Czarne dziury to jedno z najdziwniejszych zjawisk we Wszechświecie. W każdym razie na tym etapie rozwoju człowieka. Jest to obiekt o nieskończonej masie i gęstości, a co za tym idzie przyciąganiu, poza który nawet światło nie może uciec – dlatego dziura jest czarna. Supermasywna czarna dziura może wessać całą galaktykę bez zadławienia, a poza horyzontem zdarzeń normalna fizyka zaczyna piszczeć i skręcać się w węzeł. Z drugiej strony czarne dziury mogą stać się potencjalnymi „dziurami” przejściowymi z jednego węzła przestrzeni do drugiego. Pytanie brzmi, jak blisko możemy zbliżyć się do czarnej dziury i czy będą to konsekwencje?
Supermasywna czarna dziura Sagittarius A*, znajdująca się w centrum naszej galaktyki, nie tylko zasysa pobliskie obiekty, ale także emituje potężną emisję radiową. Naukowcy od dawna próbowali dostrzec te promienie, ale utrudniało je rozproszone światło otaczające dziurę. Wreszcie udało im się przebić przez szum świetlny za pomocą 13 teleskopów, które połączono w jeden potężny system. Następnie odkryli interesujące informacje na temat wcześniej tajemniczych promieni.
Kilka dni temu, 14 marca, odszedł z tego świata jeden z najwybitniejszych fizyków naszych czasów,
Bezgraniczny Wszechświat jest pełen tajemnic, zagadek i paradoksów. Pomimo faktu, że współczesna nauka dokonała ogromnego postępu w eksploracji kosmosu, wiele w tym rozległym świecie pozostaje niezrozumiałych dla ludzkiego światopoglądu. Wiemy dużo o gwiazdach, mgławicach, gromadach i planetach. Jednak w bezmiarze Wszechświata istnieją obiekty, o których istnieniu możemy się jedynie domyślać. Na przykład niewiele wiemy o czarnych dziurach. Podstawowe informacje i wiedza o naturze czarnych dziur opierają się na założeniach i domysłach. Astrofizycy i naukowcy zajmujący się energią jądrową zmagają się z tym problemem od dziesięcioleci. Co to jest czarna dziura w kosmosie? Jaka jest natura takich obiektów?
Mówiąc o czarnych dziurach w prostych słowach
Aby wyobrazić sobie, jak wygląda czarna dziura, wystarczy zobaczyć ogon pociągu wjeżdżającego do tunelu. Światła sygnalizacyjne ostatniego wagonu będą się zmniejszać w miarę wjeżdżania pociągu w tunel, aż całkowicie znikną z pola widzenia. Innymi słowy, są to obiekty, w których pod wpływem monstrualnej grawitacji znika nawet światło. Cząstki elementarne, elektrony, protony i fotony nie są w stanie pokonać niewidzialnej bariery i wpaść w czarną otchłań nicości, dlatego taką dziurę w przestrzeni nazywa się czarną. Nie ma w nim najmniejszego pola światła, kompletna czerń i nieskończoność. Nie wiadomo, co znajduje się po drugiej stronie czarnej dziury.
Ten kosmiczny odkurzacz ma kolosalną siłę grawitacji i jest w stanie wchłonąć całą galaktykę ze wszystkimi gromadami i supergromadami gwiazd, w tym mgławicami i ciemną materią. Jak to jest możliwe? Możemy się tylko domyślać. Znane nam prawa fizyki w tym przypadku pękają w szwach i nie dają wyjaśnienia zachodzących procesów. Istota paradoksu polega na tym, że w danej części Wszechświata o oddziaływaniu grawitacyjnym ciał decyduje ich masa. Na proces wchłaniania jednego przedmiotu przez drugi nie ma wpływu ich skład jakościowy i ilościowy. Cząstki, osiągając liczbę krytyczną w określonym obszarze, wchodzą w kolejny poziom interakcji, gdzie siły grawitacyjne stają się siłami przyciągania. Ciało, przedmiot, substancja lub materia zaczyna się ściskać pod wpływem grawitacji, osiągając kolosalną gęstość.
W przybliżeniu podobne procesy zachodzą podczas powstawania gwiazdy neutronowej, gdzie materia gwiazdowa ulega kompresji pod wpływem wewnętrznej grawitacji. Swobodne elektrony łączą się z protonami, tworząc elektrycznie obojętne cząstki – neutrony. Gęstość tej substancji jest ogromna. Cząsteczka materii wielkości kawałka rafinowanego cukru waży miliardy ton. W tym miejscu wypadałoby przypomnieć ogólną teorię względności, gdzie przestrzeń i czas są wielkościami ciągłymi. W związku z tym procesu kompresji nie można zatrzymać w połowie i dlatego nie ma on ograniczeń.
Potencjalnie czarna dziura wygląda jak dziura, w której może nastąpić przejście z jednej części przestrzeni do drugiej. Jednocześnie zmieniają się same właściwości przestrzeni i czasu, skręcając się w lejek czasoprzestrzenny. Docierając do dna tego lejka, każda materia rozpada się na kwanty. Co znajduje się po drugiej stronie czarnej dziury, tej gigantycznej dziury? Być może istnieje inna przestrzeń, w której obowiązują inne prawa, a czas płynie w przeciwnym kierunku.
W kontekście teorii względności teoria czarnej dziury wygląda tak. Punkt w przestrzeni, w którym siły grawitacyjne skompresowały jakąkolwiek materię do mikroskopijnych rozmiarów, ma kolosalną siłę przyciągania, której wielkość wzrasta do nieskończoności. Pojawia się fałda czasu, a przestrzeń zagina się, zamykając w jednym punkcie. Obiekty pochłonięte przez czarną dziurę nie są w stanie samodzielnie wytrzymać siły ciągnącej tego monstrualnego odkurzacza. Nawet prędkość światła, jaką posiadają kwanty, nie pozwala cząstkom elementarnym pokonać siły grawitacji. Każde ciało, które dotrze do takiego punktu, przestaje być obiektem materialnym, łącząc się z bańką czasoprzestrzenną.
Czarne dziury z naukowego punktu widzenia
Jeśli zadajesz sobie pytanie, jak powstają czarne dziury? Nie będzie jasnej odpowiedzi. We Wszechświecie istnieje sporo paradoksów i sprzeczności, których nie da się wytłumaczyć z naukowego punktu widzenia. Teoria względności Einsteina pozwala jedynie na teoretyczne wyjaśnienie natury takich obiektów, ale mechanika i fizyka kwantowa milczą w tym przypadku.
Próbując wyjaśnić procesy zachodzące za pomocą praw fizyki, obraz będzie wyglądał następująco. Obiekt powstały w wyniku kolosalnej kompresji grawitacyjnej masywnego lub supermasywnego ciała kosmicznego. Proces ten ma naukową nazwę - zapadnięcie się grawitacyjne. Termin „czarna dziura” po raz pierwszy usłyszano w środowisku naukowym w 1968 r., kiedy amerykański astronom i fizyk John Wheeler próbował wyjaśnić stan zapadania się gwiazd. Według jego teorii w miejscu masywnej gwiazdy, która uległa zapadnięciu grawitacyjnemu, pojawia się szczelina przestrzenno-czasowa, w której działa stale rosnąca kompresja. Wszystko, z czego zbudowana jest gwiazda, przechodzi w nią samą.
To wyjaśnienie pozwala stwierdzić, że natura czarnych dziur nie jest w żaden sposób powiązana z procesami zachodzącymi we Wszechświecie. Wszystko, co dzieje się wewnątrz tego obiektu, nie przekłada się w żaden sposób na otaczającą przestrzeń jednym „ALE”. Siła grawitacji czarnej dziury jest tak duża, że zagina przestrzeń, powodując rotację galaktyk wokół czarnych dziur. W związku z tym staje się jasny powód, dla którego galaktyki przyjmują kształt spirali. Nie wiadomo, ile czasu zajmie ogromnej galaktyce Drogi Mlecznej zniknięcie w otchłani supermasywnej czarnej dziury. Ciekawostką jest to, że czarne dziury mogą pojawić się w dowolnym miejscu przestrzeni kosmicznej, gdzie stworzone są do tego idealne warunki. Takie zagięcie czasu i przestrzeni neutralizuje ogromne prędkości, z jakimi gwiazdy rotują i poruszają się w przestrzeni galaktyki. Czas w czarnej dziurze płynie w innym wymiarze. W tym regionie żadne prawa grawitacji nie mogą być interpretowane w kategoriach fizyki. Stan ten nazywany jest osobliwością czarnej dziury.
Czarne dziury nie wykazują żadnych zewnętrznych znaków identyfikacyjnych; ich istnienie można ocenić na podstawie zachowania innych obiektów kosmicznych, na które wpływają pola grawitacyjne. Cały obraz walki na śmierć i życie rozgrywa się na granicy czarnej dziury, która jest pokryta membraną. Ta wyimaginowana powierzchnia lejka nazywana jest „horyzontem zdarzeń”. Wszystko, co widzimy aż do tej granicy, jest namacalne i materialne.
Scenariusze powstawania czarnych dziur
Rozwijając teorię Johna Wheelera, możemy stwierdzić, że tajemnica czarnych dziur najprawdopodobniej nie jest w procesie jej powstawania. Powstawanie czarnej dziury następuje w wyniku zapadnięcia się gwiazdy neutronowej. Co więcej, masa takiego obiektu powinna trzykrotnie lub więcej przewyższać masę Słońca. Gwiazda neutronowa kurczy się, aż jej własne światło nie jest już w stanie uciec spod ciasnego uścisku grawitacji. Istnieje granica rozmiaru, do jakiego gwiazda może się skurczyć, tworząc czarną dziurę. Promień ten nazywany jest promieniem grawitacyjnym. Masywne gwiazdy w końcowej fazie rozwoju powinny mieć promień grawitacyjny wynoszący kilka kilometrów.
Dziś naukowcy uzyskali pośrednie dowody na obecność czarnych dziur w kilkunastu rentgenowskich gwiazdach podwójnych. Gwiazdy rentgenowskie, pulsary i wybuchy nie mają stałej powierzchni. Ponadto ich masa jest większa niż masa trzech Słońc. Obecny stan przestrzeni kosmicznej w konstelacji Łabędzia – gwiazdy rentgenowskiej Łabędź X-1, pozwala nam prześledzić proces powstawania tych ciekawych obiektów.
Na podstawie badań i założeń teoretycznych dzisiaj w nauce istnieją cztery scenariusze powstawania czarnych gwiazd:
- zapadnięcie się grawitacyjne masywnej gwiazdy na końcowym etapie jej ewolucji;
- upadek centralnego obszaru galaktyki;
- powstawanie czarnych dziur podczas Wielkiego Wybuchu;
- powstawanie kwantowych czarnych dziur.
Pierwszy scenariusz jest najbardziej realistyczny, jednak liczba znanych nam dzisiaj czarnych gwiazd przewyższa liczbę znanych gwiazd neutronowych. A wiek Wszechświata nie jest na tyle duży, aby taka liczba masywnych gwiazd mogła przejść pełny proces ewolucji.
Drugi scenariusz ma prawo do życia i istnieje tego uderzający przykład – supermasywna czarna dziura Sagittarius A*, umiejscowiona w centrum naszej galaktyki. Masa tego obiektu wynosi 3,7 masy Słońca. Mechanizm tego scenariusza jest podobny do scenariusza zapadnięcia się grawitacyjnego, z tą tylko różnicą, że to nie gwiazda się zapada, ale gaz międzygwiazdowy. Pod wpływem sił grawitacyjnych gaz zostaje sprężony do masy krytycznej i gęstości. W krytycznym momencie materia rozpada się na kwanty, tworząc czarną dziurę. Jednak teoria ta jest wątpliwa, ponieważ niedawno astronomowie z Uniwersytetu Columbia zidentyfikowali satelity czarnej dziury Sagittarius A*. Okazało się, że jest to wiele małych czarnych dziur, które prawdopodobnie powstały w inny sposób.
Trzeci scenariusz jest bardziej teoretyczny i wiąże się z istnieniem teorii Wielkiego Wybuchu. W momencie powstania Wszechświata część materii i pól grawitacyjnych ulegała wahaniom. Innymi słowy, procesy potoczyły się inną drogą, niezwiązaną ze znanymi procesami mechaniki kwantowej i fizyki jądrowej.
Ostatni scenariusz koncentruje się na fizyce wybuchu jądrowego. W grudkach materii podczas reakcji jądrowych pod wpływem sił grawitacyjnych następuje eksplozja, w miejscu której powstaje czarna dziura. Materia eksploduje do wewnątrz, pochłaniając wszystkie cząstki.
Istnienie i ewolucja czarnych dziur
Mając ogólne pojęcie o naturze takich dziwnych obiektów kosmicznych, interesujące jest coś innego. Jakie są prawdziwe rozmiary czarnych dziur i jak szybko rosną? Rozmiary czarnych dziur zależą od ich promienia grawitacyjnego. W przypadku czarnych dziur promień czarnej dziury jest określany na podstawie jej masy i nazywany jest promieniem Schwarzschilda. Na przykład, jeśli obiekt ma masę równą masie naszej planety, wówczas promień Schwarzschilda w tym przypadku wynosi 9 mm. Nasza główna oprawa ma promień 3 km. Średnia gęstość czarnej dziury powstałej w miejscu gwiazdy o masie 10⁸ mas Słońca będzie bliska gęstości wody. Promień takiej formacji wyniesie 300 milionów kilometrów.
Jest prawdopodobne, że takie gigantyczne czarne dziury znajdują się w centrach galaktyk. Do chwili obecnej znanych jest 50 galaktyk, w centrum których znajdują się ogromne studnie czasowe i przestrzenne. Masa takich gigantów to miliardy mas Słońca. Można sobie tylko wyobrazić, jaką kolosalną i potworną siłę przyciągania ma taka dziura.
Jeśli chodzi o małe dziury, są to miniobiekty, których promień osiąga znikome wartości, zaledwie 10¯¹² cm, a masa takich okruchów wynosi 10¹⁴g. Takie formacje powstały w czasie Wielkiego Wybuchu, ale z biegiem czasu powiększyły się i dziś obnoszą się w przestrzeni kosmicznej jako potwory. Naukowcy próbują obecnie odtworzyć warunki, w jakich tworzyły się małe czarne dziury w warunkach ziemskich. W tym celu przeprowadza się eksperymenty w zderzaczach elektronów, dzięki którym cząstki elementarne przyspieszane są do prędkości światła. Pierwsze eksperymenty umożliwiły otrzymanie w warunkach laboratoryjnych plazmy kwarkowo-gluonowej – materii, która istniała u zarania powstawania Wszechświata. Takie eksperymenty pozwalają mieć nadzieję, że czarna dziura na Ziemi to tylko kwestia czasu. Inną sprawą jest to, czy takie osiągnięcie nauki ludzkiej nie przerodzi się w katastrofę dla nas i naszej planety. Tworząc sztuczną czarną dziurę, możemy otworzyć puszkę Pandory.
Niedawne obserwacje innych galaktyk pozwoliły naukowcom odkryć czarne dziury, których wymiary przekraczają wszelkie wyobrażalne oczekiwania i założenia. Ewolucja zachodząca w przypadku takich obiektów pozwala nam lepiej zrozumieć, dlaczego masa czarnych dziur rośnie i jaka jest jej rzeczywista granica. Naukowcy doszli do wniosku, że wszystkie znane czarne dziury osiągnęły swoje rzeczywiste rozmiary w ciągu 13–14 miliardów lat. Różnicę w wielkości tłumaczy się gęstością otaczającej przestrzeni. Jeśli czarna dziura ma wystarczającą ilość pożywienia w zasięgu swoich sił grawitacyjnych, rośnie skokowo, osiągając masę setek lub tysięcy mas Słońca. Stąd gigantyczne rozmiary takich obiektów znajdujących się w centrach galaktyk. Masywna gromada gwiazd i ogromne masy gazu międzygwiazdowego zapewniają obfite pożywienie dla wzrostu. Kiedy galaktyki się łączą, czarne dziury mogą się połączyć, tworząc nowy supermasywny obiekt.
Sądząc po analizie procesów ewolucyjnych, zwyczajowo rozróżnia się dwie klasy czarnych dziur:
- obiekty o masie 10 razy większej od masy Słońca;
- masywne obiekty, których masa wynosi setki tysięcy, miliardy mas Słońca.
Istnieją czarne dziury o średniej masie pośredniej równej 100-10 tysięcy mas Słońca, ale ich natura wciąż pozostaje nieznana. Na każdą galaktykę przypada około jeden taki obiekt. Badanie gwiazd rentgenowskich umożliwiło znalezienie dwóch czarnych dziur o średniej masie w odległości 12 milionów lat świetlnych w galaktyce M82. Masa jednego obiektu waha się w przedziale 200-800 mas Słońca. Drugi obiekt jest znacznie większy i ma masę 10-40 tysięcy mas Słońca. Ciekawe są losy takich obiektów. Znajdują się w pobliżu gromad gwiazd, stopniowo przyciągane przez supermasywną czarną dziurę znajdującą się w centralnej części galaktyki.
Nasza planeta i czarne dziury
Pomimo poszukiwań wskazówek na temat natury czarnych dziur, świat naukowy jest zaniepokojony miejscem i rolą czarnej dziury w losach Drogi Mlecznej, a w szczególności w losach planety Ziemia. Fałda czasu i przestrzeni istniejąca w centrum Drogi Mlecznej stopniowo pochłania wszystkie istniejące wokół niej obiekty. Czarna dziura pochłonęła już miliony gwiazd i biliony ton gazu międzygwiazdowego. Z czasem kolej na ramiona Łabędzia i Strzelca, w których znajduje się Układ Słoneczny, pokonujących odległość 27 tysięcy lat świetlnych.
Druga najbliższa supermasywna czarna dziura znajduje się w centralnej części galaktyki Andromedy. Znajduje się od nas około 2,5 miliona lat świetlnych. Prawdopodobnie zanim nasz obiekt Sagittarius A* pochłonie własną galaktykę, powinniśmy spodziewać się połączenia dwóch sąsiednich galaktyk. W związku z tym dwie supermasywne czarne dziury połączą się w jedną, okropną i potworną wielkości.
Małe czarne dziury to zupełnie inna sprawa. Aby połknąć planetę Ziemię, wystarczy czarna dziura o promieniu kilku centymetrów. Problem polega na tym, że ze swej natury czarna dziura jest obiektem całkowicie pozbawionym twarzy. Z jego brzucha nie wydobywa się żadne promieniowanie ani promieniowanie, dlatego dość trudno jest zauważyć tak tajemniczy obiekt. Dopiero z bliskiej odległości można wykryć zakrzywienie światła tła, co wskazuje, że w tym obszarze Wszechświata znajduje się dziura w przestrzeni.
Do tej pory naukowcy ustalili, że najbliższą Ziemi czarną dziurą jest obiekt V616 Monocerotis. Potwór znajduje się 3000 lat świetlnych od naszego układu. Jest to duża formacja, jej masa wynosi 9-13 mas Słońca. Kolejnym pobliskim obiektem stanowiącym zagrożenie dla naszego świata jest czarna dziura Gygnus X-1. Od tego potwora dzieli nas odległość 6000 lat świetlnych. Czarne dziury odkryte w naszym sąsiedztwie wchodzą w skład układu podwójnego, tj. istnieją w pobliżu gwiazdy, która zasila nienasycony obiekt.
Wniosek
Istnienie tak tajemniczych i tajemniczych obiektów w kosmosie jak czarne dziury z pewnością zmusza nas do zachowania czujności. Jednak wszystko, co dzieje się z czarnymi dziurami, zdarza się dość rzadko, biorąc pod uwagę wiek Wszechświata i ogromne odległości. Od 4,5 miliarda lat Układ Słoneczny znajduje się w spoczynku, egzystując według znanych nam praw. W tym czasie nic takiego, ani zniekształcenie przestrzeni, ani zagięcie czasu, nie pojawiło się w pobliżu Układu Słonecznego. Chyba nie ma ku temu odpowiednich warunków. Część Drogi Mlecznej, w której znajduje się układ gwiazd Słońca, to spokojny i stabilny obszar przestrzeni.
Naukowcy przyznają, że pojawienie się czarnych dziur nie jest przypadkowe. Obiekty takie pełnią rolę porządkowych we Wszechświecie, niszcząc nadmiar ciał kosmicznych. Jeśli chodzi o los samych potworów, ich ewolucja nie została jeszcze w pełni zbadana. Istnieje wersja, że czarne dziury nie są wieczne i na pewnym etapie mogą przestać istnieć. Nie jest już tajemnicą, że tego typu obiekty stanowią potężne źródła energii. Jaki to rodzaj energii i jak jest mierzony, to inna sprawa.
Dzięki wysiłkom Stephena Hawkinga nauce przedstawiono teorię, że czarna dziura nadal emituje energię, tracąc jednocześnie masę. W swoich założeniach naukowiec kierował się teorią względności, gdzie wszystkie procesy są ze sobą powiązane. Nic tak po prostu nie znika, nie pojawiając się gdzie indziej. Każdą materię można przekształcić w inną substancję, przy czym jeden rodzaj energii przechodzi na inny poziom energii. Może tak być w przypadku czarnych dziur, które stanowią portal przejściowy z jednego stanu do drugiego.
Jeśli masz jakieś pytania, zostaw je w komentarzach pod artykułem. My lub nasi goście chętnie na nie odpowiemy
Ze wszystkich znanych ludzkości obiektów znajdujących się w przestrzeni kosmicznej czarne dziury wywołują najbardziej niesamowite i niezrozumiałe wrażenie. To uczucie ogarnia niemal każdą osobę, gdy wspomina się o czarnych dziurach, mimo że ludzkość wiedziała o nich od ponad półtora wieku. Pierwszą wiedzę o tych zjawiskach uzyskano na długo przed publikacjami Einsteina na temat teorii względności. Jednak prawdziwe potwierdzenie istnienia tych obiektów otrzymano nie tak dawno temu.
Oczywiście czarne dziury słusznie słyną ze swoich dziwnych właściwości fizycznych, które powodują jeszcze więcej tajemnic we Wszechświecie. Z łatwością kwestionują wszelkie kosmiczne prawa fizyki i mechaniki kosmicznej. Aby zrozumieć wszystkie szczegóły i zasady istnienia takiego zjawiska jak kosmiczna dziura, musimy zapoznać się ze współczesnymi osiągnięciami astronomii i uruchomić naszą wyobraźnię, a ponadto będziemy musieli wyjść poza standardowe pojęcia. Aby ułatwić zrozumienie i zapoznanie się z kosmicznymi dziurami, portal przygotował wiele ciekawych informacji dotyczących tych zjawisk we Wszechświecie.
Cechy czarnych dziur z portalu
Przede wszystkim należy zauważyć, że czarne dziury nie biorą się znikąd, powstają z gwiazd o gigantycznych rozmiarach i masach. Co więcej, największą cechą i wyjątkowością każdej czarnej dziury jest to, że mają one bardzo silne przyciąganie grawitacyjne. Siła przyciągania obiektów do czarnej dziury przekracza drugą prędkość ucieczki. Takie wskaźniki grawitacyjne wskazują, że nawet promienie świetlne nie mogą uciec z pola działania czarnej dziury, ponieważ mają znacznie mniejszą prędkość.
Osobliwością przyciągania jest to, że przyciąga wszystkie obiekty znajdujące się w pobliżu. Im większy obiekt przechodzi w pobliżu czarnej dziury, tym większy wpływ i przyciąganie otrzyma. W związku z tym możemy stwierdzić, że im większy obiekt, tym silniej jest przyciągany przez czarną dziurę, a aby uniknąć takiego wpływu, ciało kosmiczne musi mieć bardzo duże prędkości ruchu.
Można też śmiało zauważyć, że w całym Wszechświecie nie ma ciała, które mogłoby uniknąć przyciągania czarnej dziury, gdyby znalazła się ona w bliskiej odległości, gdyż nawet najszybszy strumień światła nie jest w stanie uniknąć tego wpływu. Teoria względności opracowana przez Einsteina doskonale pozwala zrozumieć cechy czarnych dziur. Według tej teorii grawitacja może wpływać na czas i zniekształcać przestrzeń. Stwierdza również, że im większy obiekt znajduje się w przestrzeni kosmicznej, tym bardziej spowalnia czas. W pobliżu samej czarnej dziury czas wydaje się całkowicie zatrzymać. Gdyby statek kosmiczny wszedł w pole działania dziury kosmicznej, można by zaobserwować, jak zwalniałby w miarę zbliżania się, a ostatecznie całkowicie zniknął.
Nie należy zbytnio bać się zjawisk takich jak czarne dziury i wierzyć we wszystkie nienaukowe informacje, które mogą obecnie istnieć. Przede wszystkim musimy rozwiać najpopularniejszy mit, że czarne dziury mogą zasysać całą materię i obiekty z ich otoczenia, a w miarę tego powiększają się i pochłaniają coraz więcej. Nic z tego nie jest do końca prawdą. Tak, rzeczywiście mogą absorbować ciała kosmiczne i materię, ale tylko te, które znajdują się w pewnej odległości od samej dziury. Poza potężną grawitacją niewiele różnią się od zwykłych gwiazd o gigantycznej masie. Nawet gdy nasze Słońce zamieni się w czarną dziurę, będzie w stanie wessać jedynie obiekty znajdujące się w niewielkiej odległości, a wszystkie planety będą nadal obracać się po swoich zwykłych orbitach.
Wracając do teorii względności, możemy stwierdzić, że wszystkie obiekty o silnej grawitacji mogą wpływać na krzywiznę czasu i przestrzeni. Ponadto im większa masa ciała, tym silniejsze będzie zniekształcenie. Całkiem niedawno naukowcy mogli więc przekonać się o tym w praktyce, kontemplując inne obiekty, które powinny być niedostępne dla naszych oczu ze względu na ogromne ciała kosmiczne, takie jak galaktyki czy czarne dziury. Wszystko to jest możliwe dzięki temu, że promienie świetlne przechodzące w pobliżu czarnej dziury lub innego ciała są bardzo silnie załamywane pod wpływem ich grawitacji. Tego typu zniekształcenia pozwalają naukowcom patrzeć znacznie dalej w przestrzeń kosmiczną. Jednak przy takich badaniach bardzo trudno jest określić prawdziwą lokalizację badanego ciała.
Czarne dziury nie pojawiają się znikąd; powstają w wyniku eksplozji supermasywnych gwiazd. Co więcej, aby powstała czarna dziura, masa eksplodującej gwiazdy musi być co najmniej dziesięciokrotnie większa od masy Słońca. Każda gwiazda istnieje dzięki reakcjom termojądrowym zachodzącym wewnątrz gwiazdy. W tym przypadku podczas procesu syntezy uwalniany jest stop wodoru, ale nie może on opuścić obszaru oddziaływania gwiazdy, ponieważ jego grawitacja przyciąga wodór z powrotem. Cały ten proces pozwala gwiazdom istnieć. Synteza wodoru i grawitacja gwiazd to dość dobrze funkcjonujące mechanizmy, ale zakłócenie tej równowagi może prowadzić do eksplozji gwiazdy. W większości przypadków jest to spowodowane wyczerpaniem się paliwa jądrowego.
W zależności od masy gwiazdy możliwych jest kilka scenariuszy ich rozwoju po eksplozji. W ten sposób masywne gwiazdy tworzą pole eksplozji supernowej, a większość z nich pozostaje za jądrem poprzedniej gwiazdy; astronauci nazywają takie obiekty białymi karłami. W większości przypadków wokół tych ciał tworzy się chmura gazu, utrzymywana w miejscu dzięki grawitacji karła. Możliwa jest także inna droga rozwoju supermasywnych gwiazd, w której powstała czarna dziura bardzo silnie przyciągnie całą materię gwiazdy do jej centrum, co doprowadzi do jej silnej kompresji.
Takie skompresowane ciała nazywane są gwiazdami neutronowymi. W najrzadszych przypadkach po eksplozji gwiazdy możliwe jest utworzenie czarnej dziury w naszym przyjętym rozumieniu tego zjawiska. Ale żeby powstała dziura, masa gwiazdy musi być po prostu gigantyczna. W tym przypadku, gdy równowaga reakcji jądrowych zostaje zakłócona, grawitacja gwiazdy po prostu szaleje. Jednocześnie zaczyna aktywnie się zapadać, po czym staje się jedynie punktem w przestrzeni. Inaczej mówiąc, możemy powiedzieć, że gwiazda jako obiekt fizyczny przestaje istnieć. Pomimo tego, że znika, za nią tworzy się czarna dziura o tej samej grawitacji i masie.
To właśnie zapadanie się gwiazd prowadzi do tego, że całkowicie znikają, a na ich miejscu powstaje czarna dziura o takich samych właściwościach fizycznych jak zaginiona gwiazda. Jedyną różnicą jest większy stopień kompresji dziury niż objętość gwiazdy. Najważniejszą cechą wszystkich czarnych dziur jest ich osobliwość, która wyznacza jej środek. Obszar ten przeciwstawia się wszelkim prawom fizyki, materii i przestrzeni, które przestają istnieć. Aby zrozumieć pojęcie osobliwości, możemy powiedzieć, że jest to bariera zwana kosmicznym horyzontem zdarzeń. Jest to także zewnętrzna granica czarnej dziury. Osobliwość można nazwać punktem bez powrotu, ponieważ to właśnie tam zaczyna działać gigantyczna siła grawitacyjna dziury. Nawet światło, które przekracza tę barierę, nie jest w stanie uciec.
Horyzont zdarzeń ma tak atrakcyjny efekt, że przyciąga wszystkie ciała z prędkością światła; w miarę zbliżania się do samej czarnej dziury wskaźniki prędkości rosną jeszcze bardziej. Dlatego wszystkie przedmioty, które znajdą się w zasięgu tej siły, skazane są na wessanie do dziury. Należy zauważyć, że siły takie są w stanie zmodyfikować ciało złapane działaniem takiego przyciągania, po czym rozciągają się w cienką strunę, a następnie całkowicie przestają istnieć w przestrzeni.
Odległość między horyzontem zdarzeń a osobliwością może być różna; przestrzeń ta nazywana jest promieniem Schwarzschilda. Dlatego im większy rozmiar czarnej dziury, tym większy będzie zasięg działania. Na przykład możemy powiedzieć, że czarna dziura tak masywna jak nasze Słońce miałaby promień Schwarzschilda wynoszący trzy kilometry. W związku z tym duże czarne dziury mają większy zasięg.
Znalezienie czarnych dziur jest dość trudnym procesem, ponieważ światło nie może z nich uciec. Dlatego poszukiwania i definicja opierają się jedynie na pośrednich dowodach na ich istnienie. Najprostszą metodą stosowaną przez naukowców do ich znalezienia jest poszukiwanie ich poprzez znajdowanie miejsc w ciemnej przestrzeni, jeśli mają dużą masę. W większości przypadków astronomom udaje się znaleźć czarne dziury w układach podwójnych gwiazd lub w centrach galaktyk.
Większość astronomów jest skłonna wierzyć, że w centrum naszej galaktyki znajduje się również superpotężna czarna dziura. To stwierdzenie nasuwa pytanie, czy ta dziura będzie w stanie połknąć wszystko w naszej galaktyce? W rzeczywistości jest to niemożliwe, ponieważ sama dziura ma taką samą masę jak gwiazdy, ponieważ jest stworzona z gwiazdy. Co więcej, wszelkie obliczenia naukowców nie przepowiadają żadnych globalnych wydarzeń związanych z tym obiektem. Co więcej, przez kolejne miliardy lat kosmiczne ciała naszej galaktyki będą spokojnie obracać się wokół tej czarnej dziury, bez żadnych zmian. Dowody na istnienie dziury w centrum Drogi Mlecznej mogą pochodzić z zarejestrowanych przez naukowców fal rentgenowskich. Większość astronomów jest skłonna wierzyć, że czarne dziury aktywnie emitują je w ogromnych ilościach.
Dość często w naszej galaktyce istnieją układy gwiazd składające się z dwóch gwiazd i często jedna z nich może stać się czarną dziurą. W tej wersji czarna dziura pochłania wszystkie ciała na swojej drodze, natomiast materia zaczyna się wokół niej obracać, dzięki czemu powstaje tzw. Dysk przyspieszający. Cechą szczególną jest to, że zwiększa prędkość obrotową i przesuwa się bliżej środka. To materia, która wpada do środka czarnej dziury, emituje promieniowanie rentgenowskie, a sama materia ulega zniszczeniu.
Układy podwójne gwiazd są pierwszymi kandydatami do statusu czarnej dziury. W takich układach najłatwiej jest znaleźć czarną dziurę, ze względu na objętość widocznej gwiazdy możliwe jest obliczenie wskaźników jej niewidzialnego brata. Obecnie pierwszym kandydatem na czarną dziurę może być gwiazda z konstelacji Łabędzia, która aktywnie emituje promieniowanie rentgenowskie.
Wnioskując z tego wszystkiego na temat czarnych dziur, możemy powiedzieć, że nie są to aż tak niebezpieczne zjawiska, oczywiście w przypadku bliskiej odległości są to najpotężniejsze obiekty w przestrzeni kosmicznej ze względu na siłę grawitacji. Dlatego możemy powiedzieć, że nie różnią się one szczególnie od innych ciał, ich główną cechą jest silne pole grawitacyjne.
Zaproponowano ogromną liczbę teorii dotyczących przeznaczenia czarnych dziur, a niektóre z nich były nawet absurdalne. Zatem według jednego z nich naukowcy wierzyli, że czarne dziury mogą rodzić nowe galaktyki. Teoria ta opiera się na fakcie, że nasz świat jest dość sprzyjającym miejscem do powstania życia, jednak gdyby zmienił się jeden z czynników, życie byłoby niemożliwe. Z tego powodu osobliwość i osobliwości zmian właściwości fizycznych czarnych dziur mogą doprowadzić do powstania zupełnie nowego Wszechświata, który będzie znacznie różnił się od naszego. Jest to jednak tylko teoria i to raczej słaba ze względu na fakt, że nie ma dowodów na taki efekt czarnych dziur.
Jeśli chodzi o czarne dziury, nie tylko mogą pochłaniać materię, ale także mogą odparowywać. Podobne zjawisko zostało udowodnione kilkadziesiąt lat temu. Parowanie może spowodować, że czarna dziura straci całą swoją masę, a następnie całkowicie zniknie.
To wszystko to najdrobniejsza informacja o czarnych dziurach, jaką można znaleźć na stronie portalu. Mamy też ogromną ilość ciekawych informacji o innych zjawiskach kosmicznych.
24 stycznia 2013
Ze wszystkich hipotetycznych obiektów we Wszechświecie przewidywanych przez teorie naukowe, czarne dziury robią najbardziej niesamowite wrażenie. I chociaż sugestie na temat ich istnienia zaczęto wysuwać prawie półtora wieku przed opublikowaniem przez Einsteina ogólnej teorii względności, przekonujące dowody na realność ich istnienia uzyskano dopiero niedawno.
Zacznijmy od tego, jak ogólna teoria względności odnosi się do kwestii natury grawitacji. Prawo powszechnego ciążenia Newtona stwierdza, że pomiędzy dowolnymi dwoma masywnymi ciałami we Wszechświecie działa siła wzajemnego przyciągania. Dzięki temu przyciąganiu grawitacyjnemu Ziemia krąży wokół Słońca. Ogólna teoria względności zmusza nas do innego spojrzenia na układ Słońce-Ziemia. Zgodnie z tą teorią, w obecności tak masywnego ciała niebieskiego jak Słońce, czasoprzestrzeń wydaje się zapadać pod jego ciężarem, a jednolitość jej struktury zostaje zakłócona. Wyobraź sobie elastyczną trampolinę z ciężką piłką (jak kula do kręgli). Rozciągnięty materiał ugina się pod swoim ciężarem, tworząc wokół siebie próżnię. W ten sam sposób Słońce popycha wokół siebie czasoprzestrzeń.
Zgodnie z tym obrazem Ziemia po prostu toczy się wokół powstałego lejka (z wyjątkiem tego, że mała kulka tocząca się wokół ciężkiej na trampolinie nieuchronnie straci prędkość i zacznie kręcić się bliżej dużej). A to, co zwykle postrzegamy jako siłę grawitacji w naszym codziennym życiu, jest również niczym innym jak zmianą geometrii czasoprzestrzeni, a nie siłą w rozumieniu Newtona. Nie wynaleziono dziś bardziej skutecznego wyjaśnienia natury grawitacji, niż daje nam ogólna teoria względności.
Teraz wyobraź sobie, co się stanie, jeśli w ramach proponowanego obrazu zwiększymy i zwiększymy masę ciężkiej piłki bez zwiększania jej wymiarów fizycznych? Będąc całkowicie elastycznym, lejek będzie się pogłębiał, aż jego górne krawędzie zbiegną się gdzieś wysoko nad całkowicie ciężką kulą, a następnie patrząc z powierzchni po prostu przestanie istnieć. W prawdziwym Wszechświecie, po zgromadzeniu wystarczającej masy i gęstości materii, obiekt zatrzaskuje wokół siebie czasoprzestrzenną pułapkę, tkanka czasoprzestrzeni zamyka się i traci kontakt z resztą Wszechświata, stając się dla niego niewidzialny. Tak wygląda czarna dziura.
Schwarzschild i jemu współcześni wierzyli, że tak dziwne obiekty kosmiczne nie istnieją w naturze. Sam Einstein nie tylko podzielał ten punkt widzenia, ale także błędnie sądził, że udało mu się matematycznie uzasadnić swoją opinię.
W latach trzydziestych XX wieku młody indyjski astrofizyk Chandrasekhar udowodnił, że gwiazda, która zużyła paliwo jądrowe, zrzuca swoją otoczkę i zamienia się w powoli stygnącego białego karła tylko wtedy, gdy jej masa jest mniejsza niż 1,4 masy Słońca. Wkrótce Amerykanin Fritz Zwicky zdał sobie sprawę, że w eksplozjach supernowych powstają niezwykle gęste ciała materii neutronowej; Później do tego samego wniosku doszedł Lew Landau. Po pracach Chandrasekhara było oczywiste, że takiej ewolucji mogą podlegać jedynie gwiazdy o masie większej niż 1,4 masy Słońca. Powstało więc naturalne pytanie: czy istnieje górna granica masy supernowych, które pozostawiają gwiazdy neutronowe?
Pod koniec lat 30. przyszły ojciec amerykańskiej bomby atomowej Robert Oppenheimer ustalił, że taka granica faktycznie istnieje i nie przekracza kilku mas Słońca. Nie można było wówczas dokonać dokładniejszej oceny; Obecnie wiadomo, że masy gwiazd neutronowych muszą mieścić się w przedziale 1,5–3 Ms. Jednak nawet z przybliżonych obliczeń Oppenheimera i jego studenta George’a Volkowa wynikało, że najmasywniejsi potomkowie supernowych nie stają się gwiazdami neutronowymi, lecz przekształcają się w jakiś inny stan. W 1939 roku Oppenheimer i Hartland Snyder wykorzystali wyidealizowany model, aby udowodnić, że masywna zapadająca się gwiazda kurczy się do swojego promienia grawitacyjnego. Z ich wzorów faktycznie wynika, że gwiazda na tym się nie kończy, jednak współautorzy powstrzymywali się od tak radykalnego wniosku.
09.07.1911 - 13.04.2008
Ostateczną odpowiedź znaleziono w drugiej połowie XX wieku dzięki wysiłkom całej galaktyki znakomitych fizyków teoretycznych, w tym także radzieckich. Okazało się, że takie zapadnięcie się zawsze ściska gwiazdę „do końca”, całkowicie niszcząc jej materię. W rezultacie powstaje osobliwość, „superkoncentrat” pola grawitacyjnego, zamknięty w nieskończenie małej objętości. Dla otworu nieruchomego jest to punkt, dla otworu obrotowego jest to pierścień. Zakrzywienie czasoprzestrzeni, a co za tym idzie, siła grawitacji w pobliżu osobliwości zmierza do nieskończoności. Pod koniec 1967 roku amerykański fizyk John Archibald Wheeler jako pierwszy nazwał takie ostateczne zapadnięcie się gwiazdy czarną dziurą. Nowe określenie pokochali fizycy i zachwyceni dziennikarze, którzy rozpowszechnili go na całym świecie (choć początkowo nie spodobało się to Francuzom, gdyż określenie trou noir nasuwało wątpliwe skojarzenia).
Najważniejszą właściwością czarnej dziury jest to, że cokolwiek w nią wpadnie, już nie wróci. Odnosi się to nawet do światła, dlatego czarne dziury wzięły swoją nazwę: ciało, które pochłania całe padające na nie światło i nie emituje żadnego własnego, wydaje się całkowicie czarne. Zgodnie z ogólną teorią względności, jeśli obiekt zbliża się do centrum czarnej dziury na krytyczną odległość – odległość tę nazywa się promieniem Schwarzschilda – to nigdy nie może powrócić. (Niemiecki astronom Karl Schwarzschild (1873-1916) w ostatnich latach swojego życia, korzystając z równań ogólnej teorii względności Einsteina, obliczył pole grawitacyjne wokół masy o zerowej objętości.) Dla masy Słońca promień Schwarzschilda wynosi 3 km, czyli aby zamienić nasze Słońce w czarną dziurę, trzeba zagęścić całą jego masę do rozmiarów małego miasteczka!
Wewnątrz promienia Schwarzschilda teoria przewiduje jeszcze dziwniejsze zjawiska: cała materia czarnej dziury gromadzi się w nieskończenie małym punkcie o nieskończonej gęstości w samym jej środku – matematycy nazywają taki obiekt osobliwym zaburzeniem. Przy nieskończonej gęstości każda skończona masa materii, mówiąc matematycznie, zajmuje zerową objętość przestrzenną. Oczywiście nie możemy zweryfikować eksperymentalnie, czy zjawisko to rzeczywiście zachodzi wewnątrz czarnej dziury, ponieważ wszystko, co wpada w promień Schwarzschilda, nie wraca.
Zatem nie będąc w stanie „patrzeć” na czarną dziurę w tradycyjnym znaczeniu słowa „patrz”, możemy jednak wykryć jej obecność na podstawie pośrednich znaków wpływu jej superpotężnego i zupełnie niezwykłego pola grawitacyjnego na materię wokół To.
Supermasywne czarne dziury
W centrum naszej Drogi Mlecznej i innych galaktyk znajduje się niesamowicie masywna czarna dziura, miliony razy cięższa od Słońca. Te supermasywne czarne dziury (jak je nazwano) odkryto w wyniku obserwacji natury ruchu gazu międzygwiazdowego w pobliżu centrów galaktyk. Gazy, sądząc po obserwacjach, wirują w niewielkiej odległości od supermasywnego obiektu, a proste obliczenia z wykorzystaniem praw mechaniki Newtona pokazują, że przyciągający je obiekt, o niewielkiej średnicy, ma potworną masę. Tylko czarna dziura może w ten sposób wirować gaz międzygwiazdowy w centrum galaktyki. Tak naprawdę astrofizycy znaleźli już dziesiątki takich masywnych czarnych dziur w centrach sąsiadujących z nami galaktyk i mocno podejrzewają, że centrum każdej galaktyki jest czarną dziurą.
Czarne dziury o masie gwiazdowej
Zgodnie z naszym obecnym rozumieniem ewolucji gwiazd, gdy gwiazda o masie przekraczającej około 30 mas Słońca ginie w wyniku wybuchu supernowej, jej zewnętrzna powłoka ulega rozproszeniu, a wewnętrzne warstwy szybko zapadają się w kierunku środka i w miejscu gwiazdy tworzą czarną dziurę. gwiazda, która wyczerpała swoje rezerwy paliwa. Czarna dziura tego pochodzenia wyizolowana w przestrzeni międzygwiazdowej jest prawie niemożliwa do wykrycia, ponieważ znajduje się w rozrzedzonej próżni i nie objawia się w żaden sposób pod względem oddziaływań grawitacyjnych. Jeśli jednak taka dziura byłaby częścią układu podwójnego gwiazd (dwie gorące gwiazdy krążące wokół środka masy), czarna dziura nadal wywierałaby wpływ grawitacyjny na swoją parę gwiazd. Astronomowie mają dziś kilkunastu kandydatów na rolę tego rodzaju układów gwiezdnych, choć dla żadnego z nich nie uzyskano rygorystycznych dowodów.
W układzie podwójnym zawierającym czarną dziurę materia „żywej” gwiazdy nieuchronnie „płynie” w kierunku czarnej dziury. Natomiast substancja wyssana przez czarną dziurę będzie wirować spiralnie, wpadając do czarnej dziury, znikając po przekroczeniu promienia Schwarzschilda. Jednak zbliżając się do śmiertelnej granicy, materia zasysana do lejka czarnej dziury nieuchronnie stanie się gęstsza i nagrzana w wyniku zwiększonej częstotliwości zderzeń cząstek pochłoniętych przez dziurę, aż do momentu, gdy ogrzeje się do energii emisji fal w Zakres rentgenowski widma promieniowania elektromagnetycznego. Astronomowie potrafią zmierzyć okresowość zmian natężenia tego rodzaju promieniowania rentgenowskiego i obliczyć, porównując to z innymi dostępnymi danymi, przybliżoną masę obiektu „przyciągającego” materię do siebie. Jeśli masa obiektu przekracza granicę Chandrasekhara (1,4 masy Słońca), obiekt ten nie może być białym karłem, w który nasza gwiazda ma się zdegenerować. W większości zidentyfikowanych obserwacji takich rentgenowskich gwiazd podwójnych masywnym obiektem jest gwiazda neutronowa. Jednakże odnotowano już kilkanaście przypadków, w których jedynym rozsądnym wyjaśnieniem jest obecność czarnej dziury w układzie podwójnym.
Wszystkie pozostałe typy czarnych dziur mają charakter znacznie bardziej spekulacyjny i opierają się wyłącznie na badaniach teoretycznych – nie ma w ogóle eksperymentalnych dowodów na ich istnienie. Po pierwsze, są to mini czarne dziury o masie porównywalnej z masą góry i skompresowane do promienia protonu. Ideę ich powstania na początkowym etapie formowania się Wszechświata bezpośrednio po Wielkim Wybuchu wyraził angielski kosmolog Stephen Hawking (patrz Ukryta zasada nieodwracalności czasu). Hawking zasugerował, że eksplozje minidziur mogą wyjaśnić naprawdę tajemnicze zjawisko precyzyjnych rozbłysków gamma we Wszechświecie. Po drugie, niektóre teorie cząstek elementarnych przewidują istnienie we Wszechświecie – na poziomie mikro – prawdziwego sita czarnych dziur, które są rodzajem piany ze śmieci wszechświata. Średnica takich mikrodziur wynosi podobno około 10-33 cm – są one miliardy razy mniejsze od protonu. Na chwilę obecną nie mamy nadziei na eksperymentalne sprawdzenie nawet samego faktu istnienia takich cząstek czarnej dziury, nie mówiąc już o zbadaniu w jakiś sposób ich właściwości.
I co stanie się z obserwatorem, jeśli nagle znajdzie się po drugiej stronie promienia grawitacyjnego, zwanego inaczej horyzontem zdarzeń. Tutaj zaczyna się najbardziej niesamowita właściwość czarnych dziur. Nie bez powodu mówiąc o czarnych dziurach zawsze wspominaliśmy o czasie, a dokładniej o czasoprzestrzeni. Według teorii względności Einsteina im szybciej porusza się ciało, tym większa staje się jego masa, ale czas zaczyna płynąć wolniej! Przy małych prędkościach w normalnych warunkach efekt ten jest niezauważalny, ale jeśli ciało (statek kosmiczny) porusza się z prędkością bliską prędkości światła, to jego masa wzrasta, a czas zwalnia! Kiedy prędkość ciała jest równa prędkości światła, masa zmierza do nieskończoności, a czas się zatrzymuje! Ścisłe wzory matematyczne mówią o tym. Wróćmy do czarnej dziury. Wyobraźmy sobie fantastyczną sytuację, gdy statek kosmiczny z astronautami na pokładzie zbliża się do promienia grawitacyjnego lub horyzontu zdarzeń. Jest oczywiste, że horyzont zdarzeń został tak nazwany, ponieważ możemy obserwować dowolne zdarzenia (w ogóle cokolwiek) tylko do tej granicy. Której poza tą granicą nie jesteśmy w stanie zaobserwować. Będąc jednak na statku zbliżającym się do czarnej dziury, astronauci poczują się tak samo jak wcześniej, bo... Według ich zegarka czas będzie płynął „normalnie”. Sonda spokojnie przekroczy horyzont zdarzeń i ruszy dalej. Ponieważ jednak jego prędkość będzie bliska prędkości światła, statek kosmiczny dotrze do centrum czarnej dziury dosłownie w jednej chwili.
A dla obserwatora zewnętrznego statek kosmiczny po prostu zatrzyma się na horyzoncie zdarzeń i pozostanie tam prawie na zawsze! Na tym polega paradoks kolosalnej grawitacji czarnych dziur. Naturalnym pytaniem jest, czy astronauci udający się w nieskończoność według zegara zewnętrznego obserwatora przeżyją. NIE. I wcale nie chodzi o ogromną grawitację, ale o siły pływowe, które w przypadku tak małego i masywnego ciała zmieniają się znacznie na krótkich dystansach. Przy wzroście astronauty wynoszącym 1 m 70 cm siły pływowe na jego głowie będą znacznie mniejsze niż na stopach i już na horyzoncie zdarzeń po prostu zostanie rozerwany na strzępy. Zatem ogólnie dowiedzieliśmy się, czym są czarne dziury, ale jak dotąd mówiliśmy o czarnych dziurach o masach gwiazdowych. Obecnie astronomowie odkryli supermasywne czarne dziury, których masa może wynosić miliard słońc! Supermasywne czarne dziury nie różnią się właściwościami od swoich mniejszych odpowiedników. Są tylko znacznie masywniejsze i z reguły znajdują się w centrach galaktyk - gwiezdnych wyspach Wszechświata. W centrum naszej Galaktyki (Drogi Mlecznej) znajduje się również supermasywna czarna dziura. Kolosalna masa takich czarnych dziur umożliwi ich poszukiwanie nie tylko w naszej Galaktyce, ale także w centrach odległych galaktyk znajdujących się w odległości milionów i miliardów lat świetlnych od Ziemi i Słońca. Europejscy i amerykańscy naukowcy przeprowadzili globalne poszukiwania supermasywnych czarnych dziur, które według współczesnych obliczeń teoretycznych powinny znajdować się w centrum każdej galaktyki.
Nowoczesne technologie umożliwiają wykrycie obecności tych kolapsarów w sąsiednich galaktykach, ale odkryto bardzo niewiele z nich. Oznacza to, że albo czarne dziury są po prostu ukryte w gęstych obłokach gazu i pyłu w centralnej części galaktyk, albo znajdują się w bardziej odległych zakątkach Wszechświata. Zatem czarne dziury można wykryć za pomocą promieniowania rentgenowskiego emitowanego podczas akrecji na nie materii, a w celu przeprowadzenia spisu takich źródeł w przestrzeń kosmiczną bliską Ziemi wystrzelono satelity z teleskopami rentgenowskimi na pokładzie. Poszukując źródeł promieniowania rentgenowskiego, obserwatoria kosmiczne Chandra i Rossi odkryły, że niebo było wypełnione promieniowaniem rentgenowskim tła, które było miliony razy jaśniejsze niż promieniowanie widzialne. Duża część tej emisji promieniowania rentgenowskiego tła z nieba musi pochodzić z czarnych dziur. Zwykle w astronomii wyróżnia się trzy rodzaje czarnych dziur. Pierwsza to czarne dziury o masach gwiazdowych (około 10 mas Słońca). Powstają z masywnych gwiazd, gdy zabraknie im paliwa termojądrowego. Drugi to supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk (miliony do miliardów mas Słońca). I wreszcie pierwotne czarne dziury, powstałe na początku życia Wszechświata, których masy są małe (rzędu masy dużej asteroidy). Zatem duży zakres możliwych mas czarnych dziur pozostaje niewypełniony. Ale gdzie są te dziury? Wypełniając przestrzeń promieniami rentgenowskimi, nie chcą jednak pokazywać swojej prawdziwej „twarzy”. Aby jednak zbudować jasną teorię związku między promieniowaniem rentgenowskim tła a czarnymi dziurami, konieczna jest znajomość ich liczby. W tej chwili teleskopy kosmiczne były w stanie wykryć jedynie niewielką liczbę supermasywnych czarnych dziur, których istnienie można uznać za udowodnione. Znaki pośrednie pozwalają zwiększyć liczbę obserwowanych czarnych dziur odpowiedzialnych za promieniowanie tła do 15%. Musimy założyć, że pozostałe supermasywne czarne dziury po prostu chowają się za grubą warstwą obłoków pyłu, które przepuszczają jedynie wysokoenergetyczne promieniowanie rentgenowskie lub są zbyt daleko, aby mogły zostać wykryte przez nowoczesne środki obserwacyjne.
Supermasywna czarna dziura (otoczenie) w centrum galaktyki M87 (zdjęcie rentgenowskie). Widoczny jest wyrzut (strumień) z horyzontu zdarzeń. Zdjęcie z www.college.ru/astronomy
Znalezienie ukrytych czarnych dziur jest jednym z głównych zadań współczesnej astronomii rentgenowskiej. Ostatnie przełomy w tej dziedzinie, związane z badaniami z wykorzystaniem teleskopów Chandra i Rossi, obejmują jednak jedynie niskoenergetyczny zakres promieniowania rentgenowskiego - około 2000-20 000 elektronowoltów (dla porównania energia promieniowania optycznego wynosi około 2 elektrony). woltów). Znaczące zmiany w tych badaniach może wprowadzić europejski teleskop kosmiczny Integral, który jest w stanie przeniknąć w wciąż niedostatecznie zbadany obszar promieniowania rentgenowskiego o energii 20 000–300 000 elektronowoltów. Znaczenie badania tego typu promieni rentgenowskich polega na tym, że chociaż tło rentgenowskie nieba ma niską energię, na tym tle pojawia się wiele szczytów (punktów) promieniowania o energii około 30 000 elektronowoltów. Naukowcy wciąż odkrywają tajemnicę tego, co powoduje te szczyty, a Integral jest pierwszym teleskopem wystarczająco czułym, aby wykryć takie źródła promieniowania rentgenowskiego. Według astronomów promienie wysokoenergetyczne generują tak zwane obiekty o grubości Comptona, czyli supermasywne czarne dziury spowite powłoką pyłową. To obiekty Comptona są odpowiedzialne za szczyty promieniowania rentgenowskiego o wartości 30 000 elektronowoltów w polu promieniowania tła.
Jednak kontynuując badania, naukowcy doszli do wniosku, że obiekty Comptona stanowią zaledwie 10% liczby czarnych dziur, które powinny tworzyć szczyty wysokoenergetyczne. Stanowi to poważną przeszkodę w dalszym rozwoju teorii. Zatem brakujące promieniowanie rentgenowskie nie jest dostarczane przez grubość Comptona, ale przez zwykłe supermasywne czarne dziury? A co z kurtynami przeciwpyłowymi dla niskoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego? Odpowiedź wydaje się leżeć w fakcie, że wiele czarnych dziur (obiektów Comptona) miało wystarczająco dużo czasu, aby wchłonąć cały otaczający je gaz i pył, ale wcześniej miały okazję dać się poznać za pomocą wysokoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego. Po pochłonięciu całej materii takie czarne dziury nie były już w stanie generować promieni rentgenowskich na horyzoncie zdarzeń. Staje się jasne, dlaczego tych czarnych dziur nie można wykryć i możliwe staje się przypisanie im brakujących źródeł promieniowania tła, ponieważ chociaż czarna dziura już nie emituje, wytworzone przez nią wcześniej promieniowanie w dalszym ciągu przemieszcza się przez Wszechświat. Możliwe jednak, że brakujące czarne dziury są bardziej ukryte, niż astronomom się wydaje, co oznacza, że to, że ich nie widzimy, nie oznacza, że ich tam nie ma. Po prostu nie mamy jeszcze wystarczającej mocy obserwacyjnej, aby je zobaczyć. Tymczasem naukowcy z NASA planują rozszerzyć poszukiwania ukrytych czarnych dziur jeszcze dalej w głąb Wszechświata. Uważają, że to tutaj znajduje się podwodna część góry lodowej. Przez kilka miesięcy będą prowadzone badania w ramach misji Swift. Penetracja w głąb Wszechświata odkryje ukryte czarne dziury, odnajdzie brakujące ogniwo promieniowania tła i rzuci światło na ich aktywność we wczesnej erze Wszechświata.
Uważa się, że niektóre czarne dziury są bardziej aktywne niż ich cisi sąsiedzi. Aktywne czarne dziury absorbują otaczającą materię, a jeśli przelatująca obok „nieostrożna” gwiazda zostanie złapana w lot grawitacji, z pewnością zostanie „zjadana” w najbardziej barbarzyński sposób (rozerwana na strzępy). Zaabsorbowany materiał wpadający do czarnej dziury nagrzewa się do ogromnych temperatur i ulega rozbłyskowi w zakresie gamma, rentgenowskiego i ultrafioletowego. W centrum Drogi Mlecznej znajduje się również supermasywna czarna dziura, ale jest ona trudniejsza do zbadania niż dziury w sąsiednich lub nawet odległych galaktykach. Dzieje się tak za sprawą gęstej ściany gazu i pyłu, która stoi na przeszkodzie centrum naszej Galaktyki, ponieważ Układ Słoneczny znajduje się niemal na krawędzi dysku galaktycznego. Dlatego obserwacje aktywności czarnych dziur są znacznie skuteczniejsze w tych galaktykach, których jądra są wyraźnie widoczne. Obserwując jedną z odległych galaktyk, znajdującą się w gwiazdozbiorze Boötesa w odległości 4 miliardów lat świetlnych, astronomom po raz pierwszy udało się prześledzić od początku do niemal końca proces pochłaniania gwiazdy przez supermasywną czarną dziurę . Przez tysiące lat ten gigantyczny kolapsar spoczywał cicho i spokojnie w centrum bezimiennej galaktyki eliptycznej, dopóki jedna z gwiazd nie odważyła się zbliżyć do niego wystarczająco blisko.
Potężna grawitacja czarnej dziury rozerwała gwiazdę na kawałki. Skrzepy materii zaczęły spadać na czarną dziurę i po dotarciu do horyzontu zdarzeń rozbłysły jasno w zakresie ultrafioletu. Rozbłyski te zostały zarejestrowane przez nowy teleskop kosmiczny NASA Galaxy Evolution Explorer, który bada niebo w świetle ultrafioletowym. Teleskop nadal obserwuje zachowanie wyróżnionego obiektu do dziś, ponieważ Posiłek czarnej dziury jeszcze się nie skończył, a pozostałości gwiazdy nadal spadają w otchłań czasu i przestrzeni. Obserwacje takich procesów ostatecznie pomogą lepiej zrozumieć, w jaki sposób czarne dziury ewoluują wraz z galaktykami macierzystymi (lub odwrotnie, galaktyki ewoluują z macierzystą czarną dziurą). Wcześniejsze obserwacje wskazują, że takie ekscesy nie są rzadkością we Wszechświecie. Naukowcy obliczyli, że gwiazda jest pochłaniana przez supermasywną czarną dziurę w typowej galaktyce średnio raz na 10 000 lat, ale ponieważ istnieje duża liczba galaktyk, absorpcję gwiazd można zaobserwować znacznie częściej.
źródło
Czarna dziura to szczególny obszar w przestrzeni. Jest to pewna akumulacja czarnej materii, zdolna do przyciągania i pochłaniania innych obiektów w przestrzeni. Zjawisko czarnych dziur nadal nie istnieje. Wszystkie dostępne dane są jedynie teoriami i założeniami naukowców-astronomów.
Nazwę „czarna dziura” wymyślił naukowiec J.A. Wheelera w 1968 roku na Uniwersytecie Princeton.
Istnieje teoria, że czarne dziury to gwiazdy, ale niezwykłe, np. neutronowe. Czarna dziura - - ponieważ ma bardzo dużą gęstość luminescencji i nie emituje żadnego promieniowania. Dlatego nie jest widoczny ani w podczerwieni, ani w promieniach rentgenowskich, ani w promieniach radiowych.
Francuski astronom P. Laplace odkrył tę sytuację 150 lat przed czarnymi dziurami. Według jego argumentacji, jeśli ma gęstość równą gęstości Ziemi i średnicę 250 razy większą od średnicy Słońca, to dzięki swojej grawitacji nie pozwala promieniom świetlnym rozchodzić się po Wszechświecie i dlatego pozostaje niewidzialny. Zakłada się zatem, że czarne dziury są najpotężniejszymi obiektami emitującymi we Wszechświecie, ale nie mają stałej powierzchni.
Właściwości czarnych dziur
Wszystkie rzekome właściwości czarnych dziur opierają się na teorii względności, wyprowadzonej w XX wieku przez A. Einsteina. Żadne tradycyjne podejście do badania tego zjawiska nie dostarcza żadnego przekonującego wyjaśnienia zjawiska czarnych dziur.
Główną właściwością czarnej dziury jest zdolność do zaginania czasu i przestrzeni. Każdy poruszający się obiekt złapany w jego polu grawitacyjnym nieuchronnie zostanie wciągnięty, ponieważ... w tym przypadku wokół obiektu pojawia się gęsty wir grawitacyjny, rodzaj lejka. Jednocześnie zmienia się pojęcie czasu. Naukowcy, na podstawie obliczeń, nadal są skłonni do wniosku, że czarne dziury nie są ciałami niebieskimi w ogólnie przyjętym znaczeniu. To są naprawdę pewnego rodzaju dziury, tunele czasoprzestrzenne, zdolne je zmieniać i zagęszczać.
Czarna dziura to zamknięty obszar przestrzeni, w którym skompresowana jest materia i z której nic, nawet światło, nie może uciec.
Według obliczeń astronomów, przy potężnym polu grawitacyjnym, jakie istnieje wewnątrz czarnych dziur, żaden obiekt nie może pozostać nienaruszony. Natychmiast zostanie rozerwany na miliardy kawałków, zanim w ogóle dostanie się do środka. Nie wyklucza to jednak możliwości wymiany cząstek i informacji za ich pomocą. A jeśli czarna dziura ma masę co najmniej miliard razy większą od masy Słońca (supermasywną), wówczas teoretycznie możliwe jest, że obiekty będą się przez nią przemieszczać bez rozerwania przez grawitację.
Są to oczywiście tylko teorie, gdyż badania naukowców są wciąż zbyt dalekie od zrozumienia, jakie procesy i możliwości kryją czarne dziury. Całkiem możliwe, że coś podobnego może wydarzyć się w przyszłości.