Sort hull romobjekt for barn. Academy of Entertaining Sciences

>Sorte hull

Hva har skjedd svart hull– forklaring til barn: beskrivelse med bilder, hvordan finne universet i verdensrommet, hvordan stjerner vises, døden, supermassive sorte hull i galakser.

For de små foreldrene eller På skolen må forklare, hva skal man oppfatte et sort hull som tomt sted- en alvorlig feil. Tvert imot, en utrolig mengde materie er konsentrert i den, som er innesperret i et lite rom. Til forklaring til barn var mer fargerik, bare tenk om du tok en stjerne 10 ganger mer massiv enn solen og prøvde å presse den inn i et område på størrelse med New York City. På grunn av dette trykket blir gravitasjonsfeltet så sterkt at ingen, ikke engang en lysstråle, kan slippe unna. Med utviklingen av teknologi er NASA i stand til å lære mer og mer om disse mystiske objektene.

Begynne forklaring til barn Dette kan forklares med det faktum at begrepet "svart hull" ikke eksisterte før i 1967 (skapt av John Wheeler). Men før dette ble det i flere århundrer nevnt om eksistensen av merkelige gjenstander som på grunn av deres tetthet og massivitet ikke frigjør lys. De ble til og med spådd av Albert Einstein i generell teori relativt. Hun beviste at når en massiv stjerne dør, gjenstår en liten tett kjerne. Hvis en stjerne er tre ganger solens masse, overvinner tyngdekraften andre krefter, og vi får et svart hull.

Selvfølgelig er det viktig forklare barna at forskere blir fratatt muligheten til å observere disse funksjonene direkte (teleskoper finner bare lys røntgenstråling og andre former for elektromagnetisk stråling), så det er ikke nødvendig å vente på et bilde av et svart hull. Men det er mulig å beregne deres plassering og til og med bestemme størrelsen på grunn av innflytelsen de har på omkringliggende objekter. For eksempel hvis den passerer gjennom en sky interstellar materie, så i prosessen vil det begynne å trekke materie innover - akkresjon. Det samme vil skje hvis en stjerne passerer i nærheten. Riktignok kan en stjerne eksplodere.

I tiltrekningsøyeblikket varmes stoffet opp og akselererer, og slipper det ut i verdensrommet Røntgenstråler. Nylige funn har sett flere kraftige utbrudd av gammastråler, som viser at hullet sluker stjerner i nærheten. I dette øyeblikket stimulerer de veksten til noen og stopper andre.

En stjernes død er begynnelsen på et svart hull

De fleste sorte hull oppstår fra restmateriale fra døende store stjerner (supernovaeksplosjoner). Mindre stjerner blir tette nøytronstjerner, som mangler massiviteten til å fange lys. Hvis massen til en stjerne er 3 ganger større enn solens, blir den en kandidat for et sort hull. Viktig forklare barna en særhet. Når en stjerne kollapser, nærmer overflaten seg en tenkt overflate (hendelseshorisont). Tiden på selve stjernen blir langsommere enn observatørens. Når overflaten når hendelseshorisonten, fryser tiden og stjernen kan ikke lenger kollapse – et frossent, kollapsende objekt.

Større sorte hull kan dukke opp etter en stjernekollisjon. Etter lanseringen i desember 2004 var NASA-teleskopet i stand til å oppdage sterke, flyktige lysglimt - gammastråler. Chandra og Hubble samlet deretter inn data om hendelsen og innså at disse faklene kunne være et resultat av en kollisjon mellom et sort hull og en nøytronstjerne, som skaper et nytt sort hull.

Selv om det er i ferd med utdanning barn Og foreldre Vi har allerede funnet ut av det, men én ting er fortsatt et mysterium. Hullene ser ut til å eksistere i to forskjellige skalaer. Det er mange sorte hull - restene av massive stjerner. Vanligvis er de 10-24 ganger mer massive enn solen. Forskere ser dem konstant hvis en fremmed stjerne kommer kritisk nær. Men de fleste sorte hull eksisterer isolert og kan rett og slett ikke sees. Men å dømme etter antall stjerner som er store nok til å være svarte hull-kandidater, må det være titalls millioner av milliarder av slike sorte hull i Melkeveien.

Det er også supermassive sorte hull, som er en million eller til og med en milliard ganger større enn vår sol. Det antas at slike monstre bor i sentrum av nesten alle store galakser(og i vår).

For de minste det skal være interessant å vite det i lang tid Forskere mente at det ikke var noen gjennomsnittlig størrelse for sorte hull. Men data fra Chandra, XMM-Newton og Hubble viser at de er der.

Kanskje dukker det opp supermassive sorte hull pga kjedereaksjon forårsaket av kollisjonen av stjerner i kompakte klynger. På grunn av dette samler det seg mange massive stjerner, som kollapser og produserer sorte hull. Disse klyngene okkuperer deretter det galaktiske sentrum, hvor de sorte hullene smelter sammen og blir et supermassivt medlem.

Du forstår kanskje allerede at du ikke vil kunne beundre det sorte hullet i høy kvalitet online fordi disse objektene ikke slipper lys. Men barn vil være interessert i å studere fotografier og diagrammer laget basert på kontakten mellom sorte hull og vanlig materie.

Romobjekter

Hva er sorte hull?

Barn, tror du at du noen gang kunne se effekten av et vakuum på rommet ditt? Når du gjør noe, følg nøye med fordi du kan se at skitt og smuler begynner å bevege seg mot støvsugeren. Et sort hull er som en støvsuger, men bare i verdensrommet. Det er imidlertid ikke det kraftige suget som får ting til å falle ned i det sorte hullet. Suget vil ikke være sterkt nok. I stedet bruker det sorte hullet tyngdekraften til å trekke inn alt rundt seg.

Hvordan dannes sorte hull? Forklaring til barn

Når store stjerner går tom for drivstoff, kan hun ikke lenger bære vekten. Trykk fra massive lag med hydrogen får stjernen til å krympe mindre og mindre. Til slutt vil stjernen bli mindre enn et atom. Tenk deg, barn, et øyeblikk at hele stjernen vil bli knust til et punkt som er mindre enn et atom.

Hvordan kan noe være mindre, men beholde samme mengde masse?

Faktisk er alt veldig enkelt. Ta en svamp på størrelse med flaske, du kan enkelt knuse den i hendene. Men her interessant poeng. Hvis du gjør noe mindre ved å klemme den, blir tyngdekraften sterkere. Tenk deg barn, hvis du komprimerer en stjerne til størrelsen på et atom, hvor kraftig vil tyngdekraften da bli?

Tyngdekraften til et sort hull er så kraftig at det absorberer alt, også lys som passerer for nærme. Det stemmer, ikke engang lys kan unnslippe et sort hull.

Strukturen til et sort hull. Astronomi for barn

Svarte hull består av tre hoveddeler. Det ytre laget av et svart hull kalles den ytre hendelseshorisonten. Inne i den ytre hendelseshorisonten kan du fortsatt unnslippe det sorte hullets tyngdekraft fordi tyngdekraften ikke er like sterk der. Det midterste laget av et sort hull kalles den indre hendelseshorisonten. Hvis du ikke slapp unna det sorte hullets tyngdekraft før du gikk inn i den indre begivenhetshorisonten, så gikk barna glipp av sjansen. Tyngdekraften i dette laget er mye sterkere og slipper ikke objektene den griper tak i. På dette tidspunktet begynner du å falle mot midten av det sorte hullet. Sentrum av et svart hull kalles singulariteten. Dette merkelige ordet betyr en knust stjerne. Singulariteten er stedet der det sorte hullets tyngdekraft er sterkest.

Hvordan kan du komme inn i et svart hull?

Tenk på jorden. Hvis du kommer for nær jorden, løper du inn i tyngdekraften. På jorden kan du fly ut i verdensrommet på en rakett igjen. Men hvis du faller ned i et svart hull, har dere barn ingen mulighet til å komme seg ut, siden tyngdekraften er veldig sterk.

På grunn av den relativt nylige veksten av interesse for å lage populærvitenskapelige filmer om temaet romutforskning, har moderne seere hørt mye om slike fenomener som singulariteten eller det sorte hullet. Imidlertid avslører filmer åpenbart ikke hele naturen til disse fenomenene, og noen ganger forvrenger de til og med det konstruerte vitenskapelige teorier for større effektivitet. Av denne grunn, representasjon av mange moderne mennesker O disse fenomenene enten helt overfladisk eller helt feil. En av løsningene på dette problemet er denne artikkelen, der vi vil prøve å forstå eksisterende resultater undersøk og svar på spørsmålet - hva er et sort hull?

I 1784 nevnte den engelske presten og naturforskeren John Michell første gang i et brev Royal Society et hypotetisk massivt legeme som har en så sterk gravitasjonsattraksjon at den andre kosmiske hastigheten for den vil overstige lysets hastighet. Rømningshastighet er hastigheten et relativt lite objekt trenger for å overvinne gravitasjonskraften. himmellegeme og gå utover den lukkede banen rundt denne kroppen. I følge hans beregninger vil et legeme med tettheten til solen og en radius på 500 solradier ha et sekund rømningshastighet lik hastighet Sveta. I dette tilfellet vil selv lys ikke forlate overflaten til en slik kropp, og derfor gitt kropp vil bare absorbere det innkommende lyset og vil forbli usynlig for observatøren - en slags svart flekk mot bakgrunnen av mørkt rom.

Michells konsept om en supermassiv kropp vakte imidlertid ikke mye interesse før arbeidet til Einstein. La oss huske at sistnevnte definerte lysets hastighet som maksimal hastighet for informasjonsoverføring. I tillegg utvidet Einstein teorien om tyngdekraften til hastigheter nær lysets hastighet (). Som et resultat var det ikke lenger aktuelt å anvende Newtonsk teori på svarte hull.

Einsteins ligning

Som et resultat av å bruke generell relativitet til sorte hull og løse Einsteins ligninger, ble hovedparametrene til et svart hull identifisert, hvorav det bare er tre: masse, elektrisk ladning og vinkelmomentum. Det bør bemerkes det betydelige bidraget fra den indiske astrofysikeren Subramanian Chandrasekhar, som skapte en grunnleggende monografi: " Matematisk teori svarte hull."

Dermed er løsningen på Einsteins ligninger representert av fire alternativer for fire mulige typer svarte hull:

BH uten rotasjon og uten ladning – Schwarzschild-løsning. En av de første beskrivelsene av et sort hull (1916) ved bruk av Einsteins ligninger, men uten å ta hensyn til to av kroppens tre parametere. Løsning tysk fysiker Karl Schwarzschild lar en beregne det ytre gravitasjonsfeltet til en sfærisk massiv kropp. Det særegne ved konseptet med svarte hull til den tyske forskeren er tilstedeværelsen av en hendelseshorisont og gjemmer seg bak den. Schwarzschild var også den første som beregnet gravitasjonsradiusen, som fikk navnet hans, som bestemmer radiusen til sfæren som hendelseshorisonten for et legeme med en gitt masse ville ligge på.
BH uten rotasjon med ladning – Reisner-Nordström løsning. En løsning som ble fremsatt i 1916-1918, som tok hensyn til den mulige elektriske ladningen til et sort hull. Denne ladningen kan ikke være vilkårlig stor og er begrenset på grunn av den resulterende elektriske frastøtningen. Sistnevnte må kompenseres av gravitasjonsattraksjon.
BH med rotasjon og uten ladning - Kerrs løsning (1963). Et roterende Kerr-svart hull skiller seg fra et statisk ved tilstedeværelsen av en såkalt ergosfære (les mer om dette og andre komponenter i et sort hull).
BH med rotasjon og ladning - Kerr-Newman løsning. Denne avgjørelsen ble beregnet i 1965 og kl dette øyeblikket er den mest komplette, siden den tar hensyn til alle tre parametrene til det sorte hullet. Imidlertid antas det fortsatt at sorte hull i naturen har en ubetydelig ladning.

Formasjon av sorte hull

Det er flere teorier om hvordan et svart hull dannes og vises, den mest kjente er at det oppstår som et resultat av gravitasjonssammenbruddet til en stjerne med tilstrekkelig masse. Slik kompresjon kan avslutte utviklingen av stjerner med en masse på mer enn tre solmasser. Etterbehandling termo kjernefysiske reaksjoner inne i slike stjerner begynner de raskt å komprimeres til supertette. Hvis gasstrykket til en nøytronstjerne ikke kan kompensere for gravitasjonskrefter, det vil si at massen til stjernen overvinner den såkalte. Oppenheimer-Volkoff-grensen, så fortsetter kollapsen, noe som resulterer i at materie blir komprimert til et svart hull.

Det andre scenariet som beskriver fødselen av et sort hull er komprimeringen av protogalctic gass, det vil si interstellar gass på transformasjonsstadiet til en galakse eller en slags klynge. Hvis det ikke er tilstrekkelig internt trykk til å kompensere for de samme gravitasjonskreftene, kan det oppstå et sort hull.

To andre scenarier forblir hypotetiske:

Forekomsten av et sort hull som følge av den såkalte primordiale sorte hull.
Forekomst som et resultat av kjernefysiske reaksjoner som oppstår under høye energier. Et eksempel på slike reaksjoner er eksperimenter med kollidere.

Struktur og fysikk av sorte hull

Strukturen til et svart hull ifølge Schwarzschild inkluderer bare to elementer som ble nevnt tidligere: singulariteten og hendelseshorisonten til det sorte hullet. Kort fortalt om singulariteten, kan det bemerkes at det er umulig å trekke en rett linje gjennom den, og også at innenfor den de fleste av de eksisterende fysiske teorier virker ikke. Dermed forblir singularitetens fysikk et mysterium for forskere i dag. svart hull er en viss grense som krysser som, fysisk objekt mister muligheten til å vende tilbake utover sine grenser og vil definitivt "falle" inn i det sorte hullets singularitet.

Strukturen til et sort hull blir noe mer komplisert i tilfellet med Kerr-løsningen, nemlig i nærvær av rotasjon av det sorte hullet. Kerrs løsning forutsetter at hullet har en ergosfære. Ergosfæren er et bestemt område som ligger utenfor hendelseshorisonten, der alle legemer beveger seg i rotasjonsretningen til det sorte hullet. Dette området er ennå ikke spennende og det er mulig å forlate det, i motsetning til hendelseshorisonten. Ergosfæren er sannsynligvis en slags analog av en akkresjonsskive, som representerer roterende materie rundt massive kropper. Hvis et statisk Schwarzschild sort hull er representert som en svart kule, så har Kerry sorte hullet, på grunn av tilstedeværelsen av en ergosfære, formen av en oblat ellipsoide, i form som vi ofte så svarte hull i tegninger, i gamle filmer eller videospill.

Hvor mye veier et sort hull? - Den største teoretisk materiale på fremveksten av et svart hull er tilgjengelig for scenariet for utseendet som et resultat av kollapsen av en stjerne. I dette tilfellet bestemmes den maksimale massen til en nøytronstjerne og minimumsmassen til et svart hull av grensen Oppenheimer - Volkoff, ifølge hvilken den nedre grensen for massen til et sort hull er 2,5 - 3 solmasser. Det tyngste sorte hullet som er oppdaget (i galaksen NGC 4889) har en masse på 21 milliarder solmasser. Vi bør imidlertid ikke glemme sorte hull som hypotetisk oppstår som følge av kjernefysiske reaksjoner ved høye energier, slik som ved kollidere. Massen til slike kvantesvarte hull, med andre ord "Planck sorte hull," er av størrelsesorden, nemlig 2·10−5 g.
Størrelsen på et svart hull. Minimumsradiusen til et sort hull kan beregnes fra minimumsmassen (2,5 – 3 solmasser). Hvis gravitasjonsradiusen til solen, det vil si området der hendelseshorisonten vil ligge, er omtrent 2,95 km, vil minimumsradiusen til et svart hull på 3 solmasser være omtrent ni kilometer. Slike relativt små størrelser er vanskelig å forstå når vi snakker om om massive gjenstander som tiltrekker seg alt rundt seg. For kvantesvarte hull er imidlertid radius 10 −35 m.
Den gjennomsnittlige tettheten til et sort hull avhenger av to parametere: masse og radius. Tettheten til et sort hull med en masse på omtrent tre solmasser er omtrent 6 10 26 kg/m³, mens tettheten til vann er 1000 kg/m³. Slike små sorte hull har imidlertid ikke blitt funnet av forskere. De fleste påviste sorte hull har en masse større enn 10 5 solmasser. Det er et interessant mønster der jo mer massivt det sorte hullet er, jo lavere er tettheten. I dette tilfellet innebærer en endring i masse med 11 størrelsesordener en endring i tetthet med 22 størrelsesordener. Dermed har et sort hull med en masse på 1 10 9 solmasser en tetthet på 18,5 kg/m³, som er per enhet mindre tetthet gull. Og sorte hull med en masse på mer enn 10 10 solmasser kan ha gjennomsnittlig tetthet mindre lufttetthet. Basert på disse beregningene er det logisk å anta at dannelsen av et sort hull ikke skjer på grunn av kompresjon av materie, men som et resultat av akkumulering av en stor mengde materie i et visst volum. Når det gjelder kvantesvarte hull, kan deres tetthet være omtrent 10 94 kg/m³.
Temperaturen til et sort hull avhenger også omvendt av massen. Denne temperaturen er direkte relatert til. Spekteret til denne strålingen faller sammen med spekteret til en absolutt svart kropp, det vil si en kropp som absorberer all innfallende stråling. Strålingsspekteret til en absolutt svart kropp avhenger bare av dens temperatur, da kan temperaturen til det sorte hullet bestemmes fra Hawking-strålingsspekteret. Som nevnt ovenfor er denne strålingen kraftigere jo mindre det sorte hullet er. Samtidig forblir Hawking-stråling hypotetisk, siden den ennå ikke er observert av astronomer. Det følger av dette at hvis Hawking-stråling eksisterer, så er temperaturen på de observerte sorte hullene så lav at den ikke lar denne strålingen oppdages. I følge beregninger er selv temperaturen på et hull med en masse i størrelsesorden Solens masse ubetydelig liten (1·10 -7 K eller -272 °C). Temperaturen til kvantesvarte hull kan nå rundt 10 12 K og med deres raske fordampning (ca. 1,5 minutter) kan slike sorte hull avgi energi i størrelsesorden ti millioner atombomber. Men heldigvis ville det kreve energi 10 14 ganger for å lage slike hypotetiske objekter mer enn det, som ble oppnådd i dag ved Large Hadron Collider. I tillegg har slike fenomener aldri blitt observert av astronomer.

Hva består et sort hull av?

Et annet spørsmål bekymrer både forskere og de som rett og slett er interessert i astrofysikk - hva består et sort hull av? Det er ikke noe klart svar på dette spørsmålet, siden det ikke er mulig å se forbi hendelseshorisonten som omgir noe sort hull. I tillegg, som nevnt tidligere, gir teoretiske modeller av et sort hull kun tre av dets komponenter: ergosfæren, hendelseshorisonten og singulariteten. Det er logisk å anta at i ergosfæren er det bare de gjenstandene som ble tiltrukket av det sorte hullet og som nå kretser rundt det - forskjellige typer kosmiske legemer og kosmisk gass. Hendelseshorisonten er bare en tynn implisitt grense, en gang forbi hvilken de samme kosmiske kroppene ugjenkallelig tiltrekkes mot den siste hovedkomponenten i det sorte hullet - singulariteten. Arten av singulariteten har ikke blitt studert i dag, og det er for tidlig å snakke om sammensetningen.

Ifølge noen antakelser kan et sort hull bestå av nøytroner. Hvis vi følger scenariet for forekomsten av et sort hull som et resultat av kompresjonen av en stjerne til en nøytronstjerne med dens påfølgende kompresjon, så består sannsynligvis hoveddelen av det sorte hullet av nøytroner, som selve det sorte hullet består av nøytronstjerne. Med enkle ord: Når en stjerne kollapser, komprimeres dens atomer på en slik måte at elektroner kombineres med protoner og derved danner nøytroner. En lignende reaksjon skjer faktisk i naturen, og med dannelsen av et nøytron oppstår nøytrinostråling. Dette er imidlertid bare antagelser.

Hva skjer hvis du faller ned i et svart hull?

Å falle ned i et astrofysisk sort hull får kroppen til å strekke seg. Tenk på en hypotetisk selvmordskosmonaut som går inn i et svart hull kun iført en romdrakt med føttene først. Når astronauten krysser hendelseshorisonten, vil ikke merke noen endringer, til tross for at han ikke lenger har mulighet til å komme tilbake. På et tidspunkt vil astronauten nå et punkt (litt bak hendelseshorisonten) hvor deformasjon av kroppen hans vil begynne å oppstå. Siden gravitasjonsfeltet til et sort hull er uensartet og representeres av en kraftgradient som øker mot midten, vil astronautens ben være utsatt for en merkbart større gravitasjonspåvirkning enn for eksempel hodet. Deretter, på grunn av tyngdekraften, eller rettere sagt tidevannskrefter, vil bena "falle" raskere. Dermed begynner kroppen å gradvis forlenges i lengden. For beskrivelse lignende fenomen astrofysikere har kommet opp med et ganske kreativt begrep - spaghettifisering. Ytterligere strekking av kroppen vil sannsynligvis dekomponere den til atomer, som før eller siden vil nå en singularitet. Man kan bare gjette hvordan en person vil føle seg i denne situasjonen. Det er verdt å merke seg at effekten av å strekke en kropp er omvendt proporsjonal med massen til det sorte hullet. Det vil si at hvis et svart hull med massen til tre soler øyeblikkelig strekker/river kroppen, vil det supermassive sorte hullet ha lavere tidevannskrefter, og det er antakelser om at noen fysiske materialer kunne "tolerere" slik deformasjon uten å miste strukturen.

Som du vet, flyter tiden langsommere i nærheten av massive gjenstander, noe som betyr at tiden for en selvmordsbomber-astronaut vil flyte mye langsommere enn for jordboere. I dette tilfellet vil han kanskje overleve ikke bare vennene sine, men også jorden selv. For å bestemme hvor mye tid som vil avta for en astronaut, vil det kreves beregninger, men fra det ovenstående kan det antas at astronauten vil falle ned i det sorte hullet veldig sakte og kanskje rett og slett ikke vil leve for å se øyeblikket da hans kroppen begynner å deformeres.

Det er bemerkelsesverdig at for en observatør fra utsiden, vil alle kropper som flyr opp til hendelseshorisonten forbli på kanten av denne horisonten til bildet deres forsvinner. Årsaken til dette fenomenet er gravitasjonsrødforskyvning. Litt forenklet kan vi si at lyset som faller på kroppen til en selvmordskosmonaut "frosset" ved hendelseshorisonten vil endre frekvensen på grunn av dens reduserte tid. Fordi tiden går saktere, vil frekvensen av lys avta og bølgelengden øke. Som et resultat av dette fenomenet, ved utgangen, det vil si for en ekstern observatør, vil lyset gradvis skifte mot lav frekvens - rødt. En lysforskyvning langs spekteret vil finne sted, ettersom selvmordskosmonauten beveger seg lenger og lenger bort fra observatøren, men nesten umerkelig, og tiden hans flyter mer og saktere. Dermed vil lyset som reflekteres av kroppen hans snart gå utover synlig spektrum(bildet vil forsvinne), og inn videre kropp astronauten kan bare oppdages i området infrarød stråling, senere - i radiofrekvens, og som et resultat vil strålingen være helt unnvikende.

Til tross for ovenstående antas det at i svært store supermassive sorte hull endrer ikke tidevannskreftene seg så mye med avstanden og virker nesten jevnt på den fallende kroppen. I dette tilfellet ville det fallende romfartøyet beholde sin struktur. Et rimelig spørsmål dukker opp: hvor fører det sorte hullet? Dette spørsmålet kan besvares av arbeidet til noen forskere, og knytter sammen to fenomener som f.eks ormehull og sorte hull.

Tilbake i 1935 la Albert Einstein og Nathan Rosen frem en hypotese om eksistensen av såkalte ormehull, som forbinder to punkter i rom-tid gjennom steder med betydelig krumning av sistnevnte - en Einstein-Rosen-bro eller ormehull. For en så kraftig krumning av rommet ville det være nødvendig med kropper med gigantisk masse, hvis rolle ville bli perfekt oppfylt av sorte hull.

Einstein-Rosen-broen - betraktet som et ufremkommelig ormehull, slik den har gjort små størrelser og er ustabil.

Et traverserbart ormehull er mulig innenfor rammen av teorien om svarte og hvite hull. Hvor hvitt hull er produksjonen av informasjon fanget i et svart hull. Det hvite hullet er beskrevet innenfor rammen av generell relativitetsteori, men forblir i dag hypotetisk og har ikke blitt oppdaget. En annen modell av et ormehull ble foreslått av amerikanske vitenskapsmenn Kip Thorne og hans doktorgradsstudent Mike Morris, som kan være farbar. Men både når det gjelder Morris-Thorne-ormehullet og når det gjelder svarte og hvite hull, krever muligheten for å reise eksistensen av såkalt eksotisk materie, som har negativ energi og som også forblir hypotetisk.

Svarte hull i universet

Eksistensen av sorte hull ble bekreftet relativt nylig (september 2015), men før den tid var det allerede mye teoretisk materiale om sorte hulls natur, samt mange kandidatobjekter for rollen som et sort hull. Først av alt bør du ta hensyn til størrelsen på det sorte hullet, siden fenomenets natur avhenger av dem:

Stellar masse sort hull. Slike objekter dannes som et resultat av kollapsen av en stjerne. Som nevnt tidligere er minimumsmassen til et legeme som er i stand til å danne et slikt sort hull 2,5 - 3 solmasser.
Svarte hull gjennomsnittsvekt . Betinget mellomtype sorte hull som har vokst i størrelse ved å konsumere objekter i nærheten, for eksempel en klynge gass, en nærliggende stjerne (i to-stjernesystemer) og andre kosmiske kropper.
Supermassivt svart hull. Kompakte objekter med 10 5 -10 10 solmasser. Særpregede egenskaper Slike BH-er er preget av en paradoksalt lav tetthet, samt svake tidevannskrefter, som ble nevnt tidligere. Dette er akkurat det supermassive sorte hullet i sentrum av Melkeveien vår (Skytten A*, Sgr A*), så vel som de fleste andre galakser.

Kandidater til ChD

Det nærmeste sorte hullet, eller snarere en kandidat til rollen som et sort hull, er et objekt (V616 Monoceros), som befinner seg i en avstand på 3000 lysår fra Solen (i vår galakse). Den består av to komponenter: en stjerne med en masse på halvparten av solens masse, samt en usynlig liten kropp hvis masse er 3–5 solmasser. Hvis dette objektet viser seg å være et lite svart hull med stjernemasse, vil det med rette bli det nærmeste sorte hullet.

Etter dette objektet er det nest nærmeste sorte hullet objektet Cygnus X-1 (Cyg X-1), som var den første kandidaten til rollen som et sort hull. Avstanden til den er omtrent 6070 lysår. Ganske godt studert: den har en masse på 14,8 solmasser og en hendelseshorisontradius på omtrent 26 km.

Ifølge noen kilder kan en annen nærmeste kandidat for rollen som et sort hull være en kropp i stjernesystem V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), som i 1999 ble anslått til å ligge i en avstand på 1600 lysår. Imidlertid har påfølgende studier økt denne avstanden med minst 15 ganger.

Hvor mange sorte hull er det i galaksen vår?

Det er ikke noe eksakt svar på dette spørsmålet, siden det er ganske vanskelig å observere dem, og i løpet av hele perioden med å studere himmelen, har forskere vært i stand til å oppdage omtrent et dusin sorte hull i Melkeveien. Uten å hengi oss til beregninger, legger vi merke til at det er omtrent 100–400 milliarder stjerner i galaksen vår, og omtrent hver tusende stjerne har nok masse til å danne et svart hull. Det er sannsynlig at millioner av sorte hull kan ha blitt dannet under Melkeveiens eksistens. Siden det er lettere å oppdage sorte hull av enorm størrelse, er det logisk å anta at mest sannsynlig flertallet av sorte hull i vår galakse ikke er supermassive. Det er bemerkelsesverdig at NASA-forskning i 2005 antyder tilstedeværelsen av en hel sverm av sorte hull (10-20 tusen) som kretser rundt sentrum av galaksen. I tillegg oppdaget japanske astrofysikere i 2016 en massiv satellitt nær objektet * - et svart hull, kjernen i Melkeveien. På grunn av den lille radiusen (0,15 lysår) til denne kroppen, samt dens enorme masse (100 000 solmasser), antar forskerne at dette objektet også er et supermassivt sort hull.

Kjernen i galaksen vår, det sorte hullet i Melkeveien (Skytten A*, Sgr A* eller Skytten A*) er supermassiv og har en masse på 4,31 10 6 solmasser, og en radius på 0,00071 lysår (6,25 lystimer). eller 6,75 milliarder km). Temperaturen til Skytten A*, sammen med klyngen rundt den, er omtrent 1·10 7 K.

Det største sorte hullet

Det største sorte hullet i universet som forskere har oppdaget er et supermassivt sort hull, FSRQ blazar, i sentrum av galaksen S5 0014+81, i en avstand på 1,2 10 10 lysår fra Jorden. Av foreløpige resultater observasjon ved hjelp av romobservatoriet Swift, massen til det sorte hullet var 40 milliarder (40 10 9) solmasser, og Schwarzschild-radiusen til et slikt hull var 118,35 milliarder kilometer (0,013 lysår). I tillegg, ifølge beregninger, oppsto den for 12,1 milliarder år siden (1,6 milliarder år etter det store smellet). Hvis dette gigantiske sorte hullet ikke absorberer stoffet som omgir det, vil det leve til epoken med svarte hull - en av epokene for utviklingen av universet, hvor sorte hull vil dominere i det. Hvis kjernen til galaksen S5 0014+81 fortsetter å vokse, vil den bli et av de siste sorte hullene som vil eksistere i universet.

De to andre kjente sorte hullene, selv om de ikke har ordentlige navn, har høyeste verdi for studiet av sorte hull, siden de bekreftet deres eksistens eksperimentelt, og også ga viktige resultaterå studere tyngdekraften. Vi snakker om hendelsen GW150914, som er kollisjonen mellom to sorte hull i ett. Denne hendelsen lov til å registrere seg.

Påvisning av sorte hull

Før vi vurderer metoder for å oppdage sorte hull, bør vi svare på spørsmålet - hvorfor er et sort hull svart? – svaret på dette krever ikke dyp kunnskap om astrofysikk og kosmologi. Faktum er at et svart hull absorberer all strålingen som faller på det og ikke sender ut i det hele tatt, hvis du ikke tar hensyn til den hypotetiske. Hvis vi vurderer dette fenomenet mer detaljert, kan vi anta at prosesser som fører til frigjøring av energi i form av elektromagnetisk stråling ikke skjer inne i sorte hull. Så, hvis et svart hull sender ut, gjør det det i Hawking-spekteret (som sammenfaller med spekteret til en oppvarmet, absolutt svart kropp). Men som nevnt tidligere ble ikke denne strålingen oppdaget, noe som tyder på at temperaturen i sorte hull er helt lav.

En annen allment akseptert teori sier det elektromagnetisk stråling og er slett ikke i stand til å forlate hendelseshorisonten. Det er mest sannsynlig at fotoner (lyspartikler) ikke tiltrekkes av massive objekter, siden de ifølge teorien selv ikke har noen masse. Imidlertid "tiltrekker" det sorte hullet fortsatt fotoner av lys gjennom forvrengningen av rom-tid. Hvis vi forestiller oss et sort hull i rommet som en slags fordypning på den glatte overflaten av rom-tid, så er det en viss avstand fra sentrum av det sorte hullet, som nærmer seg hvilket lys ikke lenger vil kunne bevege seg bort fra det. Det vil si, grovt sett, lyset begynner å "falle" ned i et "hull" som ikke engang har en "bunn".

I tillegg, hvis vi tar i betraktning effekten av gravitasjonsrødforskyvning, er det mulig at lys i et sort hull mister sin frekvens, og skifter langs spekteret inn i området med lavfrekvent langbølget stråling til det mister energi helt.

Så et svart hull er svart i fargen og derfor vanskelig å oppdage i verdensrommet.

Deteksjonsmetoder

La oss se på metodene som astronomer bruker for å oppdage et svart hull:

I tillegg til metodene nevnt ovenfor, forbinder forskere ofte objekter som sorte hull og. Kvasarer er visse klynger av kosmiske kropper og gass, som er blant de lyseste astronomiske objektene i universet. Siden de har høy luminescensintensitet ved relativt små størrelser, er det grunn til å anta at sentrum av disse objektene er et supermassivt sort hull, som tiltrekker seg omkringliggende materie. På grunn av en så kraftig gravitasjonsattraksjon den tiltrukket materien er så varm at den stråler intenst. Oppdagelsen av slike gjenstander sammenlignes vanligvis med oppdagelsen av et sort hull. Noen ganger kan kvasarer sende ut stråler av oppvarmet plasma i to retninger - relativistiske stråler. Årsakene til utseendet til slike jetfly er ikke helt klare, men de er sannsynligvis forårsaket av samspillet mellom magnetfeltene til det sorte hullet og akkresjonsskiven, og sendes ikke ut av det direkte sorte hullet.

Jet i M87-galaksen skyter fra midten av det sorte hullet

For å oppsummere det ovennevnte, kan man forestille seg, på nært hold: dette er en sfærisk svart gjenstand som svært oppvarmet materie roterer rundt og danner en lysende akkresjonsskive.

Sammenslåinger og kollisjoner av sorte hull

En av mest interessante fenomener i astrofysikk er kollisjonen av sorte hull, som også gjør det mulig å oppdage slike massive astronomiske kropper. Slike prosesser er av interesse ikke bare for astrofysikere, siden de resulterer i fenomener som er dårlig studert av fysikere. Det klareste eksempelet er den tidligere nevnte hendelsen kalt GW150914, da to sorte hull kom så nært at de, som et resultat av deres gjensidige gravitasjonsattraksjon, smeltet sammen til ett. En viktig konsekvens av denne kollisjonen var fremveksten av gravitasjonsbølger.

I følge definisjonen av gravitasjonsbølger er dette endringer gravitasjonsfelt, som forplanter seg på en bølgelignende måte fra massive objekter i bevegelse. Når to slike gjenstander kommer i nærheten, begynner de å rotere rundt generelt senter gravitasjon. Når de kommer nærmere, snurrer de rundt egen akseøker. Slike vekslende svingninger av gravitasjonsfeltet på et tidspunkt kan danne en kraftig gravitasjonsbølge, som kan spre seg over verdensrommet i millioner av lysår. Så i en avstand på 1,3 milliarder lysår kolliderte to sorte hull og skapte en kraftig gravitasjonsbølge som nådde jorden 14. september 2015 og ble registrert LIGO detektorer og JOMMUEN.

Hvordan dør sorte hull?

Åpenbart, for at et sort hull skal slutte å eksistere, må det miste all sin masse. Men i henhold til definisjonen kan ingenting forlate det sorte hullet hvis det har krysset hendelseshorisonten. Det er kjent at muligheten for utslipp av partikler fra et svart hull først ble nevnt av den sovjetiske teoretiske fysikeren Vladimir Gribov, i hans diskusjon med en annen sovjetisk vitenskapsmann Yakov Zeldovich. Han hevdet det fra synspunktet kvantemekanikk et sort hull er i stand til å sende ut partikler gjennom tunneleffekt. Senere, ved hjelp av kvantemekanikk, bygde den engelske teoretiske fysikeren Stephen Hawking sin egen, litt annerledes teori. Les mer om dette fenomenet Du kan lese. Kort sagt, i et vakuum er det såkalte virtuelle partikler, som stadig fødes i par og tilintetgjør hverandre, uten å samhandle med omverdenen. Men hvis slike par dukker opp i hendelseshorisonten til et svart hull, da sterk gravitasjon hypotetisk i stand til å skille dem, med en partikkel som faller inn i det sorte hullet, og den andre på vei bort fra det sorte hullet. Og siden en partikkel som flyr bort fra et hull kan observeres, og derfor har positiv energi, må en partikkel som faller ned i et hull ha negative energier. Dermed vil det sorte hullet miste sin energi og det vil oppstå en effekt, som kalles fordampning av svart hull.

I følge eksisterende modeller av et svart hull, som nevnt tidligere, blir strålingen mer intens ettersom massen minker. Så, på det siste stadiet av det sorte hullets eksistens, når det kan krympe til størrelsen av et kvantesvart hull, vil det frigjøre en enorm mengde energi i form av stråling, som kan tilsvare tusenvis eller til og med millioner av atomer. bomber. Denne hendelsen minner litt om eksplosjonen av et svart hull, som den samme bomben. I følge beregninger kunne primordiale sorte hull ha blitt født som følge av Big Bang, og de av dem med en masse på rundt 10 12 kg ville ha fordampet og eksplodert rundt vår tid. Uansett, slike eksplosjoner har aldri blitt lagt merke til av astronomer.

Til tross for Hawkings foreslåtte mekanisme for å ødelegge sorte hull, forårsaker egenskapene til Hawkings stråling et paradoks innenfor rammen av kvantemekanikk. Hvis et sort hull absorberer en viss kropp, og deretter mister massen som følge av absorpsjonen av denne kroppen, vil det sorte hullet, uavhengig av kroppens natur, ikke skille seg fra det det var før det absorberte kroppen. I dette tilfellet går informasjon om kroppen for alltid tapt. Fra synspunktet til teoretiske beregninger samsvarer ikke transformasjonen av den opprinnelige rene tilstanden til den resulterende blandede ("termiske") tilstanden med den nåværende teorien om kvantemekanikk. Dette paradokset kalles noen ganger forsvinningen av informasjon i svart hull. En definitiv løsning på dette paradokset har aldri blitt funnet. Kjente løsninger på paradokset:

Ugyldigheten av Hawkings teori. Dette innebærer umuligheten av å ødelegge et sort hull og dets konstante vekst.
Tilstedeværelse av hvite hull. I dette tilfellet forsvinner ikke den absorberte informasjonen, men blir ganske enkelt kastet ut i et annet univers.
Inkonsekvensen av den allment aksepterte teorien om kvantemekanikk.

Uløst problem med svart hulls fysikk

Å dømme etter alt som ble beskrevet tidligere, har svarte hull, selv om de har blitt studert i relativt lang tid, fortsatt mange funksjoner, hvis mekanismer fortsatt er ukjente for forskere.

I 1970 formulerte en engelsk vitenskapsmann den såkalte. "prinsippet om kosmisk sensur" - "Naturen avskyr naken singularitet." Dette betyr at singulariteter bare dannes på skjulte steder, som i midten av et svart hull. Imidlertid for å bevise dette prinsippet Så langt har det ikke vært mulig. Det er også teoretiske beregninger som gjør at en "naken" singularitet kan oppstå.
"No hair-teoremet", ifølge at sorte hull bare har tre parametere, er heller ikke bevist.
Ikke utviklet komplett teori magnetosfæren til et sort hull.
Naturen og fysikken til gravitasjonssingulariteten har ikke blitt studert.
Det er ikke sikkert kjent hva som skjer i det siste stadiet av eksistensen av et sort hull, og hva som gjenstår etter dets kvanteforfall.

Interessante fakta om sorte hull

Ved å oppsummere det ovenstående kan vi fremheve flere interessante og uvanlige trekk ved naturen til sorte hull:

BH-er har bare tre parametere: masse, elektrisk ladning og vinkelmoment. Som et resultat av et så lite antall kjennetegn ved denne kroppen, kalles teoremet som sier dette "no-hair-teoremet". Det er også her frasen "et sort hull har ikke hår" kom fra, som betyr at to sorte hull er helt identiske, deres tre nevnte parametere er de samme.
Tettheten til det sorte hullet kan være mindre enn luftens tetthet, og temperaturen er nær absolutt null. Fra dette kan vi anta at dannelsen av et sort hull ikke skjer på grunn av kompresjon av materie, men som et resultat av akkumulering av en stor mengde materie i et visst volum.
Tiden går mye langsommere for kropper absorbert av et sort hull enn for en ekstern observatør. I tillegg strekker de absorberte kroppene seg betydelig inne i det sorte hullet, som forskerne kaller spaghettifisering.
Det kan være rundt en million sorte hull i galaksen vår.
Det er sannsynligvis et supermassivt sort hull i sentrum av hver galakse.
I fremtiden, ifølge teoretisk modell, Universet vil nå den såkalte epoken med sorte hull, når BH-er vil bli de dominerende kroppene i universet.

Du har sikkert sett science fiction-filmer der helter, som reiser i verdensrommet, befinner seg i et annet univers? Oftest blir mystiske kosmiske sorte hull døren til en annen verden. Det viser seg at det er en viss sannhet i disse historiene. Forskere sier det.

Når selve sentrum av en stjerne - kjernen - går tom for drivstoff, blir alle partiklene veldig tunge. Og så kollapser hele planeten inn i sentrum. Dette forårsaker en kraftig sjokkbølge, som river det ytre, fortsatt brennende, skallet på stjernen og det eksploderer i et blendende glimt. En teskje av en liten utdødd stjerne veier flere milliarder tonn. En slik stjerne kalles nøytron. Og hvis en stjerne er tjue til tretti ganger større enn vår sol, fører dens ødeleggelse til dannelsen av merkelig fenomen i universet - svart hull.

Tyngdekraften i et svart hull er så sterk at den fanger planeter, gasser og til og med lys. Svarte hull er usynlige, de kan bare bli funnet av en enorm trakt av kosmiske kropper som flyr inn i den. Bare rundt noen hull dannes det en lys glød. Tross alt er rotasjonshastigheten veldig høy, partikler av himmellegemer varmes opp til millioner av grader og lyser sterkt

Kosmisk sort hull tiltrekker seg alle gjenstander og vrir dem i en spiral. Når gjenstander nærmer seg det sorte hullet, begynner de å akselerere og strekke seg ut, som gigantisk spaghetti. Tiltrekningskraften øker gradvis og blir på et tidspunkt så monstrøs at ingenting kan overvinne den. Denne grensen kalles hendelseshorisonten. Enhver hendelse som skjer bak den vil forbli usynlig for alltid.

Forskere antyder at sorte hull kan skape tunneler i verdensrommet - "ormehull". Hvis du faller inn i det, vil du kunne passere gjennom verdensrommet og finne deg selv i et annet univers, hvor det motsatte hvite hullet eksisterer. Kanskje en dag vil denne hemmeligheten bli avslørt på kraftig romskip mennesker vil reise til andre dimensjoner.

Mystiske og unnvikende sorte hull. Fysikkens lover bekrefter muligheten for deres eksistens i universet, men mange spørsmål gjenstår fortsatt. Tallrike observasjoner viser at det finnes hull i universet, og det er mer enn en million av disse objektene.

Hva er sorte hull?

Tilbake i 1915, da man løste Einsteins ligninger, ble et slikt fenomen som "svarte hull" forutsagt. derimot vitenskapelig fellesskap Jeg ble interessert i dem først i 1967. De ble da kalt "kollapserte stjerner", "frosne stjerner".

I dag er et sort hull et område av tid og rom som har en slik tyngdekraft at selv en lysstråle ikke kan unnslippe den.

Hvordan dannes sorte hull?

Det er flere teorier for utseendet til sorte hull, som er delt inn i hypotetiske og realistiske. Den enkleste og mest utbredte realistiske er teorien om gravitasjonskollaps av store stjerner.

Når nok er nok massiv stjerne før "døden" vokser den i størrelse og blir ustabil og forbruker sitt siste drivstoff. Samtidig forblir massen til stjernen uendret, men størrelsen avtar etter hvert som den såkalte fortettingen skjer. Med andre ord, når den komprimeres, "faller" den tunge kjernen inn i seg selv. Parallelt med dette fører komprimering til en kraftig økning i temperaturen inne i stjernen og de ytre lagene av himmellegemet rives av, hvorfra det dannes nye stjerner. Samtidig, i midten av stjernen, faller kjernen inn i sitt eget "senter". Som et resultat av gravitasjonskreftenes påvirkning kollapser sentrum til et punkt – det vil si at gravitasjonskreftene er så sterke at de absorberer den komprimerte kjernen. Slik blir et sort hull født, som begynner å forvrenge rom og tid slik at selv lys ikke kan unnslippe det.

I sentrum av alle galakser er et supermassivt svart hull. I følge Einsteins relativitetsteori:

"Enhver masse forvrenger rom og tid."

Tenk deg nå hvor mye et sort hull forvrenger tid og rom, fordi massen er enorm og samtidig presset inn i et ultra lite volum. Denne evnen forårsaker følgende raritet:

"Sorte hull har muligheten til å praktisk talt stoppe tid og komprimere plass. På grunn av denne ekstreme forvrengningen blir hullene usynlige for oss.»

Hvis sorte hull ikke er synlige, hvordan vet vi at de eksisterer?

Ja, selv om et sort hull er usynlig, bør det være merkbart på grunn av materien som faller ned i det. I tillegg til stjernegass, som tiltrekkes av et sort hull når man nærmer seg hendelseshorisonten, begynner temperaturen på gassen å stige til ultrahøye verdier, noe som fører til en glød. Dette er grunnen til at svarte hull lyser. Takket være denne, om enn svak, gløden, forklarer astronomer og astrofysikere tilstedeværelsen i sentrum av galaksen til et objekt med et lite volum, men en enorm masse. For tiden, som et resultat av observasjoner, er det oppdaget rundt 1000 gjenstander som ligner i oppførsel som sorte hull.

Sorte hull og galakser

Hvordan kan sorte hull påvirke galakser? Dette spørsmålet plager forskere over hele verden. Det er en hypotese om at det er de sorte hullene i sentrum av galaksen som påvirker dens form og utvikling. Og at når to galakser kolliderer, smelter sorte hull sammen og under denne prosessen frigjøres en så enorm mengde energi og materie at det dannes nye stjerner.

Typer sorte hull

I følge eksisterende teori, det er tre typer sorte hull: stjerners, supermassive, miniatyr. Og hver av dem ble dannet på en spesiell måte.
– Svarte hull av stjernemasser, det vokser til enorme størrelser og kollapser.
- Supermassive sorte hull som kan ha en masse tilsvarende millioner av soler, med høy sannsynlighet eksisterer i sentrum av nesten alle galakser, inkludert vår Melkeveien. Forskere har fortsatt forskjellige hypoteser for dannelsen av supermassive sorte hull. Så langt er bare én ting kjent - supermassive sorte hull er et biprodukt av dannelsen av galakser. Supermassive sorte hull - de er forskjellige fra vanlige emner som har veldig stor størrelse, men paradoksalt nok lav tetthet.
– Ingen har ennå klart å oppdage et svart miniatyrhull som ville ha en masse mindre enn Solen. Det er mulig at miniatyrhull kan ha dannet seg kort tid etter Big Bang, som er initialen eksakt eksistens vårt univers (ca. 13,7 milliarder år siden).
- Ganske nylig ble et nytt konsept introdusert som "hvite sorte hull". Dette er fortsatt et hypotetisk sort hull, som er det motsatte av et sort hull. Stephen Hawking studerte aktivt muligheten for eksistensen av hvite hull.
- Kvantesvarte hull - de eksisterer bare i teorien så langt. Kvantesvarte hull kan dannes når ultrasmå partikler kolliderer som følge av en kjernefysisk reaksjon.
– Primære sorte hull er også en teori. De ble dannet umiddelbart etter opprinnelsen.

Foreløpig eksisterer et stort nummer av åpne spørsmål, som ennå ikke har blitt besvart av fremtidige generasjoner. Kan for eksempel såkalte «ormehull» virkelig eksistere, ved hjelp av disse kan man reise gjennom rom og tid. Hva skjer egentlig inne i et sort hull og hvilke lover disse fenomenene adlyder. Og hva med forsvinningen av informasjon i et sort hull?