супержиците, која ја вклучува квантната теорија на гравитација (иако далеку од целосна). Според оваа теорија, просторот нема три димензии, туку најмалку девет. Не ги забележуваме дополнителните димензии бидејќи тие се обвиткани во толку мал обем што нашите инструменти не ги перцепираат. Сепак, гравитацијата е сеприсутна, таа продира во скриени димензии. Во тридимензионалниот простор, силата на гравитацијата е обратно пропорционална на квадратот на растојанието, а во девет-димензионалниот простор е пропорционална на осмата сила. Затоа во повеќедимензионален светКако што се намалува растојанието, силата на гравитационото поле се зголемува многу побрзо отколку во три димензии. Во овој случај, должината на Планк се зголемува многу пати, а минималната маса на дупката нагло паѓа.

Теоријата на струни предвидува дека црна дупка со маса од само 10-20 g може да се роди во девет-димензионален простор.Пресметаната релативистичка маса на протоните забрзани во суперзабрзувачот Церн е приближно иста. Според најоптимистичкото сценарио, ќе може да создава по една дупка секоја секунда, која ќе опстане околу 10-26 секунди. Во процесот на неговото испарување ќе се родат секакви елементарни честички кои нема да биде тешко да се регистрираат. Исчезнувањето на дупката ќе доведе до ослободување на енергија, која нема да биде доволна ниту за загревање на еден микрограм вода за илјадати дел од степенот. Затоа, постои надеж дека LHC ќе се претвори во фабрика на безопасни црни дупки. Доколку овие модели се точни, тогаш таквите дупки ќе можат да се детектираат и со орбитални детектори. космички зрацинова генерација.

Сето горенаведено се однесува на неподвижни црни дупки. Во меѓувреме, има и ротирачки дупки кои имаат куп интересни својства. Резултатите од теоретската анализа на зрачењето на црните дупки, исто така, доведоа до сериозно преиспитување на концептот на ентропија, што исто така заслужува посебна дискусија.

Вселенски суперзамаец

Статичките електрично неутрални црни дупки за кои зборувавме се целосно нетипични за реалниот свет. Пропаднатите ѕвезди обично ротираат и може да имаат и електричен полнеж.

Теорема за ќелавост

Џиновските дупки во галактичките јадра најверојатно се формирани од примарните центри на гравитациска кондензација - една „постѕвездена“ дупка или неколку дупки кои се споиле како резултат на судири. Таквите дупки од семето ги голтаат блиските ѕвезди и меѓуѕвездениот гас и со тоа многукратно ја зголемуваат нивната маса. Материјата што паѓа под хоризонтот повторно има и електричен полнеж (честичките на космичкиот гас и прашината лесно се јонизираат) и ротационен момент (падот се случува со пресврт, во спирала). Во секој физички процес, моментот на инерција и полнење се зачувани, и затоа е природно да се претпостави дека формирањето на црни дупки не е исклучок.

Но, вистинита е и уште посилна изјава, чиј посебен случај беше формулиран во првиот дел од статијата (види А. Левин, Неверојатната историја на црните дупки, Популарна механика бр. 11, 2005 година). Без оглед на предците на макроскопската црна дупка, таа добива од нив само маса, вртежен момент и електричен полнеж. Според Џон Вилер, „црната дупка нема коса“. Би било поправилно да се каже дека не повеќе од три „влакна“ висат од хоризонтот на која било дупка, што беше докажано со комбинираните напори на неколку теоретски физичари во 1970-тите. Точно, во дупката мора да се зачува и магнетно полнење, чии хипотетички носители, магнетни монополи, беа предвидени од Пол Дирак во 1931 година. Сепак, овие честички сè уште не се откриени, а рано е да се зборува за четвртата „коса“. Во принцип, може да има дополнителни „влакна“ поврзани со квантни полиња, сепак, во макроскопска дупка тие се целосно невидливи.

А сепак се вртат

Ако статична ѕвезда се наполни, метриката на просторот ќе се промени, но хоризонтот на настани сè уште ќе остане сферичен. Сепак, од повеќе причини, ѕвездените и галактичките црни дупки не можат да носат голем полнеж, па од гледна точка на астрофизиката овој случај не е многу интересен. Но, ротацијата на дупката повлекува посериозни последици. Прво, обликот на хоризонтот се менува. Центрифугалните сили го притискаат по оската на ротација и го истегнуваат во екваторијалната рамнина, така што сферата се трансформира во нешто слично на елипсоид. Во суштина, истото се случува со хоризонтот како и со секое ротирачко тело, особено со нашата планета - на крајот на краиштата, екваторијалниот радиус на Земјата е 21,5 km подолг од поларниот. Второ, ротацијата ги намалува линеарните димензии на хоризонтот. Потсетете се дека хоризонтот е интерфејс помеѓу настаните кои може или не испраќаат сигнали до далечните светови. Ако гравитацијата на дупката плени светлосни кванти, тогаш центрифугалните сили, напротив, придонесуваат за нивно бегство во вселената. Затоа, хоризонтот на ротирачката дупка треба да се наоѓа поблиску до неговиот центар отколку хоризонтот на статична ѕвезда со иста маса.

Но, тоа не е се. Дупката во нејзината ротација го одзема околниот простор. ВО непосредна близинаод дупката фасцинацијата е завршена, на периферијата постепено слабее. Затоа, хоризонтот на дупката е потопен во посебен регион на просторот - ергосферата. Границата на ергосферата го допира хоризонтот на половите и се оддалечува од него во екваторијалната рамнина. На оваа површина, брзината на вселувањето на просторот е еднаква на брзината на светлината; внатре во неа е поголема од брзината на светлината, а надвор е помала. Затоа, секое материјално тело, било да е тоа гасна молекула, честичка космичка прашинаили извидничка сонда, кога ќе влезе во ергосферата, секако почнува да се врти околу дупката и тоа во иста насока како и самата.

Ѕвездени генератори

Присуството на ергосфера, во принцип, овозможува дупката да се користи како извор на енергија и. Оставете некој предмет да навлезе во ергосферата и таму да се распадне на два фрагменти. Може да испадне дека еден од нив ќе падне под хоризонтот, а другиот ќе ја напушти ергосферата, а неговата кинетичка енергија ќе ја надмине почетната енергија на целото тело! Ергосферата исто така има способност да го засилува електромагнетното зрачење кое паѓа врз неа и повторно се расфрла во вселената (овој феномен се нарекува суперзрачење).

Сепак, законот за зачувување на енергијата е непоколеблив - машините за постојано движење не постојат. Кога дупката внесува енергија во честички или зрачење, нејзината сопствена ротациона енергија се намалува. Вселенскиот суперзамаец постепено се забавува, а на крајот може дури и да запре. Се пресметува дека на овој начин до 29% од масата на дупката може да се претвори во енергија. Единствениот поефикасен процес од ова е уништувањето на материјата и антиматеријата, бидејќи во овој случај масата целосно се претвора во зрачење. Но, сончевото термонуклеарно гориво изгорува со многу помала ефикасност - околу 0,6%.

Следствено, брзо ротирачката црна дупка е речиси идеален генератор на енергија за космичките суперцивилизации (ако, се разбира, постојат такви). Во секој случај, природата го користи овој ресурс уште од памтивек. Квазарите, најмоќните вселенски „радио станици“ (извори на електромагнетни бранови), се напојуваат од енергијата на огромните ротирачки дупки лоцирани во јадрата на галаксиите. Оваа хипотеза беше изнесена од Едвин Салпетер и Јаков Зелдович уште во 1964 година и оттогаш таа стана општо прифатена. Материјалот што се приближува до дупката формира структура во облик на прстен, таканаречен акреционен диск. Бидејќи просторот во близина на дупката е силно извиткан од неговата ротација, внатрешната зона на дискот се држи во екваторијалната рамнина и полека се сместува кон хоризонтот на настани. Гасот во оваа зона е многу загреан со внатрешно триење и генерира инфрацрвено, светло, ултравиолетово и рентген зрачење, а понекогаш дури и гама зраци. Квазарите исто така емитуваат нетермичка радио емисија, што главно се должи на ефектот на синхротрон.

Многу плитка ентропија

Теоремата за ќелавата дупка крие многу подмолна замка. Ѕвезда што колабира е куп супержежок гас компримиран од гравитационите сили. Колку е поголема густината и температурата на ѕвездената плазма, толку помалку ред и повеќе хаос содржи таа. Степенот на хаос се изразува со многу специфична физичка големина - ентропија. Со текот на времето, ентропијата на кој било изолиран објект се зголемува - ова е суштината на вториот закон на термодинамиката. Ентропијата на ѕвездата пред да започне колапсот е премногу висока, а ентропијата на дупката се чини дека е исклучително мала, бидејќи се потребни само три параметри за недвосмислено да се опише дупката. Дали е нарушен вториот закон за термодинамика при гравитациски колапс?

Дали е можно да се претпостави дека кога ѕвездата се претвора во супернова, нејзината ентропија се занесува заедно со исфрлената обвивка? За жал не. Прво, масата на школка не може да се спореди со масата на ѕвездата, затоа загубата на ентропија ќе биде мала. Второ, не е тешко да се дојде до уште поубедливо ментално „побивање“ на вториот закон на термодинамиката. Нека тело со температура не нула, кое поседува некаква ентропија, падне во зоната на привлекување на готова дупка. Откако падна под хоризонтот на настани, ќе исчезне заедно со резервите на ентропија, а ентропијата на дупката, очигледно, воопшто нема да се зголеми. Примамливо е да се тврди дека ентропијата на вонземјанинот не исчезнува, туку се пренесува во внатрешноста на дупката, но ова е само вербален трик. Законите на физиката се исполнети во светот достапен за нас и нашите инструменти, а регионот под хоризонтот на настани за секој надворешен набљудувач е тера инкогнита.

Овој парадокс го реши дипломираниот студент на Вилер, Џејкоб Бекенштајн. Термодинамиката има многу моќен интелектуален ресурс - теоретска студија за идеални топлински мотори. Бекенштајн смислил ментален уред кој ја трансформира топлината во корисна работакористејќи црна дупка како грејач. Користејќи го овој модел, тој ја пресметал ентропијата на црната дупка, што се покажа пропорционално на површината на хоризонтот на настани. Оваа област е пропорционална на квадратот на радиусот на дупката, кој, да потсетиме, е пропорционален на нејзината маса. При фаќање на кој било надворешен објект, масата на дупката се зголемува, радиусот се издолжува, површината на хоризонтот се зголемува и, соодветно, се зголемува ентропијата. Пресметките покажаа дека ентропијата на дупка што проголтала вонземски објект ја надминува вкупната ентропија на овој објект и дупката пред да се сретнат. Слично на тоа, ентропијата на ѕвезда што се распаѓа е многу поредоци на големина помала од ентропијата на дупката следбеник. Всушност, од резонирањето на Бекенштајн произлегува дека површината на дупката има температура не нула и затоа е едноставно обврзана да емитува термални фотони (и, доколку доволно се загрее, други честички). Сепак, Бекенштајн не се осмели да оди толку далеку (Стивен Хокинг го направи овој чекор).

До што дојдовме? Размислувањето за црните дупки не само што го остава вториот закон на термодинамиката недопрен, туку ни овозможува и да го збогатиме концептот на ентропија. Ентропија на обичното физичкото телоповеќе или помалку пропорционална на нејзиниот волумен, а ентропијата на дупката е пропорционална на површината на хоризонтот. Може строго да се докаже дека е поголема од ентропијата на кој било материјален објект со исти линеарни димензии. Тоа значи дека максимумЕнтропијата на затворена област на просторот се определува исклучиво од областа на нејзината надворешна граница! Како што гледаме, теоретската анализа на својствата на црните дупки ни овозможува да извлечеме многу длабоки заклучоци од општа физичка природа.

Гледајќи во длабочините на универзумот

Како се врши потрагата по црни дупки во длабочините на вселената? „Популарната механика“ му го постави ова прашање на познатиот астрофизичар - професор Универзитетот ХарвардРамеш Нарајан.

„Откривањето на црните дупки треба да се смета за едно од најголемите достигнувања на модерната астрономија и астрофизика. Во последниве децении, илјадници извори се идентификувани во вселената рендгенско зрачење, од кои секоја се состои од нормална ѕвезда и многу мал несветлен објект опкружен со акреционен диск. Темните тела со маса кои се движат од една и пол до три соларни маси најверојатно се неутронски ѕвезди. Меѓутоа, меѓу овие невидливи објекти има најмалку дваесетина речиси сто проценти кандидати за улогата на црна дупка. Покрај тоа, научниците дојдоа до едногласно мислењедека најмалку две гигантски црни дупки се скриени во галактичките јадра. Еден од нив се наоѓа во центарот на нашата Галаксија; според минатогодишното издание на астрономи од Соединетите Американски Држави и Германија, неговата маса е 3,7 милиони соларни маси (M s). Пред неколку години, моите колеги од Харвард-Смитсонијан Центарот за астрофизика Џејмс Моран и Линколн Гринхил дадоа голем придонес во мерењето на дупката во центарот на галаксијата Сејферт NGC 4258, која се повлече на 35 милиони М с. Со голема веројатност, во јадрата на многу галаксии има дупки со маса од милион до неколку милијарди M s.

Сè уште не е можно да се открие од Земјата навистина единствениот потпис на црна дупка - присуството на хоризонт на настани. Сепак, веќе знаеме како да го потврдиме неговото отсуство. Радиусот на неутронската ѕвезда е 10 километри; истиот редослед на големина е радиусот на дупките настанати како резултат на ѕвездениот колапс. Меѓутоа, неутронската ѕвезда има цврста површина, додека дупката нема. Падот на материјата на површината на неутронската ѕвезда повлекува термонуклеарни експлозии, кои генерираат периодични експлозии на Х-зраци кои траат една секунда. И кога гасот ќе стигне до хоризонтот на црната дупка, тој оди под неа и не се манифестира како никакво зрачење. Затоа, отсуството на кратки рендгенски блесоци е моќна потврда за природата на дупката на објектот. Сите дваесетина бинарни системи кои наводно содржат црни дупки не испуштаат такви блесоци.

Мора да се признае дека сега сме принудени да се задоволиме со негативни докази за постоењето на црните дупки. Објектите што ги прогласуваме за дупки не можат да бидат ништо друго од гледна точка на општоприфатените теоретски модели. Поинаку кажано, ние ги сметаме за дупки само затоа што не можеме разумно да ги сметаме за нешто друго. Се надевам дека следните генерации астрономи ќе имаат малку подобра среќа“.

На зборовите на професорот Нарајан, можеме да додадеме дека астрономите веќе подолго време веруваат во реалноста на постоењето на црни дупки. Историски гледано, првиот сигурен кандидат за оваа позиција беше темниот сателит на многу светло синиот суперџин HDE 226868, оддалечен 6.500 светлосни години. Откриен е во раните 1970-ти во рендгенскиот бинарен Cygnus X-1. Според последните податоци, неговата маса е околу 20 M s. Вреди да се напомене дека на 20 септември оваа година беа објавени податоци кои речиси целосно ги отфрлија сомнежите за реалноста на уште една дупка со галактички размери, за чие постоење астрономите првпат се сомневаа пред 17 години. Се наоѓа во центарот на галаксијата М31, попозната како маглина Андромеда. Галакси М31 е многу стар, приближно 12 милијарди години. Дупката е исто така доста голема - 140 милиони соларни маси. До есента 2005 година, астрономите и астрофизичарите конечно беа убедени во постоењето на три супермасивни црни дупки и уште неколку десетици нивни поскромни придружници.

Пресуда на теоретичарите

Популарната механика успеа да разговара и со двајца од најавторитетните експерти за теоријата на гравитацијата, кои посветиле децении на истражување во областа на црните дупки. Ги замоливме да ги наведат најважните достигнувања во оваа област. Ова ни го кажа професорот по теоретска физика на Универзитетот во Калифорнија. Институт за технологијаКип Торн:

„Ако зборуваме за макроскопски црни дупки, кои се добро опишани со равенките на општата релативност, тогаш во областа на нивната теорија главните резултати се добиени уште во 60-80-тите години на 20 век. Што се однесува до неодамнешната работа, најинтересните од нив овозможија подобро разбирање на процесите што се случуваат внатре во црната дупка како што старее. Во последниве години, значително внимание е посветено на моделите на црни дупки во повеќедимензионални простори, кои природно се појавуваат во теоријата на струни. Но, овие студии повеќе не припаѓаат на класичните студии, туку на квантни дупки, сè уште не е откриено. Главниот резултат последниве години- многу убедлива астрофизичка потврда за реалноста за постоење на дупки со маса од неколку сончеви маси, како и супермасивни дупкиво центрите на галаксиите. Денес веќе нема сомнеж дека овие дупки навистина постојат и дека добро ги разбираме процесите на нивното формирање“.

Валери Фролов, студент на академик Марков и професор на Универзитетот во канадската провинција Алберта, одговори на истото прашање:

„Најпрво, би го именувал откривањето на црна дупка во центарот на нашата галаксија. Мошне интересни се и теоретските проучувања на дупките во просторите со дополнителни димензии, од кои следи можноста за раѓање на минидупки во експериментите на забрзувачите на судирите и во процесите на заемодејство на космичките зраци со копнената материја. Стивен Хокинг неодамна испрати претходно печатење на хартија што го покажува тоа топлинско зрачењецрната дупка целосно враќа во надворешниот свет информации за состојбата на предметите што паднале под нејзиниот хоризонт. Претходно веруваше дека оваа информација неповратно исчезнува, но сега дојде до спротивен заклучок. Сепак, мора да се нагласи дека овој проблем може конечно да се реши само врз основа на квантната теорија на гравитација, која сè уште не е конструирана“.

Делото на Хокинг заслужува посебен коментар. Од општите принципи на квантната механика произлегува дека ниту една информација не исчезнува без трага, туку само се претвора во помалку „читлива“ форма. Сепак, црните дупки неповратно ја уништуваат материјата и, очигледно, исто толку грубо се справуваат со информациите. Во 1976 година, Хокинг објави труд каде овој заклучок беше поддржан математички апарат. Некои теоретичари се согласија со него, некои не; особено, теоретичарите на струни верувале дека информацијата е неуништлива. Минатото лето, на конференција во Даблин, Хокинг рече дека информациите се уште се зачувани и ја напуштаат површината на испарувачката дупка заедно со топлинското зрачење. На овој состанок, Хокинг претстави само дијаграм од неговите нови пресметки, ветувајќи дека ќе ги објави во целост со текот на времето. И сега, како што рече Валери Фролов, ова дело стана достапно во форма на претходно печатење.

Конечно, побаравме од професорот Фролов да објасни зошто црните дупки ги смета за еден од најфантастичните изуми на човечката интелигенција.

„Астрономите долго време открија објекти за кои не беа потребни значително нови физички идеи за да се разберат. Ова не се однесува само на планетите, ѕвездите и галаксиите, туку и на таквите егзотични тела како што се белите џуџиња и неутронските ѕвезди. Но, црната дупка е нешто сосема друго, тоа е пробив во непознатото. Некој рече дека нејзината внатрешност е најдобро местода се смести подземниот свет. Истражување на дупки, особено сингуларитети, едноставно принудува употреба на такви нестандардни концепти и модели кои до неодамна практично не беа дискутирани во физиката - на пример, квантната гравитација и теоријата на струни. Тука се јавува многу проблеми, кои се невообичаени за физиката, дури и болни, но, како што сега е јасно, апсолутно реални. Затоа, проучувањето на дупките постојано бара фундаментално нови теоретски пристапи, вклучувајќи ги и оние кои се на работ на нашето знаење за физичкиот свет“.

Научното размислување понекогаш конструира предмети со такви парадоксални својства што дури и најпроникливите научници првично одбиваат да ги препознаат. Најочигледниот пример во историјата на модерната физика е долгорочниот недостаток на интерес за црните дупки, екстремни состојби на гравитационото поле предвидени пред речиси 90 години. Долго време тие се сметаа за чисто теоретска апстракција, а само во 1960-тите и 70-тите луѓето веруваа во нивната реалност. Сепак, основната равенка на теоријата на црната дупка е изведена пред повеќе од двесте години.

Увид на Џон Мишел

Името на Џон Мишел, физичар, астроном и геолог, професор на Универзитетот Кембриџ и свештеник на Англиканската црква, сосема незаслужено се изгуби меѓу ѕвездите на англиските Наука XVIIIвек. Мишел ги постави темелите на сеизмологијата - науката за земјотресите, спроведе одлични истражувања за магнетизмот и, долго пред Кулон, го измисли торзиониот баланс, кој го користеше за гравиметриски мерења. Во 1783 година, тој се обиде да ги спои двете големи креации на Њутн - механиката и оптиката. Њутн сметал дека светлината е млаз од ситни честички. Мишел сугерираше дека лесните тела, како и обичната материја, ги почитуваат законите на механиката. Последиците од оваа хипотеза се покажаа како многу нетривијални - небесните тела можат да се претворат во стапици за светлина.

Како размислуваше Мишел? Топско ѓуле испукано од површината на планетата целосно ќе ја надмине нејзината гравитација само ако таа почетна брзинаќе ја надмине вредноста што сега се нарекува втора брзина на бегство и брзина на бегство. Ако гравитацијата на планетата е толку силна што брзината на бегство ја надминува брзината на светлината, светлосните тела ослободени во зенитот нема да можат да одат до бесконечност. Истото ќе се случи и со рефлектираната светлина. Следствено, планетата ќе биде невидлива за многу далечен набљудувач. Мишел ја пресметал критичната вредност на радиусот на таквата планета R cr во зависност од нејзината маса M сведена на масата на нашето Сонце M s: R cr = 3 km x M/M s.

Џон Мишел верувал во неговите формули и претпоставил дека длабочините на вселената кријат многу ѕвезди кои не можат да се видат од Земјата со ниту еден телескоп. Подоцна, големиот француски математичар, астроном и физичар Пјер Симон Лаплас дошол до истиот заклучок, кој го вклучил и во првото (1796) и во второто (1799) издание на неговата „Изложба на светскиот систем“. Но, третото издание беше објавено во 1808 година, кога повеќето физичари веќе сметаа дека светлината е вибрации на етерот. Постоењето на „невидливи“ ѕвезди беше контрадикторно теорија на брановисветлина, а Лаплас сметаше дека е најдобро едноставно да не ги спомнува. Во следните времиња, оваа идеја се сметаше за љубопитност, достојна за презентација само во делата за историјата на физиката.

Модел на Шварцшилд

Од пресметките на Шварцшилд произлегува дека гравитацијата на ѕвездата не ја искривува премногу Њутновата структура на просторот и времето само ако нејзиниот радиус е многу поголем од самата вредност што ја пресметал Џон Мишел! Овој параметар најпрво бил наречен радиус на Шварцшилд, а сега се нарекува гравитациски радиус. Според општата релативност, гравитацијата не влијае на брзината на светлината, туку ја намалува фреквенцијата на светлосните вибрации во иста пропорција како што го забавува времето. Ако радиусот на ѕвездата е 4 пати поголем од гравитациониот радиус, тогаш текот на времето на нејзината површина се забавува за 15%, а просторот добива забележлива кривина. Кога ќе се надмине двапати, посилно се наведнува, а времето забавува за 41%. Кога ќе се достигне гравитациониот радиус, времето на површината на ѕвездата целосно застанува (сите фреквенции одат на нула, зрачењето замрзнува, а ѕвездата излегува), но закривеноста на просторот таму е сè уште конечна. Далеку од ѕвездата, геометријата сè уште останува Евклидова, а времето не ја менува нејзината брзина.

И покрај фактот дека вредностите на гравитациониот радиус на Мишел и Шварцшилд се совпаѓаат, самите модели немаат ништо заедничко. За Мишел, просторот и времето не се менуваат, туку светлината забавува. Ѕвезда чии димензии се помали од нејзиниот гравитациски радиус продолжува да свети, но е видлива само за не премногу далечен набљудувач. За Шварцшилд, брзината на светлината е апсолутна, но структурата на просторот и времето зависи од гравитацијата. Ѕвезда која паднала под гравитациониот радиус исчезнува за секој набљудувач, без разлика каде се наоѓа (поточно, може да се открие со гравитациски ефекти, но не и со зрачење).

Од неверување до потврда

Шварцшилд и неговите современици верувале дека такви чудни вселенски објекти не постојат во природата. Самиот Ајнштајн не само што се придржувал до оваа гледна точка, туку и погрешно верувал дека успеал математички да го поткрепи своето мислење.

Во 1930-тите, младиот индиски астрофизичар Чандрасехар докажа дека ѕвездата што го потрошила своето нуклеарно гориво ја отфрла својата обвивка и се претвора во бело џуџе кое полека се лади само ако нејзината маса е помала од 1,4 сончеви маси. Наскоро Американецот Фриц Цвики сфатил дека експлозиите на супернова произведуваат исклучително густи тела од неутронска материја; Подоцна до истиот заклучок дојде и Лев Ландау. По работата на Чандрасехар, беше очигледно дека само ѕвезди со маса поголема од 1,4 соларни маси може да претрпат таква еволуција. Така, се појави природно прашање: дали постои горна граница на масата на супернови што неутронските ѕвезди ја оставаат зад себе?

На крајот на 30-тите, идниот татко на американската атомска бомба, Роберт Опенхајмер, утврди дека таквата граница всушност постои и не надминува неколку сончеви маси. Тогаш не беше можно да се даде попрецизна оценка; Сега е познато дека масите на неутронските ѕвезди мора да бидат во опсег од 1,5-3 M s. Но, дури и од грубите пресметки на Опенхајмер и неговиот дипломиран студент Џорџ Волков, следеше дека најмасивните потомци на суперновите не стануваат неутронски ѕвезди, туку се трансформираат во некоја друга состојба. Во 1939 година, Опенхајмер и Хартланд Снајдер користеа идеализиран модел за да докажат дека масивна ѕвезда во колапс е намалена до нејзиниот гравитациски радиус. Од нивните формули всушност произлегува дека ѕвездата не застанува тука, но коавторите се воздржале од таков радикален заклучок.

Конечниот одговор беше пронајден во втората половина на 20 век преку напорите на цела галаксија брилијантни теоретски физичари, вклучувајќи ги и советските. Се испостави дека таков колапс Секогашја компресира ѕвездата „до крај“, целосно уништувајќи ја нејзината материја. Како резултат на тоа, се појавува сингуларност, „суперконцентрат“ на гравитационото поле, затворен во бесконечно мал волумен. За стационарна дупка ова е точка, за ротирачка дупка е прстен. Заобленоста на простор-времето и, според тоа, силата на гравитацијата во близина на сингуларноста се стреми кон бесконечноста. На крајот на 1967 година, американскиот физичар Џон Арчибалд Вилер беше првиот што го нарече овој последен ѕвезден колапс црна дупка. Новиот термин го сакаа физичарите и ги воодушевија новинарите, кои го раширија низ светот (иако на Французите на почетокот не им се допадна, бидејќи изразот trou noir сугерираше сомнителни асоцијации).

Таму, надвор од хоризонтот

Физичкото значење на хоризонтот е многу јасно. Светлосниот сигнал испратен од неговата надворешна близина може да патува бесконечно долго растојание. Но, сигналите испратени од внатрешниот регион не само што нема да го преминат хоризонтот, туку неизбежно ќе „паднат“ во сингуларноста. Хоризонтот е просторна граница помеѓу настаните што можат да им станат познати на копнените (и сите други) астрономи, и настаните за кои информации во никој случај нема да излезат.

Зрачењето на црната дупка

Сите претходни модели беа изградени исклучиво врз основа на општата релативност. Сепак, нашиот свет е управуван од законите на квантната механика, кои не ги игнорираат црните дупки. Овие закони не ни дозволуваат да ја сметаме централната сингуларност како математичка точка. Во квантен контекст, неговиот дијаметар е даден со должината на Планк-Вилер, приближно еднаква на 10 -33 сантиметри. Во оваа област, обичниот простор престанува да постои. Општо е прифатено дека центарот на дупката е исполнет со различни тополошки структури кои се појавуваат и умираат во согласност со квантните веројатносни закони. Својствата на таквиот квази-простор кој клокоти, кој Вилер го нарече квантна пена, сè уште се слабо разбрани.

Присуството на квантна сингуларност има директно влијание врз судбината на материјалните тела кои паѓаат во длабочините на црната дупка. Кога се приближува до центарот на дупката, кој било предмет направен од сега познати материјали, ќе биде смачкана и растргната од плимните сили. Сепак, дури и ако идните инженери и технолози создадат некои суперсилни легури и композити со моментално невидени својства, сите тие се уште се осудени да исчезнат: на крајот на краиштата, во зоната на сингуларност нема ниту вообичаено време ниту вообичаен простор.

Сега да го погледнеме хоризонтот на дупката преку квантна механичка леќа. Празниот простор - физичкиот вакуум - всушност воопшто не е празен. Поради квантните флуктуации на различни полиња во вакуум, многу виртуелни честички постојано се раѓаат и умираат. Бидејќи гравитацијата во близина на хоризонтот е многу силна, нејзините флуктуации создаваат исклучително силни гравитациски изливи. Кога се забрзуваат на такви полиња, новородените „виртуелни“ добиваат дополнителна енергија и понекогаш стануваат нормални долговечни честички.

Виртуелните честички секогаш се раѓаат во парови кои се движат во спротивни насоки (ова го бара законот за зачувување на импулсот). Ако гравитациската флуктуација извлече пар честички од вакуумот, може да се случи една од нив да се материјализира надвор од хоризонтот, а втората (античестичката на првата) внатре. „Внатрешната“ честичка ќе падне во дупката, но „надворешната“ честичка може да избега под поволни услови. Како резултат на тоа, дупката станува извор на зрачење и затоа ја губи енергијата, а со тоа и масата. Затоа, црните дупки во принцип не се стабилни.

Овој феномен се нарекува ефект на Хокинг, по извонредниот англиски теоретски физичар кој го открил во средината на 1970-тите. Стивен Хокинг, особено, докажа дека хоризонтот на црната дупка емитира фотони на ист начин како апсолутно црно тело загреано на температура од T = 0,5 x 10 -7 x M s / M. Следи дека како што дупката станува потенка, нејзината температура се зголемува, а „испарувањето“ природно се интензивира. Овој процес е исклучително бавен, а животниот век на дупка со маса М е околу 10 65 x (M/M s) 3 години. Кога нејзината големина станува еднаква на должината на Планк-Вилер, дупката ја губи стабилноста и експлодира, ослободувајќи ја истата енергија како симултаната експлозија на милион хидрогенски бомби од десет мегатони. Интересно е што масата на дупката во моментот на нејзиното исчезнување е сè уште прилично голема, 22 микрограми. Според некои модели, дупката не исчезнува без трага, туку зад себе остава стабилна реликвија со иста маса, таканаречениот максимон.

Максимоне роден пред 40 години - како поим и како физичка идеја. Во 1965 година, академик М.А. Марков сугерираше дека постои горна граница на масата на елементарните честички. Тој предложи оваа ограничувачка вредност да се смета како димензија на масата, која може да се комбинира од три основни физички константи - Планкова константа h, брзината на светлината C и гравитациската константа G (за оние кои сакаат детали: за да го направите ова треба да ги помножите h и C, да го поделите резултатот со G и да го земете квадратниот корен). Ова се истите 22 микрограми што се споменати во статијата; оваа вредност се нарекува Планкова маса. Од истите константи може да се конструира величина со димензија на должина (должината на Планк-Вилер излегува 10 -33 cm) и со димензија на време (10 -43 sec).
Марков отиде понатаму во своето размислување. Според неговата хипотеза, испарувањето на црна дупка доведува до формирање на „сув остаток“ - максимон. Марков таквите структури ги нарекол елементарни црни дупки. Колку оваа теорија кореспондира со реалноста е сè уште отворено прашање. Во секој случај, аналози на максимоните на Марков се оживеани во некои модели на црни дупки засновани на теоријата на супержици.

Длабочините на просторот

Црните дупки не се забранети со законите на физиката, но дали постојат во природата? Апсолутно ригорозни докази за присуство на барем еден таков објект во вселената сè уште не се пронајдени. Сепак, многу е веројатно дека во некои бинарни системи извори на емисија на Х-зраци се црните дупки со ѕвездено потекло. Ова зрачење треба да настане како резултат на атмосферата на обична ѕвезда која е вшмукувана од гравитационото поле на соседната дупка. Како што гасот се движи кон хоризонтот на настани, тој станува многу жежок и емитува кванти на Х-зраци. Најмалку дваесетина извори на Х-зраци сега се сметаат за соодветни кандидати за улогата на црни дупки. Згора на тоа, ѕвездената статистика сугерира дека само во нашата галаксија има околу десет милиони дупки со ѕвездено потекло.

Стивен Хокинг дошол до заклучок дека црните дупки со произволна маса можеле да се родат веднаш по Големата експлозија, од која настанал нашиот Универзум. Примарните дупки со тежина до милијарда тони веќе се испариле, но потешките сè уште можат да се сокријат во длабочините на вселената и, во догледно време, да предизвикаат космички огномет во форма на моќни изливи на гама зрачење. Сепак, такви експлозии никогаш досега не биле забележани.

Фабрика за црни дупки

Дали е можно да се забрзаат честичките во забрзувачот до толку висока енергија што нивниот судир создава црна дупка? На прв поглед, оваа идеја е едноставно луда - експлозијата на дупка ќе го уништи целиот живот на Земјата. Покрај тоа, тоа е технички неизводливо. Ако минималната маса на дупка е навистина 22 микрограми, тогаш во енергетски единици таа е 10 28 електрон волти. Овој праг е за 15 реда по големина поголем од можностите на најмоќниот акцелератор на светот, Големиот хадронски судирач (LHC), кој ќе биде лансиран во ЦЕРН во 2007 година.

Сепак, можно е стандардната проценка на минималната маса на дупката да е значително преценета. Во секој случај, тоа е она што го велат физичарите, развивајќи ја теоријата за супержиците, која ја вклучува квантната теорија на гравитација (иако далеку од целосна). Според оваа теорија, просторот нема три димензии, туку најмалку девет. Не ги забележуваме дополнителните димензии бидејќи тие се обвиткани во толку мал обем што нашите инструменти не ги перцепираат. Сепак, гравитацијата е сеприсутна, таа продира во скриени димензии. Во тридимензионалниот простор, силата на гравитацијата е обратно пропорционална на квадратот на растојанието, а во девет-димензионалниот простор е пропорционална на осмата сила. Затоа, во повеќедимензионален свет, интензитетот на гравитационото поле се зголемува многу побрзо како што се намалува растојанието отколку во тридимензионалниот свет. Во овој случај, должината на Планк се зголемува многу пати, а минималната маса на дупката нагло паѓа.

Теоријата на струни предвидува дека црна дупка со маса од само 10 -20 g може да се роди во девет-димензионален простор. релативистичка масапротоните забрзани во суперзабрзувачот Церн. Според најоптимистичкото сценарио, ќе може да произведува по една дупка секоја секунда, која ќе живее околу 10 -26 секунди. Во процесот на неговото испарување ќе се родат секакви елементарни честички кои нема да биде тешко да се регистрираат. Исчезнувањето на дупката ќе доведе до ослободување на енергија, која не е доволна ниту да се загрее еден микрограм вода за илјадити дел од степенот. Затоа, постои надеж дека LHC ќе се претвори во фабрика на безопасни црни дупки. Ако овие модели се точни, тогаш орбиталните детектори за космички зраци од новата генерација ќе можат да детектираат такви дупки.

Сето горенаведено се однесува на неподвижни црни дупки. Во меѓувреме, има и ротирачки дупки со букет најинтересните својства. резултати теоретска анализаЗрачењето на црната дупка, исто така, доведе до сериозно преиспитување на концептот на ентропија, што исто така заслужува посебна дискусија. Повеќе за ова во следниот број.

Хипотезата за постоење на црни дупки првпат ја изнесе англискиот астроном Џ. Мишел во 1783 година врз основа на корпускуларна теоријасветлината и Њутновата теорија за гравитација. Во тоа време, теоријата за бранови на Хајгенс и неговиот познат бран принцип беа едноставно заборавени. Теоријата на брановите не беше помогната од поддршката на некои преподобни научници, особено познатите санктпетербуршки академици М.В. Ломоносов и Л. Ојлер. Логиката на расудувањето што го доведе Мишел до концептот на црна дупка е многу едноставна: ако светлината се состои од честички-терупи на прозрачниот етер, тогаш овие честички треба да искусат, како и другите тела, привлечност од гравитационото поле. Следствено, колку е помасивна ѕвездата (или планетата), толку поголема привлечност од нејзината страна треба да искусат труповите и толку е потешко светлината да ја напушти површината на таквото тело.

Понатамошната логика сугерира дека таквите масивни ѕвезди, чија привлечност корпускулите веќе нема да можат да ја надминат, а на надворешниот набљудувач секогаш ќе му изгледаат црни, иако и самите можат да светат со блескава сјај, како Сонцето. Физички, тоа значи дека втората брзина на бегство на површината на таква ѕвезда не треба да биде помала од брзината на светлината. Пресметките на Мишел покажуваат дека светлината никогаш нема да ја напушти ѕвездата ако нејзиниот радиус при просечна сончева густина е еднаков на 500 соларни. Овој вид на ѕвезда веќе може да се нарече црна дупка.

По 13 години, францускиот математичар и астроном П.С. Лаплас, најверојатно, независно од Мишел, изразил слична хипотеза за постоењето на такви егзотични предмети. Користејќи тежок метод на пресметка, Лаплас го нашол радиусот на топката за дадена густина, на чија површина параболичната брзина е еднаква на брзината на светлината. Според Лаплас, корпускулите на светлината, бидејќи се гравитирачки честички, треба да бидат одложени од масивни ѕвезди кои емитуваат светлина, кои имаат густина еднаква на онаа на Земјата и радиус 250 пати поголем од оној на Сонцето.

Оваа теорија на Лаплас била вклучена само во првите две изданија од неговиот животен век. позната книга„Изложба на системот на светот“, објавена во 1796 и 1799 година. Да, можеби австрискиот астроном Ф.

Во овој момент, историјата на истражувањето на црните дупки паузираше повеќе од 100 години. Се чини дека самиот Лаплас тивко ја напуштил таквата екстравагантна хипотеза, бидејќи ја исклучил од сите други доживотни изданија на неговата книга, објавена во 1808, 1813 и 1824 година. Можеби Лаплас не сакал дополнително да ја повторува речиси фантастичната хипотеза за колосалните ѕвезди кои не испуштаат светлина. Можеби тој беше запрен од нови астрономски податоци за непроменливоста на големината на аберацијата на светлината кај различни ѕвезди, што беше во спротивност со некои од заклучоците на неговата теорија, врз основа на кои ги базираше своите пресметки. Но, најверојатната причина што сите заборавиле на мистериозните хипотетички објекти на Мишел-Лаплас е триумфот на брановата теорија на светлината, чиј триумфален марш започна со првиот години XIXВ.

Овој триумф започна со предавањето на Букер на англискиот физичар Т. Јанг „Теоријата на светлината и бојата“, објавено во 1801 година, каде Јанг смело, спротивно на Њутн и другите познати поддржувачи на корпускуларната теорија (вклучувајќи го и Лаплас), ја истакна суштината на брановата теорија на светлината, велејќи дека емитираната светлина се состои од брановидни движења на прозрачниот етер. Лаплас, инспириран од откривањето на поларизацијата на светлината, почнал да ги „спасува“ корпускулите со конструирање теорија за двојно прекршување на светлината во кристалите заснована на двојното дејство на кристалните молекули на светлосните тела. Но, последователните дела на физичарите О.Ж. Френел, Ф.Д. Арагон, Ј. Фраунхофер и други не оставија ништо од корпускуларната теорија, која сериозно се памети само еден век подоцна, по откривањето на квантите. Сите дискусии за црните дупки во рамките на теоријата на брановите на светлината изгледаа смешно во тоа време.

Тие не се сетија веднаш за црните дупки дури и по „рехабилитацијата“ на корпускуларната теорија на светлината, кога почнаа да зборуваат за неа на ново квалитативно ниво благодарение на хипотезата за квантите (1900) и фотоните (1905). Црните дупки беа повторно откриени по втор пат дури по создавањето на Општата релативност во 1916 година, кога германскиот теоретски физичар и астроном К. во близина на Сонцето. Тој на крајот повторно го откри феноменот на црните дупки, но на подлабоко ниво.

Конечно теоретско откритиеОткривањето на црните дупки се случи во 1939 година, кога Опенхајмер и Снајдер го направија првото експлицитно решение на равенките на Ајнштајн за да го опишат формирањето на црна дупка од облак од прашина што се урива. Самиот термин „црна дупка“ првпат беше воведен во науката од американскиот физичар Џ. Х-зраци) астрономија, откривање на космичко микробранова позадинско зрачење, пулсари и квазари.

« Научната фантастика може да биде корисна - ја поттикнува имагинацијата и го ублажува стравот од иднината. Сепак научни фактиможе да испадне многу поневеројатно. Научната фантастика никогаш не ни замислувала постоење на такви работи како црни дупки»
Стивен Хокинг

Во длабочините на универзумот има безброј мистерии и тајни скриени за луѓето. Една од нив се црните дупки - објекти кои ни луѓето не можат да ги разберат. најголемите умовичовештвото. Стотици астрофизичари се обидуваат да ја откријат природата на црните дупки, но на оваа бинаНивното постоење се уште не сме го докажале во пракса.

Филмските режисери им ги посветуваат своите филмови, а меѓу обичните луѓецрните дупки станаа толку иконичен феномен што се поистоветуваат со крајот на светот и претстојната смрт. Тие се плашат и мразат, но во исто време се идолизирани и обожувани од непознатото што овие чудни фрагменти од Универзумот го кријат во себе. Се согласувам, да бидеш проголтан од црна дупка е толку романтична работа. Со нивна помош тоа е можно, а тие можат да ни станат и водичи во.

Жолтиот печат често шпекулира за популарноста на црните дупки. Пронаоѓањето наслови во весниците поврзани со крајот на светот поради уште еден судир со супермасивна црна дупка не е проблем. Многу полошо е што неписмениот дел од населението сè сфаќа сериозно и предизвикува вистинска паника. За да донесеме малку јасност, ќе направиме патување до потеклото на откривањето на црните дупки и ќе се обидеме да разбереме што е тоа и како да му пристапиме.

Невидливи ѕвезди

Така се случи тоа современите физичариопишете ја структурата на нашиот универзум користејќи ја теоријата на релативност, која Ајнштајн внимателно ја дал на човештвото на почетокот на 20 век. Црните дупки стануваат уште помистериозни, на хоризонтот на настани на кој сите ни познати закони на физиката, вклучително и теоријата на Ајнштајн, престануваат да важат. Зарем ова не е прекрасно? Дополнително, претпоставката за постоењето на црни дупки беше изразена многу пред да се роди самиот Ајнштајн.

Во 1783 година имаше значително зголемување на научната активност во Англија. Во тие денови, науката одеше рамо до рамо со религијата, тие добро се сложуваа заедно, а научниците повеќе не се сметаа за еретици. Освен тоа, свештениците се занимавале со научно истражување. Еден од овие Божји слуги бил англискиот свештеник Џон Мишел, кој се прашувал не само за прашањата за постоењето, туку и целосно научни задачи. Мишел бил многу насловен научник: првично бил учител по математика и античка лингвистика на еден од колеџите, а потоа бил примен во Кралското друштво во Лондон за голем број откритија.

Џон Мишел студирал сеизмологија, но во слободното време сакал да размислува за вечното и космосот. Така тој дошол до идејата дека некаде во длабочините на Универзумот може да има супермасивни тела со толку моќна гравитација што за да се надмине гравитационата сила на такво тело потребно е да се движи со брзина еднаква или поголема од брзината на светлината. Ако ја прифатиме таквата теорија како вистинита, тогаш развијте втора брзина на бегство(потребна е брзина за надминување гравитациска привлечностнапуштање на телото) ни светлината нема да може, па таквото тело ќе остане невидливо со голо око.

Мојата нова теоријаМишел ги нарече „темни ѕвезди“, а во исто време се обиде да ја пресмета масата на таквите објекти. Тој ги изрази своите размислувања за ова прашање во отворено писмо до Лондон кралското општество. За жал, во тие денови таквото истражување не беше од особена вредност за науката, па писмото на Мишел беше испратено до архивите. Само двесте години подоцна, во втората половина на 20 век, беше откриен меѓу илјадници други записи внимателно складирани во античката библиотека.

Првиот научен доказ за постоењето на црни дупки

По ослободувањето Општа теоријаРелативитетот на Ајнштајн излезе на виделина, математичарите и физичарите сериозно се зафатија со решението на равенките презентирани од германскиот научник, кои требаше да ни кажат многу нови работи за структурата на Универзумот. Германскиот астроном и физичар Карл Шварцшилд решил да го стори истото во 1916 година.

Научникот, користејќи ги своите пресметки, дошол до заклучок дека постоењето на црни дупки е можно. Тој, исто така, беше првиот што го опиша она што подоцна беше наречено романтична фраза „хоризонт на настани“ - имагинарна граница на време-просторот во црна дупка, по преминувањето на која нема точка од која нема враќање. Ништо нема да избега од хоризонтот на настани, дури ни светлината. Надвор од хоризонтот на настани се јавува таканаречената „сингуларност“, каде што престануваат да важат законите на физиката кои ни се познати.

Продолжувајќи да ја развива својата теорија и да решава равенки, Шварцшилд открил нови тајни на црните дупки за себе и за светот. Така, тој успеал, исклучиво на хартија, да го пресмета растојанието од центарот на црната дупка, каде што е концентрирана нејзината маса, до хоризонтот на настани. Ова растојаниеШварцшилд го нарече гравитациски радиус.

И покрај фактот што математички, решенијата на Шварцшилд беа крајно точни и не можеа да се побијат, научната заедница од почетокот на 20 век не можеше веднаш да прифати такво шокантно откритие, а постоењето на црни дупки беше отпишано како фантазија, што се појавуваше секој сега и тогаш во теоријата на релативноста. Следната деценија и пол, истражувањето на вселената за присуство на црни дупки беше бавно, а во тоа беа ангажирани само неколку приврзаници на теоријата на германскиот физичар.

Ѕвезди кои раѓаат темнина

Откако беа средени равенките на Ајнштајн, дојде време да се искористат заклучоците донесени за да се разбере структурата на Универзумот. Особено, во теоријата на ѕвездената еволуција. Не е тајна дека во нашиот свет ништо не трае вечно. Дури и ѕвездите имаат свој животен циклус, иако подолг од една личност.

Еден од првите научници кој сериозно се заинтересирал за еволуцијата на ѕвездите бил младиот астрофизичар Субрамањан Чандрасехар, роден во Индија. Во 1930 година тој го ослободи научна работа, кој ја опишал претпоставената внатрешна структураѕвездите, како и нивните животни циклуси.

Веќе на почетокот на 20 век, научниците погодија за таков феномен како гравитациска компресија(гравитациски колапс). Во одреден момент од својот живот, ѕвездата почнува да се собира со огромна брзина под влијание на гравитационите сили. Како по правило, ова се случува во моментот на смртта на ѕвездата, но за време на гравитацискиот колапс постојат неколку начини за континуирано постоење на жешка топка.

Научниот советник на Чандрасехар, Ралф Фаулер, почитуван теоретски физичар во своето време, претпоставувал дека за време на гравитацискиот колапс секоја ѕвезда се претвора во помала и пожешка - бело џуџе. Но, се покажа дека ученикот ја „скрши“ теоријата на наставникот, која ја споделуваа повеќето физичари на почетокот на минатиот век. Според работата на еден млад Индиец, пропаѓањето на ѕвездата зависи од нејзината почетна маса. На пример, само оние ѕвезди чија маса не надминува 1,44 пати поголема од масата на Сонцето можат да станат бели џуџиња. Овој број беше наречен граница на Чандрасехар. Ако масата на ѕвездата ја надмине оваа граница, тогаш таа умира на сосема поинаков начин. Под одредени услови, таква ѕвезда во моментот на смртта може да се прероди во нова, неутронска ѕвезда - уште една мистерија на модерниот универзум. Теоријата на релативноста ни кажува уште една опција - компресија на ѕвездата до ултра мали вредности, и тука започнува забавата.

Во 1932 година, во едно од научните списанија се појави статија во која генијален физичарод СССР Лев Ландау сугерираше дека за време на колапс супермасивна ѕвезда е компресирана во точка со бесконечно мал радиус и бесконечна маса. И покрај фактот дека таков настан е многу тешко да се замисли од гледна точка неподготвена личност, Ландау не беше далеку од вистината. Физичарот исто така сугерираше дека, според теоријата на релативноста, гравитацијата во таква точка ќе биде толку голема што ќе почне да го искривува простор-времето.

На астрофизичарите им се допадна теоријата на Ландау и тие продолжија да ја развиваат. Во 1939 година, во Америка, благодарение на напорите на двајца физичари - Роберт Опенхајмер и Хартланд Снајдер - се појави теорија која детално опишува супермасивна ѕвезда во моментот на колапс. Како резултат на таков настан, требало да се појави вистинска црна дупка. И покрај убедливоста на аргументите, научниците продолжија да ја негираат можноста за постоење на такви тела, како и трансформација на ѕвезди во нив. Дури и Ајнштајн се оградил од оваа идеја, верувајќи дека ѕвезда не е способна за такви феноменални трансформации. Другите физичари не штедоа на нивните изјави, нарекувајќи ја можноста за такви настани смешна.
Сепак, науката секогаш стигнува до вистината, само треба да почекате малку. И така се случи.

Најсветлите објекти во универзумот

Нашиот свет е збир на парадокси. Понекогаш во него коегзистираат нешта, чие соживот пркоси на секоја логика. На пример, терминот „црна дупка“ не би бил поврзан од нормална личност со изразот „неверојатно светла“, но откритието во раните 60-ти години на минатиот век им овозможи на научниците да ја сметаат оваа изјава за неточна.

Со помош на телескопи, астрофизичарите успеале да откријат досега непознати објекти на ѕвезденото небо, кои се однесувале многу чудно и покрај тоа што изгледале како обични ѕвезди. Додека ги проучувал овие чудни светилки, американскиот научник Мартин Шмит го привлече вниманието на нивната спектрографија, чии податоци покажале различни резултати од скенирање на други ѕвезди. Едноставно, овие ѕвезди не беа како другите на кои сме навикнати.

Одеднаш му осамна на Шмит и забележа поместување во спектарот во црвениот опсег. Се испостави дека овие објекти се многу подалеку од нас од ѕвездите што сме навикнати да ги набљудуваме на небото. На пример, објектот забележан од Шмит се наоѓал на две и пол милијарди светлосни години од нашата планета, но блескал како ѕвезда на стотина светлосни години. Излегува дека светлината од еден таков објект е споредлива со осветленоста на цела галаксија. Ова откритие беше вистински пробив во астрофизиката. Научникот ги нарече овие објекти „квази-ѕвездени“ или едноставно „квазар“.

Мартин Шмит продолжил да проучува нови објекти и открил дека таков светол сјај може да биде предизвикан само од една причина - акреција. Акреција е процес на апсорпција на околната материја од супермасивно тело со помош на гравитација. Научникот дошол до заклучок дека во центарот на квазарите има огромна црна дупка, која со неверојатна сила ја вовлекува материјата што ја опкружува во вселената. Во процесот на апсорпција на материјата со дупка, честичките се забрзуваат до огромни брзинии почнуваат да светат. Еден вид прозрачна купола околу црна дупка се нарекува акреционен диск. Неговата визуелизација беше добро демонстрирана во филмот на Кристофер Нолан Меѓуѕвездениот, кој покрена многу прашања: „како може црната дупка да свети?

До денес, научниците веќе пронајдоа илјадници квазари на ѕвезденото небо. Овие чудни се неверојатни светли објектисе нарекуваат светилници на Универзумот. Тие ни овозможуваат малку подобро да ја замислиме структурата на космосот и да се приближиме до моментот од кој започна сето тоа.

Иако астрофизичарите многу години добиваа индиректни докази за постоењето на супермасивни невидливи објекти во Универзумот, терминот „црна дупка“ постоеше дури во 1967 година. За да се избегне сложени имиња, американскиот физичар Џон Арчибалд Вилер предложи таквите објекти да се нарекуваат „црни дупки“. Зошто да не? Донекаде се црни, затоа што не можеме да ги видиме. Освен тоа, тие привлекуваат сè, можете да паднете во нив, исто како во вистинска дупка. Да, и излезете од такво место според современите законифизиката е едноставно невозможна. Сепак, Стивен Хокинг тврди дека кога патувате низ црна дупка, можете да стигнете до друг универзум, друг свет, а тоа е надеж.

Страв од бесконечност

Поради прекумерната мистерија и романтизација на црните дупки, овие предмети станаа вистинска хорор приказна меѓу луѓето. Таблоидниот печат сака да шпекулира за неписменоста на населението, објавувајќи неверојатни приказни за тоа како огромна црна дупка се движи кон нашата Земја, која ќе го проголта Сончевиот систем за неколку часа, или едноставно испушта бранови токсичен гас кон нашата планета. .

Особено популарна е темата за уништување на планетата со помош на Големиот хадронски судирач, кој е изграден во Европа во 2006 година на територијата на Европскиот совет за нуклеарни истражувања (ЦЕРН). Започна бран на паника како нечија глупава шега, сепак, порасна како снежна топка. Некој започнал гласина дека би можела да се формира црна дупка во забрзувачот на честичките на судирот, која целосно ќе ја проголта нашата планета. Се разбира, огорчените почнаа да бараат забрана за експерименти во ЛХЦ, плашејќи се од ваквиот исход на настаните. Европскиот суд почна да добива тужби со кои се бара судирот да се затвори и научниците кои го создале да бидат казнети до максимум од законот.

Всушност, физичарите не негираат дека кога се судираат честички во Големиот хадронски судирач, може да се појават објекти слични по својства на црните дупки, но нивната големина е на ниво на големината на елементарните честички, а такви „дупки“ постојат за таков кратко време што не можеме ни да го забележиме нивното појавување.

Еден од главните експерти кои се обидуваат да го разбијат бранот на незнаење пред луѓето е Стивен Хокинг, познат теоретски физичар кој, згора на тоа, се смета за вистински „гуру“ во однос на црните дупки. Хокинг докажа дека црните дупки не секогаш ја апсорбираат светлината што се појавува во акреционите дискови, а дел од неа се расфрла во вселената. Овој феномен беше наречен Хокинг зрачење, или испарување на црните дупки. Хокинг, исто така, воспостави врска помеѓу големината на црната дупка и брзината на нејзиното „испарување“ - колку е помала, толку помалку време постои. Ова значи дека сите противници на Големиот хадронски судирач не треба да се грижат: црните дупки во него нема да можат да преживеат ниту милионити дел од секундата.

Теоријата не е докажана во пракса

За жал, човечката технологија во оваа фаза на развој не ни дозволува да ги тестираме повеќето од теориите развиени од астрофизичарите и другите научници. Од една страна, постоењето на црни дупки е доста убедливо докажано на хартија и изведено со помош на формули во кои сè се вклопува со секоја променлива. Од друга страна, во пракса се уште не сме успеале да видиме вистинска црна дупка со свои очи.

И покрај сите несогласувања, физичарите сугерираат дека во центарот на секоја галаксија има супермасивна црна дупка, која ги собира ѕвездите во јата со својата гравитација и ги принудува да патуваат низ Универзумот во големо и пријателско друштво. Во нашата галаксија млечен патСпоред различни проценки, има од 200 до 400 милијарди ѕвезди. Сите овие ѕвезди кружат околу нешто што има огромна маса, нешто што не можеме да го видиме со телескоп. Најверојатно се работи за црна дупка. Дали треба да се плашиме од неа? – Не, барем не во следните неколку милијарди години, но можеме да направиме уште еден интересен филм за тоа.