Czarne dziury to chyba najbardziej tajemnicze i zagadkowe obiekty astronomiczne w naszym Wszechświecie, od chwili ich odkrycia przyciągają uwagę naukowców i pobudzają wyobraźnię pisarzy science fiction. Czym są czarne dziury i co reprezentują? Czarne dziury to wymarłe gwiazdy, które ze względu na swoje właściwości fizyczne mają tak dużą gęstość i tak potężną grawitację, że nawet światło nie może przed nimi uciec.

Historia odkrycia czarnych dziur

Po raz pierwszy teoretyczne istnienie czarnych dziur, na długo przed ich faktycznym odkryciem, zasugerował niejaki D. Michel (angielski ksiądz z Yorkshire, który w wolnym czasie interesuje się astronomią) już w 1783 roku. Według jego obliczeń, jeśli weźmiemy naszą i skompresujemy ją (we współczesnym języku komputerowym, zarchiwizujmy) do promienia 3 km, powstanie tak duża (po prostu ogromna) siła grawitacyjna, że ​​nawet światło nie będzie mogło jej opuścić . Tak pojawiło się pojęcie „czarnej dziury”, chociaż w rzeczywistości wcale nie jest ona czarna, właściwszym byłoby określenie „ciemna dziura”, bo to właśnie ma miejsce brak światła.

Później, w 1918 roku, wielki naukowiec Albert Einstein pisał o problematyce czarnych dziur w kontekście teorii względności. Ale dopiero w 1967 roku, dzięki wysiłkom amerykańskiego astrofizyka Johna Wheelera, koncepcja czarnych dziur ostatecznie zyskała miejsce w kręgach akademickich.

Tak czy inaczej, D. Michel, Albert Einstein i John Wheeler w swoich pracach zakładali jedynie teoretyczne istnienie tych tajemniczych ciał niebieskich w przestrzeni kosmicznej, ale prawdziwe odkrycie czarnych dziur miało miejsce w 1971 roku, to właśnie wtedy po raz pierwszy zauważono w teleskopie.

Tak wygląda czarna dziura.

Jak powstają czarne dziury w kosmosie

Jak wiemy z astrofizyki, wszystkie gwiazdy (w tym nasze Słońce) mają ograniczone zasoby paliwa. I chociaż życie gwiazdy może trwać miliardy lat świetlnych, prędzej czy później to warunkowe zaopatrzenie w paliwo dobiegnie końca, a gwiazda „gaśnie”. Procesowi „zanikania” gwiazdy towarzyszą intensywne reakcje, podczas których gwiazda ulega znacznej transformacji i w zależności od swojej wielkości może zamienić się w białego karła, gwiazdę neutronową lub czarną dziurę. Co więcej, największe gwiazdy o niesamowicie imponujących rozmiarach zwykle zamieniają się w czarną dziurę - w wyniku kompresji tych najbardziej niesamowitych rozmiarów następuje wielokrotny wzrost masy i siły grawitacyjnej nowo powstałej czarnej dziury, która zamienia się w rodzaj galaktycznego odkurzacza - pochłaniającego wszystko i wszystkich wokół.

Czarna dziura połyka gwiazdę.

Mała uwaga – nasze Słońce, jak na standardy galaktyczne, wcale nie jest dużą gwiazdą i po jego wygaśnięciu, które nastąpi za około kilka miliardów lat, najprawdopodobniej nie zamieni się w czarną dziurę.

Ale bądźmy z tobą szczerzy - dzisiaj naukowcy nie znają jeszcze wszystkich zawiłości powstawania czarnej dziury; niewątpliwie jest to niezwykle złożony proces astrofizyczny, który sam w sobie może trwać miliony lat świetlnych. Chociaż możliwy jest postęp w tym kierunku, mogłoby nastąpić odkrycie i późniejsze badanie tzw. czarnych dziur pośrednich, czyli gwiazd w stanie wymarcia, w których zachodzi aktywny proces powstawania czarnych dziur. Nawiasem mówiąc, podobną gwiazdę odkryli astronomowie w 2014 roku w ramieniu galaktyki spiralnej.

Ile czarnych dziur jest we wszechświecie?

Według teorii współczesnych naukowców w naszej galaktyce Drogi Mlecznej może znajdować się nawet setki milionów czarnych dziur. Nie mniej może ich być w naszej sąsiedniej galaktyce, do której z naszej Drogi Mlecznej nie ma co latać - 2,5 miliona lat świetlnych.

Teoria czarnej dziury

Pomimo ogromnej masy (która jest setki tysięcy razy większa od masy naszego Słońca) i niesamowita siła grawitacji, zobaczenie czarnych dziur przez teleskop nie było łatwe, ponieważ w ogóle nie emitują światła. Naukowcom udało się zauważyć czarną dziurę dopiero w momencie jej „posiłku” – absorpcji innej gwiazdy, w tym momencie pojawia się charakterystyczne promieniowanie, które można już zaobserwować. Tym samym teoria czarnej dziury znalazła faktyczne potwierdzenie.

Właściwości czarnych dziur

Główną właściwością czarnej dziury są jej niesamowite pola grawitacyjne, które nie pozwalają otaczającej przestrzeni i czasu pozostać w swoim zwykłym stanie. Tak, dobrze słyszeliście, czas wewnątrz czarnej dziury płynie wielokrotnie wolniej niż zwykle, a gdybyś tam był, to wracając (oczywiście gdybyś miał szczęście) ze zdziwieniem zauważyłbyś, że minęły wieki na Ziemi, a ty nawet się nie zestarzejesz, zdążyłeś na czas. Chociaż bądźmy szczerzy, gdybyś znalazł się w czarnej dziurze, raczej byś nie przeżył, ponieważ siła grawitacji jest tam taka, że ​​każdy obiekt materialny zostałby po prostu rozerwany na kawałki, nawet na atomy.

Ale gdybyś był choćby blisko czarnej dziury, w zasięgu jej pola grawitacyjnego, również byś miał trudności, ponieważ im bardziej opierasz się jej grawitacji, próbując odlecieć, tym szybciej w nią wpadniesz. Powodem tego pozornie paradoksalnego jest pole wirowe grawitacyjne, które posiadają wszystkie czarne dziury.

A co jeśli ktoś wpadnie do czarnej dziury?

Parowanie czarnych dziur

Odkrył angielski astronom S. Hawking ciekawy fakt: Czarne dziury również wydają się emitować parowanie. To prawda, że ​​\u200b\u200bdotyczy to tylko otworów o stosunkowo małej masie. Otaczająca je potężna grawitacja rodzi pary cząstek i antycząstek, jedna z nich jest wciągana przez dziurę, a druga wyrzucana na zewnątrz. Zatem czarna dziura emituje twarde antycząstki i promienie gamma. To parowanie, czyli promieniowanie z czarnej dziury, zostało nazwane na cześć naukowca, który ją odkrył – „promieniowaniem Hawkinga”.

Największa czarna dziura

Według teorii czarnej dziury w centrach niemal wszystkich galaktyk znajdują się ogromne czarne dziury o masach od kilku milionów do kilku miliardów mas Słońca. Stosunkowo niedawno naukowcy odkryli dwie największe znane dotychczas czarne dziury; znajdują się one w dwóch pobliskich galaktykach: NGC 3842 i NGC 4849.

NGC 3842 to najjaśniejsza galaktyka w konstelacji Lwa, położona 320 milionów lat świetlnych od nas. W jej centrum znajduje się ogromna czarna dziura ważąca 9,7 miliarda mas Słońca.

NGC 4849, galaktyka w gromadzie Coma, oddalona o 335 milionów lat świetlnych, może poszczycić się równie imponującą czarną dziurą.

Pole grawitacyjne tych gigantycznych czarnych dziur, czyli w kategoriach akademickich, ich horyzont zdarzeń, jest w przybliżeniu 5 razy większe od odległości od Słońca do ! Taka czarna dziura pochłonęłaby nasz Układ Słoneczny i nawet się nie udławiła.

Najmniejsza czarna dziura

Ale w ogromnej rodzinie czarnych dziur są też bardzo mali przedstawiciele. Zatem najbardziej karłowata czarna dziura odkryta do tej pory przez naukowców ma masę zaledwie 3 razy większą od masy naszego Słońca. W rzeczywistości jest to teoretyczne minimum wymagane do powstania czarnej dziury; gdyby gwiazda była nieco mniejsza, dziura by nie powstała.

Czarne dziury to kanibale

Tak, istnieje takie zjawisko, jak pisaliśmy powyżej, czarne dziury są rodzajem „galaktycznych odkurzaczy”, które pochłaniają wszystko wokół siebie, w tym… inne czarne dziury. Niedawno astronomowie odkryli, że czarna dziura z jednej galaktyki została zjadana przez jeszcze większego czarnego żarłoka z innej galaktyki.

• Według hipotez niektórych naukowców czarne dziury to nie tylko galaktyczne odkurzacze, wsysające wszystko w siebie, ale w pewnych okolicznościach same mogą rodzić nowe wszechświaty.
• Czarne dziury mogą z czasem wyparować. Pisaliśmy powyżej, że angielski naukowiec Stephen Hawking odkrył, że czarne dziury mają właściwość promieniowania i po pewnym, bardzo długim czasie, gdy nie ma już nic do wchłonięcia, czarna dziura zacznie bardziej parować, aż z czasem da całą swoją masę do otaczającej przestrzeni. Choć to tylko założenie, hipoteza.
• Czarne dziury spowalniają czas i zaginają przestrzeń. O dylatacji czasu pisaliśmy już, ale przestrzeń w warunkach czarnej dziury również będzie całkowicie zakrzywiona.
• Czarne dziury ograniczają liczbę gwiazd we Wszechświecie. Mianowicie ich pola grawitacyjne uniemożliwiają ochłodzenie obłoków gazu w kosmosie, z których, jak wiadomo, rodzą się nowe gwiazdy.

Czarne dziury na Discovery Channel, wideo

Podsumowując, oferujemy ciekawy dokument naukowy o czarnych dziurach z Discovery Channel

„Technologia dla młodzieży” 1976 nr 4, s. 44-48

Jeden z dni konferencji „Człowiek i Przestrzeń” poświęcony był ciałom kosmicznym wypełniającym nasz wszechświat: cząstkom, polom, gwiazdom, galaktykom, gromadom galaktyk…

Publikujemy przegląd doniesień na ten temat z konferencji - referat akademika Y. ZELDOVICHA „Pola i cząstki we wszechświecie”, a także trzy raporty poświęcone badaniu obserwowalnych przejawów najbardziej unikalnych obiektów we wszechświecie nasz wszechświat – „czarne dziury”. Raporty te przedstawili kierownicy sektorów Instytutu badania kosmiczne Akademia Nauk ZSRR, doktorowie nauk fizycznych i matematycznych I. NOVIKOV i R. SYUNYAEV oraz pracownik naukowy Państwowy Instytut Astronomiczny im. P.K. Sternberga, kandydata nauk fizycznych i matematycznych N. SHAKURY.

Od kilkudziesięciu lat świat astronomiczny niepokoi problem istnienia we wszechświecie „czarnych dziur” – niesamowitych obiektów przewidywanych przez fizyków na podstawie ogólnej teorii względności A. Einsteina. „Czarne dziury” to ciała materialne sprasowane siłami własnej grawitacji do takich rozmiarów, że ani światło, ani żadne inne cząstki nie mogą opuścić powierzchni i udać się w nieskończoność.

Wszyscy doskonale znają koncepcję drugiej prędkości ucieczki. Jest to prędkość początkowa, jaką musi nadać statkowi kosmicznemu (lub innemu obiektowi) na powierzchni Ziemi, aby pokonać siły grawitacyjne przyciąganie i wycofanie przestrzeń kosmiczna. Liczbowo wynosi ona 11,2 km/s.

Wyobraźmy sobie teraz sytuację hipotetyczną statek kosmiczny, zaczynając od powierzchni gwiazdy, na przykład naszego Słońca. Aby mogła uwolnić się z „objęć grawitacyjnych” gwiazdy, będzie potrzebowała prędkości setek kilometrów na sekundę. W ogólnym przypadku druga prędkość ucieczki zależy od masy M i promienia R ciała i jest zdeterminowana przez wszystko dobrze znana formuła: (G jest stałą oddziaływania grawitacyjnego). Oczywiście im mniejszy promień R ciała o danej masie M, tym silniejsze jest jego pole grawitacyjne większa wartość druga prędkość ucieczki.

Wciąż na końcu XVII wiek Słynny francuski naukowiec Pierre Simon Laplace w pewnym sensie przewidział „czarne dziury”, zadając pytanie: do jakiego rozmiaru należy skompresować ciało, aby prędkość ucieczki z jego powierzchni była równa prędkości światła c = 300 000 km/s ? Podstawiając wartość prędkości światła c = 300 000 km/s do wyrażenia na drugą prędkość kosmiczną, znajdujemy wartość promienia

Dla Ziemi jest to zaledwie 3 cm, dla Słońca – 3 km. Zatem, jeśli używasz dowolnego wpływ zewnętrzny Gdyby było możliwe ściśnięcie tych ciał do promienia Rg, to nie wypromieniowywałyby one niczego na zewnątrz, gdyż należałoby nadać cząstkom prędkość początkową większą od prędkości światła, ale ta ostatnia, jak wiemy dzisiaj, jest maksymalna możliwa prędkość cząstek materiału.

Prawdziwe rozmiary Ziemi i innych planet. Słońce i inne gwiazdy są tysiące razy większe niż promień Rg i przez długi czas naukowcy tak zakładali siły wewnętrzne ciśnienie substancji nie pozwoli jej skurczyć się do promienia krytycznego. Ale w latach 30. naszego stulecia kilku fizyków (jednym z nich był akademik L. Landau) wykazało, że wystarczająco masywne gwiazdy na koniec swojej ewolucji powinny zamienić się w „czarne dziury”, czyli skurczyć się do takich rozmiarów, że grawitacja pole blokuje promieniowanie emanujące z ich powierzchni. Proces kompresji masywnych gwiazd jest nieodwracalny: żadne superpotężne siły odpychające pomiędzy cząstkami nie są w stanie zapobiec kompresji gwiazdy niemal do Rg. Ten proces nieodwracalnej katastrofalnej kompresji nazywa się zapadnięcie grawitacyjne, a promień krytyczny R g nazywa się promień grawitacyjny ciała.

Wiemy, że mechanika Newtona nie ma zastosowania, gdy prędkość ruchu cząstek jest porównywalna z prędkością światła. W tym przypadku stosowana jest szczególna teoria względności. A do opisu silnych pól grawitacyjnych i ruchu materii w nich zamiast teorii grawitacji Newtona posługują się także ogólną teorią względności, czyli, jak to się nazywa, relatywistyczną teorią grawitacji Einsteina. Uderzające było to, że obliczenie promienia grawitacyjnego było dokładne teoria relatywistyczna grawitacja doprowadziła do tej samej wartości: , którą Laplace obliczył ponad półtora wieku temu. Jednak zgodnie z teorią Newtona, niezależnie od tego, jak ogromną masę materii przyjmiemy, zawsze może ona znajdować się w stanie równowagi. Chociaż istnieje dla niego pojęcie promienia grawitacyjnego, to rozmiar ciała, zgodnie z teorią Newtona, jest zawsze większy.

Nie ma to miejsca w przypadku dokładnej teorii relatywistycznej. Okazuje się, że jeśli masa substancji przekroczy pewną wartość krytyczną, to po utracie energii cieplnej musi się ona zapaść pod wpływem sił grawitacyjnych. Ta wartość masy krytycznej wynosi w przybliżeniu 2-3 masy naszego Słońca (2-3 Ms).

We wszechświecie obserwujemy miliardy gwiazd o masach zarówno kilkudziesięciu razy mniejszych od masy Słońca, jak i kilkudziesięciu razy większych. Gwiazdy tracą energię cieplną w formie promieniowanie elektromagnetyczne z powierzchni. Im większa masa gwiazdy, tym większa jest jej jasność. Zatem gwiazda o masie dziesięciokrotnie większej od masy Słońca ma dziesięć tysięcy razy większą jasność.

Długoterminowe straty energii są kompensowane przez reakcje syntezy termojądrowej zachodzące w głębokich wnętrzach gwiazd. Ale po wyczerpaniu się zasobów jądrowych gwiazda zaczyna się ochładzać. Obliczenia pokazują, że gwiazdy takie jak nasze Słońce wypalają swoje rezerwy w ciągu około 10 miliardów lat 1, a o masie dziesięciokrotnie większej – po 10 milionach lat. W końcu ich jasność jest 10 000 razy większa. Gdy gwiazda zaczyna się ochładzać, zaczyna się kurczyć pod wpływem sił grawitacyjnych. W zależności od masy, kompresja prowadzi do trzech różne typy obiektów (patrz ryc. 1). Gwiazdy o masach rzędu Słońca zamieniają się w białe karły – ciała dość gęste (gęstość 10 5 – 10 9 g/cm 3), posiadające wymiary porównywalne z promieniem Ziemi. Siła grawitacji białych karłów jest równoważona przez ciśnienie zdegenerowanych elektronów, co wynika z właściwości kwantowych gęstego gazu elektronowego. Dla gwiazd o masie większej niż 1,2 Ms. ciśnienie zdegenerowanych elektronów nie jest już w stanie przeciwdziałać rosnącej sile grawitacji i takie gwiazdy nadal się kurczą. Jeżeli wartość masy nie przekracza 2-3 Ms, wówczas jej ściskanie zatrzymuje się na gęstości jądro atomowe 10 14 -10 15 g/cm 3 . Przy tej gęstości substancja prawie całkowicie przekształca się w neutrony, a siła grawitacji równoważy ciśnienie zdegenerowanego gazu neutronowego. Naturalnie takie obiekty nazywano gwiazdami neutronowymi. Promień gwiazdy neutronowej wynosi zaledwie kilka kilometrów. Kompresja pierwotnej gwiazdy o promieniu milionów kilometrów do rozmiarów dziesięciu kilometrów następuje natychmiast (w rozumieniu astrofizyki, czyli z prędkością swobodnego spadania - około godziny), a w ciągu krótki czas Wydziela się gigantyczna ilość energii. Zewnętrzne części gwiazdy dosłownie eksplodują i odlatują z prędkością dziesiątek tysięcy kilometrów na sekundę. Większość energii emitowana jest w postaci fal elektromagnetycznych, dzięki czemu jasność gwiazdy w ciągu kilku dni staje się porównywalna z całkowitą jasnością wszystkich gwiazd w Galaktyce. Eksplozja ta nazywana jest eksplozją supernowej.

1 Dzisiejszy wiek Słońca wynosi 5 miliardów lat.

Wreszcie, jeśli masa gwiazdy przekracza trzykrotną masę Słońca, wówczas żadne siły odpychające nie są w stanie zatrzymać procesu kompresji, który kończy się relatywistycznym zapadnięciem się wraz z utworzeniem „czarnej dziury”.

Nie oznacza to jednak, że powstałe obiekty kosmiczne będą miały proporcjonalne masy. Akademik Ya. Zeldovich szczegółowo opisał przyczyny tych rozbieżności w swoim raporcie. Siły grawitacyjne charakteryzują się defektem masy. Mogą wystąpić warunki, gdy defekt masy grawitacyjnej osiągnie 30, 50, a nawet 99%.

Obliczenia teoretyczne podają kilka sposobów stworzenia „czarnej dziury” (ryc. 2). Po pierwsze, możliwy jest bezpośredni zapadnięcie się masywnej gwiazdy, podczas którego jasność pierwotnej gwiazdy, postrzegana przez odległego obserwatora, gwałtownie spadnie. Z fioletu gwiazda szybko staje się czerwona, następnie podczerwona, a następnie całkowicie gaśnie. Chociaż nadal będzie emitować energię, pole grawitacyjne stanie się tak silne, że ścieżki fotonów zostaną zwrócone z powrotem w stronę zapadającej się gwiazdy. Możliwy jest także następujący sposób: centralne części gwiazdy zostają skompresowane w gęsty, gorący rdzeń neutronowy o masie większej od masy krytycznej, a następnie po szybkim ochłodzeniu (w ciągu około kilkudziesięciu sekund) masywna gwiazda neutronowa zapada się dalej w „czarną dziurę”. Ten dwuetapowy proces powoduje, że zewnętrzne części gwiazdy eksplodują niczym supernowa, tworząc normalną gwiazdę neutronową. Wreszcie „czarna dziura” może powstać z gwiazdy neutronowej dziesiątki milionów lat po wybuchu supernowej, kiedy masa gwiazdy neutronowej w wyniku upadku otaczającej ją materii międzygwiazdowej na jej powierzchnię przekracza wartość krytyczną.

Czy możliwe jest zaobserwowanie trzech typów końcowych obiektów ewolucji gwiazd: białych karłów, gwiazd neutronowych i „czarnych dziur”?

Historycznie rzecz biorąc, okazało się, że białe karły odkryto na długo przed zrozumieniem teorii ewolucji gwiazd. Zaobserwowano je jako zwarte białe gwiazdy o wysokich temperaturach powierzchniowych. Skąd jednak biorą energię, skoro zgodnie z teorią nie ma w nich źródeł energii jądrowej? Okazuje się, że świecą dzięki zapasom energii cieplnej, jakie pozostały z poprzednich, gorących etapów ewolucji. Mając małą powierzchnię, gwiazdy te bardzo oszczędnie tracą energię. Powoli ochładzają się i w ciągu około setek milionów lat zamieniają się w czarne karły, czyli stają się zimne i niewidzialne.

Gwiazdy neutronowe mają więcej szczęścia. Po raz pierwszy teoretycy odkryli je „na czubku pióra”, a prawie 30 lat po przewidywaniach odkryto je jako źródła kosmicznego promieniowania ściśle okresowego – pulsary. (Za to odkrycie A. Huish, lider grupy angielskich astronomów, który odkrył pierwszy pulsar, otrzymał Nagrodę Nobla.) Pulsary obserwuje się z okresami powtarzania impulsów wahającymi się od setnych części sekundy w przypadku najmłodszych pulsarów do kilku sekund dla pulsarów, których wiek wynosi dziesiątki milionów lat. Okresowość pulsarów jest związana z ich szybkim obrotem wokół własnej osi.

Wyobraź sobie reflektor umieszczony na powierzchni obracającego się obiektu. Jeśli znajdziesz się na drodze wiązki światła z takiego obiektu, zobaczysz, że promieniowanie z niego będzie przychodzić w postaci oddzielnych impulsów o okresie równym okresowi obrotu obiektu - będzie to przybliżone, przybliżony, ale zasadniczo poprawny model pulsara. Dlaczego promieniowanie z powierzchni gwiazdy neutronowej ucieka w wąskim stożku kątów, jak wiązka światła z reflektora? Okazuje się, że dzięki silnemu polu magnetycznemu o wartości 10 11 -10 12 g gwiazda neutronowa emituje energię tylko wzdłuż linii pola od biegunów magnetycznych, co w wyniku rotacji prowadzi do pojawienia się pulsara jako kosmiczna latarnia. Ciekawe, że energia emitowana w przestrzeń kosmiczną jest pobierana z jego energii rotacyjnej, a okres rotacji pulsara stopniowo wzrasta. Od czasu do czasu na ten płynny wzrost okresu nakładają się zakłócenia częstotliwości, kiedy pulsar niemal natychmiast zmniejsza wartość okresu. Te zakłócenia są powodowane przez „trzęsienie gwiazd” gwiazdy neutronowej. W miarę zwalniania rotacji stałej skorupy gwiazdy neutronowej (patrz rys. 3) stopniowo kumulują się naprężenia mechaniczne, a gdy naprężenia te przekroczą granicę wytrzymałości, następuje nagłe uwolnienie energii i skorupa stała ulega restrukturyzacji - wraz z takiej restrukturyzacji pulsar natychmiast skraca swój okres rotacji.

Jak emitują czarne dziury?

Zewnętrzne pole grawitacyjne to wszystko, co pozostaje z gwiazdy po jej zapadnięciu się i przekształceniu w „czarną dziurę”. Całe bogactwo cechy zewnętrzne gwiazdy - pole magnetyczne, skład chemiczny, widmo promieniowania - zanika w procesie zapadania się grawitacyjnego. Wyobraźmy sobie przez chwilę fantastyczną sytuację, gdy nasza Ziemia znalazłaby się obok „czarnej dziury” (ryc. 4). Ziemia nie zaczęłaby po prostu wpadać do czarnej dziury, ale siły pływowe zaczęłyby deformować Ziemię, wciągając ją w plamę, zanim została całkowicie wchłonięta przez czarną dziurę.

„Czarna dziura” pozbawiona rotacji charakteryzuje się jedynie wartością promienia grawitacyjnego R g, który ogranicza w sąsiedztwie „czarnej dziury” kulę, spod której nie mogą wychodzić żadne sygnały. Jeśli „czarna dziura” również ma moment pędu obrotu, wówczas nad promieniem grawitacyjnym pojawia się obszar zwany ergosferą. Będąc w ergosferze, cząstka nie może pozostać w spoczynku. Kiedy cząstka rozpada się z ergosfery, można wydobyć energię - jeden fragment wpada do „czarnej dziury”, a drugi odlatuje w nieskończoność, zabierając ze sobą nadmiar energii (patrz rysunek na stronie 44).

Poszukiwania „czarnych dziur” w naszej Galaktyce są najbardziej obiecujące w układach podwójnych gwiazd. Ponad 50% gwiazd należy do układów podwójnych. Niech jeden z nich zamieni się w „czarną dziurę”. Jeśli ta druga znajdzie się w wystarczająco bezpiecznej odległości, czyli siły pływowe jej nie zniszczą, a jedynie nieznacznie odkształcą, to takie dwie gwiazdy nadal będą się obracać wokół wspólnego środka ciężkości, ale jedna z nich będzie niewidoczna. Radzieccy naukowcy, akademik Y. Zeldovich i O. Guseinov, w 1965 roku zaproponowali poszukiwanie „czarnych dziur” wśród tych układów podwójnych, w których bardziej masywny składnik jest niewidoczny. Późniejsze badania wykazały, że jeśli gwiazda optyczna utraci materię ze swojej powierzchni, wokół czarnej dziury może pojawić się jasne halo. A teraz wszystkie nadzieje astronomów wiążą się z badaniem interakcji „czarnych dziur” z otaczającą je materią.

Sferyczny spadek zimnej materii na „czarną dziurę” nie prowadzi do zauważalnego uwolnienia energii: „czarna dziura” nie ma powierzchni, na której po uderzeniu materia zatrzymałaby się i uwolniła swoją energię. Ale, jak akademik Ya. Zeldovich i amerykański astrofizyk E. Salpeter wykazali niezależnie w 1964 r., jeśli „czarna dziura” zostanie „wydmuchana” przez ukierunkowany przepływ gazu, wówczas pojawia się za nią silna fala uderzeniowa, w której gaz jest podgrzewany do temperatury. dziesiątki milionów stopni i zaczyna emitować widmo w zakresie rentgenowskim. Dzieje się tak, gdy gwiazda optyczna zostaje wyrzucona przez wiatr gwiazdowy, a jej wymiary są małe w porównaniu z jakąś krytyczną wnęką zwaną płatem Roche'a (ryc. 5a). Jeśli gwiazda wypełnia cały płat Roche'a, wówczas wypływ następuje przez „wąską szyję” (ryc. 56), a wokół „czarnej dziury” tworzy się dysk. Materia w dysku, tracąc prędkość, opada powoli wijącą się spiralą w stronę „czarnej dziury”. Podczas upadku część energii grawitacyjnej zamienia się w ciepło i podgrzewa dysk. Najbardziej nagrzewają się obszary dysku znajdujące się w pobliżu „czarnej dziury”. Temperatura w nich wzrasta do kilkudziesięciu milionów stopni, w wyniku czego dysk, podobnie jak w przypadku fali uderzeniowej, emituje główną część energii w zakresie rentgenowskim.

Podobny obraz uzyskamy, jeśli zamiast „czarnej dziury” w układzie podwójnym pojawi się gwiazda neutronowa (ryc. 5c). Jednak gwiazda neutronowa ma silne pole magnetyczne. Pole to kieruje opadającą materię w rejon biegunów magnetycznych, gdzie uwalniana jest większość energii w zakresie rentgenowskim. Gdy taka gwiazda neutronowa będzie się obracać, zaobserwujemy zjawisko pulsara rentgenowskiego.

Obecnie otwarte duża liczba kompaktowe źródła promieniowania rentgenowskiego jako część układów podwójnych. Zostały odkryte poprzez regularne wyłączanie promieniowania podczas zaćmienia źródła przez sąsiednią gwiazdę optyczną. Jeśli samo promieniowanie jest dodatkowo modulowane, to najprawdopodobniej jest to gwiazda neutronowa. Jeśli nie, istnieje powód, aby uznać takie źródło za „czarną dziurę”. Szacunki ich mas, które można dokonać na podstawie praw Keplera, wykazały, że są one większe od granicy krytycznej dla gwiazdy neutronowej. Najdokładniej zbadanym źródłem jest Cygnus X-1 o masie większej niż 10Ms. Ze względu na wszystkie swoje cechy jest to „czarna dziura”.

Przez długi czas większość astrofizyków uważała, że ​​izolowana „czarna dziura” pozbawiona otaczających ją cząstek nie promieniuje. Jednak kilka lat temu słynny angielski astrofizyk S. Hawking wykazał, że nawet całkowicie odizolowana „czarna dziura” powinna emitować w przestrzeń kosmiczną fotony, neutrina i inne cząstki. Ten przepływ energii jest spowodowany zjawiskami kwantowymi tworzenia cząstek w silnym zmiennym polu grawitacyjnym. Podczas zapadania się gwiazda asymptotycznie zbliża się do wartości promienia grawitacyjnego i osiągnie ją dopiero w nieskończenie długim czasie. W pustce wokół „czarnej dziury” zawsze istnieje małe, niestatyczne pole. A w polach niestatycznych powinny rodzić się nowe cząstki. Hawking szczegółowo obliczył proces promieniowania z „czarnych dziur” i pokazał, że z biegiem czasu „czarne dziury” stają się mniejsze, wydają się kurczyć i zmniejszać do dowolnie małych rozmiarów. Zgodnie z otrzymanymi wzorami promieniowanie kwantowe „czarnej dziury” charakteryzuje się temperaturą T ~ 10 -6 Ms/M°K. Zatem, jeśli masa „czarnej dziury” jest rzędu Słońca, wówczas efektywna temperatura promieniowania jest znikoma - 10 -6 °K. Możesz także obliczyć czas życia „czarnej dziury”: lata. Czas ten dla „czarnych dziur” o masach gwiazdowych jest kolosalnie długi, a procesy Hawkinga nie wpływają na obserwowane przejawy „czarnych dziur” w układach podwójnych.

Około dziesięć lat temu we wszechświecie odkryto najbardziej niesamowite i wciąż nierozwiązane obiekty - kwazary. Jasność kwazarów jest setki razy większa niż jasność nawet bardzo dużych galaktyk, to znaczy kwazary świecą mocniej niż setki miliardów gwiazd. Wraz z potwornie wysoką jasnością, jeszcze jedna niesamowity fakt- w ciągu kilku lat, a nawet miesięcy strumień promieniowania kwazarów może zmieniać się dziesiątki razy. Zmienność promieniowania wskazuje, że jest ono generowane w bardzo zwartym obszarze o wymiarach nie większych niż rozmiar Układu Słonecznego. To bardzo mało jak na obiekt o kolosalnej jasności. Co to za ciała?

Teoretycy zaproponowali kilka modeli. Jedna z nich sugeruje obecność supermasywnej gwiazdy o masie 10 milionów razy większej od masy naszego Słońca. Taka gwiazda emituje dużo energii, ale jej czas życia jest bardzo krótki w skali kosmicznej: zaledwie kilkadziesiąt tysięcy lat, po czym ochładza się i zapada w „czarną dziurę”. Inny model sugerował, że kwazar jest gromadą dziesiątek milionów gorących, masywnych gwiazd (ryc. 6). Gwiazdy będą się zderzać, sklejać, staną się masywniejsze i ewoluują. W takim przypadku często będą miały miejsce eksplozje supernowych i obserwowane będzie uwolnienie kolosalnej energii. Ale nawet w tym przypadku bliska gromada gwiazd zamienia się w supermasywną „czarną dziurę”.

Angielski astrofizyk D. Linden-Lell jako pierwszy pomyślał o tym, w jaki sposób można wykryć tak supermasywną „czarną dziurę”. Pokazał, że upadek gazu międzygwiazdowego, który zawsze występuje w przestrzeni międzygwiazdowej wokół supermasywnej „czarnej dziury”, doprowadzi do uwolnienia kolosalnej energii. Wokół „czarnej dziury” pojawi się halo promieniowania o wszystkich właściwościach obserwowanych w kwazarach. Obecnie opracowano teorię promieniowania kwazarów jako supermasywnych „czarnych dziur”, w które wpada materia, jednak nie uzyskano jeszcze jednoznacznych dowodów na ten model.

Recenzję przygotował kandydat nauk fizycznych i matematycznych
NICHOLAY SHAKURA

Traktat o „czarnej dziurze” ALEKSANDER JANEL Co za farsa! Wiedz, nie bez powodu Astronom jest oszołomiony... W oddali odległego wszechświata gwiazdy się trzęsą: wtedy spęcznieją jak arbuzy, potem lecą do piekła, jakby zatopiony w kieszeniach kule bilardowe. Astronom przeszukuje niebo wzbudzając ciemność: Kto mi zabroni grać w karty? Co to jest „czarna dziura”? Bezwymiarowe łono! Świat zamknięty dla rejestracji! Albo jesteś śmieciarzem za uniwersalne nieczystości?! Jesteś szeroko otwarty wszystkopołykająca paszcza. Nie ma bardziej niebezpiecznego nieszczęścia: w tej otchłani jest otchłań. Nawet światło i nie jest w stanie Aby uciec z niewoli. I najbardziej nie do zniesienia - nie mrugaj do nikogo... Powiedz mi, za czym tęsknisz nieobecny wieczorem? Dlaczego istniejesz i dokąd prowadzisz, „dziurko”? ...Astronom w zapomnienie patrzy wściekle Jak chce do celu uwierz w swoją dobroć!

• w przeszłości w naszej galaktyce było wiele takich regionów;
• największe obszary gwiazdotwórcze są skupione wzdłuż ramion spiralnych i w kierunku centrum galaktyki;
• tam, gdzie dziś widzimy pulsary (pozostałości gwiazd neutronowych) i źródła promieniowania gamma, tam będą czarne dziury,

możemy zrobić mapę i pokazać na niej, gdzie będą czarne dziury.

SatelitaNASA Fermi sporządził wysokiej rozdzielczości mapę wysokich energii Wszechświata. Czarne dziury w mapowanej galaktyce prawdopodobnie będą podążać za emisją z niewielkim rozproszeniem i zostaną rozdzielone przez miliony pojedynczych źródeł

To jest mapa Fermiego źródeł promieniowania gamma na niebie. Jest podobna do mapy gwiazd naszej galaktyki, z tą różnicą, że znacznie uwydatnia dysk galaktyczny. Starsze źródła są zubożone w promieniowanie gamma, są więc stosunkowo nowymi źródłami punktowymi.

W porównaniu z tą mapą, mapa czarnej dziury będzie:

• bardziej skoncentrowany w centrum galaktyki;
• nieco bardziej rozmyta szerokość;
• obejmują zgrubienie galaktyczne;
• składają się ze 100 milionów obiektów, podaj lub przyjmij błąd.

Tworząc hybrydę mapy Fermiego (powyżej) i mapy galaktyk COBE (poniżej), możemy uzyskać ilościowy obraz lokalizacji czarnych dziur w galaktyce.

Galaktyka widoczna w podczerwieni zKOBE. Chociaż ta mapa pokazuje gwiazdy, czarne dziury będą miały podobny rozkład, aczkolwiek będą bardziej skompresowane w płaszczyźnie galaktycznej i bardziej scentralizowane w kierunku zgrubienia

Czarne dziury istnieją naprawdę, są powszechne, a zdecydowana większość z nich jest dziś niezwykle trudna do wykrycia. Wszechświat istnieje już od bardzo długiego czasu i chociaż widzimy ogromną liczbę gwiazd, większość najbardziej masywnych gwiazd – 95% lub więcej – już dawno umarła. Czym się stali? Około jedna czwarta z nich stała się czarnymi dziurami, a miliony wciąż się czają.

Czarna dziura miliardy razy masywniejsza od Słońca zasila strumień promieniowania rentgenowskiego w swoim centrumM87, ale w tej galaktyce muszą być miliardy innych czarnych dziur. Ich gęstość będzie skoncentrowana w centrum galaktyki

Galaktyki eliptyczne wirują czarne dziury, tworząc eliptyczny rój, który skupia się wokół centrum galaktyki, podobnie jak gwiazdy, które widzimy. Wiele czarnych dziur z czasem migruje do studni grawitacyjnej w centrum galaktyki – dlatego supermasywne czarne dziury stają się supermasywne. Ale nie widzimy jeszcze całego obrazu. I nie zobaczymy tego, dopóki nie nauczymy się jakościowej wizualizacji czarnych dziur.

Wobec braku bezpośredniej wizualizacji nauka daje nam tylko tyle i mówi nam coś niezwykłego: na każde tysiąc gwiazd, które dzisiaj widzimy, przypada około jednej czarnej dziury. Nieźle statystyki dla całkowicie niewidocznych obiektów, zgodzisz się.

Każda osoba zapoznająca się z astronomią prędzej czy później odczuwa silną ciekawość najbardziej tajemniczych obiektów Wszechświata - czarnych dziur. To prawdziwi władcy ciemności, zdolni „połknąć” każdy atom przechodzący w pobliżu i nie pozwolić, aby nawet światło uciekło - ich przyciąganie jest tak potężne. Obiekty te stanowią prawdziwe wyzwanie dla fizyków i astronomów. Ci pierwsi nie są jeszcze w stanie zrozumieć, co dzieje się z materią, która wpadła do wnętrza czarnej dziury, a ci drudzy, mimo że najbardziej energochłonne zjawiska w kosmosie tłumaczą istnieniem czarnych dziur, nigdy nie mieli okazji zaobserwować żadnego z nich bezpośrednio. Opowiemy Ci o tych interesujących obiektach niebieskich, dowiemy się, co już zostało odkryte i czego jeszcze trzeba się dowiedzieć, aby podnieść zasłonę tajemnicy.

Co to jest czarna dziura?

Nazwę „czarna dziura” (w języku angielskim – czarna dziura) zaproponował w 1967 roku amerykański fizyk teoretyczny John Archibald Wheeler (patrz zdjęcie po lewej). Służył do wyznaczania ciało niebieskie, którego przyciąganie jest tak silne, że nawet światło nie puszcza samo siebie. Dlatego jest „czarny”, bo nie emituje światła.

Obserwacje pośrednie

To jest powód takiej tajemnicy: ponieważ czarne dziury nie świecą, nie możemy ich zobaczyć bezpośrednio i zmuszeni jesteśmy ich szukać i badać, korzystając jedynie z pośrednich dowodów, które ich istnienie pozostawia w otaczającej przestrzeni. Innymi słowy, jeśli czarna dziura pochłania gwiazdę, nie widzimy czarnej dziury, ale możemy ją obserwować niszczycielskie skutki wpływem jego potężnego pola grawitacyjnego.

Intuicja Laplace’a

Chociaż wyrażenie „czarna dziura” na oznaczenie hipotetycznego końcowego etapu ewolucji gwiazdy, która zapadła się w siebie pod wpływem grawitacji, jest stosunkowo nowe, idea możliwości istnienia takich ciał zrodziła się już ponad dwie wieki temu. Anglik John Michell i Francuz Pierre-Simon de Laplace niezależnie postawili hipotezę o istnieniu „niewidzialnych gwiazd”; jednocześnie opierały się na zwykłych prawach dynamiki i prawie powszechnego ciążenia Newtona. Dziś czarne dziury otrzymały swój prawidłowy opis w oparciu o ogólną teorię względności Einsteina.

W swoim dziele „Wykład systemu światowego” (1796) Laplace napisał: „ jasna gwiazda o tej samej gęstości co Ziemia, o średnicy 250 razy większej niż średnica Słońca, dzięki swemu przyciąganiu grawitacyjnemu uniemożliwiałaby dotarcie do nas promieni świetlnych. Jest zatem możliwe, że z tego powodu największe i najjaśniejsze ciała niebieskie są niewidoczne.”

Niezwyciężona grawitacja

Pomysł Laplace'a opierał się na koncepcji prędkości ucieczki (drugiej prędkości kosmicznej). Czarna dziura jest tak gęstym obiektem, że jej przyciąganie może zatrzymać nawet światło, które rozwija największą prędkość w przyrodzie (prawie 300 000 km/s). W praktyce ucieczka z czarnej dziury wymaga prędkości większej niż prędkość światła, ale jest to niemożliwe!

Oznacza to, że gwiazda tego rodzaju będzie niewidoczna, ponieważ nawet światło nie będzie w stanie pokonać jej potężnej grawitacji. Einstein wyjaśnił ten fakt zjawiskiem załamania światła pod wpływem pola grawitacyjnego. W rzeczywistości w pobliżu czarnej dziury czasoprzestrzeń jest tak zakrzywiona, że ​​trajektorie promieni świetlnych również zamykają się wokół siebie. Aby zamienić Słońce w czarną dziurę, będziemy musieli skoncentrować całą jego masę w kuli o promieniu 3 km, a Ziemia będzie musiała zamienić się w kulę o promieniu 9 mm!

Rodzaje czarnych dziur

Około dziesięć lat temu obserwacje sugerowały istnienie dwóch rodzajów czarnych dziur: gwiazdowych, których masa jest porównywalna z masą Słońca lub nieznacznie ją przekracza, oraz supermasywnych, których masa waha się od kilkuset tysięcy do wielu milionów mas Słońca. Jednak stosunkowo niedawno zdjęcia rentgenowskie i widma o wysokiej rozdzielczości uzyskane ze sztucznych satelitów, takich jak Chandra i XMM-Newton, wydobyły na pierwszy plan trzeci typ czarnej dziury – o średniej masie tysiące razy przekraczającej masę Słońca. .

Gwiezdne czarne dziury

Gwiezdne czarne dziury stały się znane wcześniej niż inne. Powstają, gdy gwiazda o dużej masie na końcu swojej ścieżki ewolucyjnej wyczerpuje swoje zapasy paliwa jądrowego i zapada się w sobie pod wpływem własnej grawitacji. Eksplozja, która wstrząsa gwiazdą (zjawisko to znane jest jako „eksplozja supernowej”) ma katastrofalne skutki: jeśli jądro gwiazdy ma masę większą niż 10 razy większą od masy Słońca, żadna siła jądrowa nie jest w stanie oprzeć się zapadnięciu grawitacyjnemu, które spowoduje utworzenie czarnej dziury.

Supermasywne czarne dziury

Supermasywne czarne dziury, po raz pierwszy zaobserwowane w jądrach niektórych aktywnych galaktyk, mają inne pochodzenie. Istnieje kilka hipotez dotyczących ich narodzin: gwiezdna czarna dziura, która w ciągu milionów lat pożera wszystkie otaczające ją gwiazdy; gromada czarnych dziur łączących się ze sobą; kolosalna chmura gazu zapadająca się bezpośrednio w czarną dziurę. Te czarne dziury należą do najbardziej energetycznych obiektów w kosmosie. Znajdują się w centrach wielu, jeśli nie wszystkich, galaktyk. Nasza Galaktyka również ma taką czarną dziurę. Czasami, z powodu obecności takiej czarnej dziury, jądra tych galaktyk stają się bardzo jasne. Galaktyki z czarnymi dziurami w centrum, otoczone przez duża liczba spadająca materia, a zatem zdolna do wytworzenia kolosalnych ilości energii, nazywana jest „aktywną”, a jej jądra nazywane są „aktywnymi jądrami galaktycznymi” (AGN). Na przykład kwazary (najdalsze od nas obiekty kosmiczne dostępne dla naszych obserwacji) to aktywne galaktyki, w których widzimy jedynie bardzo jasne jądro.

Średnie i mini

Kolejną zagadką pozostają czarne dziury o średniej masie, które według ostatnich badań mogą znajdować się w centrach niektórych gromad kulistych, takich jak M13 i NCC 6388. Wielu astronomów jest sceptycznych wobec tych obiektów, ale niektórzy najnowsze badania sugerują obecność średnich czarnych dziur nawet w pobliżu centrum naszej Galaktyki. Angielski fizyk Stephen Hawking wysunął także teoretyczne założenie o istnieniu czwartego rodzaju czarnej dziury - „mini-dziury” o masie zaledwie miliarda ton (co jest w przybliżeniu równe masie duże góry). Chodzi o o obiektach pierwotnych, czyli tych, które pojawiły się w pierwszych chwilach życia Wszechświata, kiedy ciśnienie było jeszcze bardzo wysokie. Jednak do tej pory nie odkryto ani śladu ich istnienia.

Jak znaleźć czarną dziurę

Zaledwie kilka lat temu nad czarnymi dziurami zapaliło się światło. Dzięki stale udoskonalanym instrumentom i technologiom (zarówno naziemnym, jak i kosmicznym) obiekty te stają się coraz mniej tajemnicze; a dokładniej otaczająca je przestrzeń staje się mniej tajemnicza. W rzeczywistości, ponieważ sama czarna dziura jest niewidoczna, możemy ją rozpoznać tylko wtedy, gdy jest otoczona wystarczającą ilością materii (gwiazd i gorącego gazu) krążącej wokół niej w niewielkiej odległości.

Oglądanie systemów binarnych

Niektóre gwiezdne czarne dziury odkryto obserwując ruch orbitalny gwiazdy wokół niewidocznego towarzysza w układzie podwójnym. Zamknięte układy podwójne (czyli składające się z dwóch bardzo blisko siebie położonych gwiazd), w których jeden z towarzyszy jest niewidoczny, są ulubionym obiektem obserwacji astrofizyków poszukujących czarnych dziur.

Oznaką obecności czarnej dziury (lub gwiazdy neutronowej) jest silna emisja promieni rentgenowskich spowodowana złożonym mechanizmem, który można schematycznie opisać w następujący sposób. Dzięki swojej potężnej grawitacji czarna dziura może wyrwać materię ze swojej gwiazdy towarzyszącej; gaz ten rozprzestrzenia się, tworząc płaski dysk i spiralnie opadając do czarnej dziury. Tarcie powstałe w wyniku zderzeń cząstek spadającego gazu nagrzewa wewnętrzne warstwy dysku do kilku milionów stopni, co powoduje silne promieniowanie rentgenowskie.

Obserwacje rentgenowskie

Prowadzone od kilkudziesięciu lat obserwacje rentgenowskie obiektów w naszej Galaktyce i sąsiednich galaktykach pozwoliły wykryć zwarte źródła podwójne, z których kilkanaście to układy zawierające kandydatów na czarne dziury. Głównym problemem jest określenie masy niewidzialnego ciała niebieskiego. Masę (choć niezbyt dokładną) można wyznaczyć badając ruch towarzysza lub, co jest znacznie trudniejsze, mierząc natężenie promieniowania rentgenowskiego spadającej materii. Natężenie to jest powiązane równaniem z masą ciała, na które spada ta substancja.

Laureat Nagrody Nobla

Coś podobnego można powiedzieć o supermasywnych czarnych dziurach obserwowanych w jądrach wielu galaktyk, których masy szacuje się poprzez pomiar prędkości orbitalnych gazu wpadającego do czarnej dziury. W tym przypadku spowodowane silnym polem grawitacyjnym bardzo dużego obiektu szybki wzrost Prędkość obłoków gazu krążących w centrach galaktyk ujawniają obserwacje w zakresie radiowym, a także promieni optycznych. Obserwacje w zakresie rentgenowskim mogą potwierdzić zwiększone uwalnianie energii spowodowane wpadaniem materii do czarnej dziury. Badania nad promieniami rentgenowskimi rozpoczął na początku lat 60. XX wieku Włoch Riccardo Giacconi, który pracował w USA. W 2002 roku otrzymał Nagrodę Nobla w uznaniu jego „pionierskiego wkładu w astrofizykę, który doprowadził do odkrycia źródeł promieniowania rentgenowskiego w kosmosie”.

Cygnus X-1: pierwszy kandydat

Nasza Galaktyka nie jest odporna na obecność potencjalnych obiektów na czarną dziurę. Na szczęście żaden z tych obiektów nie znajduje się na tyle blisko nas, aby stanowić zagrożenie dla istnienia Ziemi układ słoneczny. Pomimo dużej liczby zidentyfikowanych kompaktowych źródeł promieniowania rentgenowskiego (a są to najbardziej prawdopodobni kandydaci na czarne dziury), nie mamy pewności, że faktycznie zawierają one czarne dziury. Jedynym spośród tych źródeł, które nie ma alternatywnej wersji, jest bliski układ podwójny Cygnus X-1, czyli najjaśniejsze źródło promieniowania rentgenowskiego w konstelacji Łabędzia.

Masywne gwiazdy

Układ ten, którego okres obiegu wynosi 5,6 dnia, składa się z bardzo jasnej niebieskiej gwiazdy duży rozmiar(jej średnica jest 20 razy większa od Słońca, a masa około 30 razy), łatwo widoczna nawet w twoim teleskopie, oraz niewidzialna druga gwiazda, której masę szacuje się na kilka mas Słońca (do 10). Druga gwiazda, znajdująca się w odległości 6500 lat świetlnych od nas, byłaby doskonale widoczna, gdyby była zwykła gwiazda. Jej niewidzialność, potężna emisja promieniowania rentgenowskiego wytwarzanego przez układ i wreszcie oszacowanie masy prowadzą większość astronomów do przekonania, że ​​jest to pierwsze potwierdzone odkrycie gwiezdnej czarnej dziury.

Wątpienie

Są jednak i sceptycy. Wśród nich jest jeden z największych badaczy czarnych dziur, fizyk Stephen Hawking. Założył się nawet ze swoim amerykańskim kolegą Keelem Thorne’em, zagorzałym zwolennikiem klasyfikacji obiektu Cygnus X-1 jako czarnej dziury.

Debata na temat tożsamości obiektu Cygnus X-1 to nie jedyny zakład Hawkinga. Poświęcił kilka dziewięciu lat badania teoretyczne czarnych dziur, przekonał się o błędności swoich wcześniejszych poglądów na temat tych tajemniczych obiektów. W szczególności Hawking założył, że materia po wpadnięciu do czarnej dziury znika na zawsze, a wraz z nią znika cały jej bagaż informacyjny. Był tego tak pewien, że w 1997 roku założył się na ten temat ze swoim amerykańskim kolegą Johnem Preskillem.

Przyznanie się do błędu

21 lipca 2004 roku w swoim przemówieniu na Kongresie Teorii Względności w Dublinie Hawking przyznał, że Preskill miał rację. Czarne dziury nie prowadzą do całkowitego zaniku materii. Co więcej, mają pewien rodzaj „pamięci”. Mogą zawierać ślady tego, co spożyli. Zatem poprzez „parowanie” (to znaczy powolne emitowanie promieniowania w wyniku efektu kwantowego) mogą zwrócić tę informację do naszego Wszechświata.

Czarne dziury w Galaktyce

Astronomowie wciąż mają wiele wątpliwości co do obecności gwiezdnych czarnych dziur (takich jak ta należąca do układu podwójnego Cygnus X-1) w naszej Galaktyce; ale wątpliwości co do supermasywnych czarnych dziur jest znacznie mniej.

W centrum

Nasza Galaktyka ma co najmniej jedną supermasywną czarną dziurę. Jego źródło, znane jako Sagittarius A*, jest dokładnie zlokalizowane w środku płaszczyzny Droga Mleczna. Jego nazwę tłumaczy fakt, że jest to najpotężniejsze źródło radiowe w konstelacji Strzelca. To w tym kierunku znajdują się zarówno geometryczne, jak i fizyczne centra naszego układu galaktycznego. Znajdująca się w odległości około 26 000 lat świetlnych supermasywna czarna dziura powiązana ze źródłem fal radiowych Sagittarius A* ma masę szacowaną na około 4 miliony mas Słońca i mieści się w przestrzeni, której objętość jest porównywalna z objętością Układu Słonecznego. Przyczyniła się do tego względna bliskość nas (ta supermasywna czarna dziura jest bez wątpienia najbliższa Ziemi). ostatnie lata obiekt przeszedł szczególnie dogłębne badania za pomocą obserwatorium kosmicznego Chandra. Okazało się w szczególności, że jest także potężnym źródłem promieniowania rentgenowskiego (ale nie tak potężnym jak źródła w aktywnych jądrach galaktycznych). Strzelec A* może być uśpioną pozostałością po aktywnym jądrze naszej Galaktyki miliony, a może miliardy lat temu.

Druga czarna dziura?

Niektórzy astronomowie uważają jednak, że w naszej Galaktyce kryje się kolejna niespodzianka. Mówimy o drugiej czarnej dziurze o średniej masie, która utrzymuje gromadę młodych gwiazd i zapobiega ich wpadnięciu do supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum samej Galaktyki. Jak to możliwe, że w odległości mniejszej niż jeden lata świetlne czy mogłaby z niego powstać gromada gwiazd mająca zaledwie 10 milionów lat, czyli według standardów astronomicznych bardzo młoda? Zdaniem badaczy odpowiedź jest taka, że ​​gromada nie narodziła się tam (środowisko wokół centralnej czarnej dziury jest zbyt nieprzyjazne, aby mogły powstać gwiazdy), ale została tam „wciągnięta” ze względu na istnienie w jej wnętrzu drugiej czarnej dziury, co ma średnią masę.

Na orbicie

Pojedyncze gwiazdy w gromadzie, przyciągane przez supermasywną czarną dziurę, zaczęły przesuwać się w stronę centrum galaktyki. Jednak zamiast rozproszyć się w przestrzeni, pozostają zebrane razem dzięki przyciąganiu grawitacyjnemu drugiej czarnej dziury znajdującej się w centrum gromady. Masę tej czarnej dziury można oszacować na podstawie jej zdolności do utrzymania na smyczy całej gromady gwiazd. Średniej wielkości czarna dziura najwyraźniej potrzebuje około 100 lat, aby okrążyć centralną czarną dziurę. Oznacza to, że wieloletnie obserwacje pozwolą nam to „zobaczyć”.

Pomimo ogromnych osiągnięć w dziedzinie fizyki i astronomii istnieje wiele zjawisk, których istota nie jest w pełni ujawniona. Do takich zjawisk zaliczają się tajemnicze czarne dziury, o których wszelkie informacje mają jedynie charakter teoretyczny i nie można ich zweryfikować w praktyczny sposób.

Czy czarne dziury istnieją?

Jeszcze przed pojawieniem się teorii względności astronomowie zaproponowali teorię o istnieniu czarnych lejków. Po opublikowaniu teorii Einsteina zrewidowano kwestię grawitacji i pojawiły się nowe założenia w problematyce czarnych dziur. Oglądanie tego kosmicznego obiektu jest nierealne, ponieważ pochłania on całe światło wpadające do jego przestrzeni. Naukowcy dowodzą istnienia czarnych dziur na podstawie analizy ruchu gazu międzygwiazdowego i trajektorii gwiazd.

Powstawanie czarnych dziur prowadzi do zmian w charakterystykach czasoprzestrzennych wokół nich. Czas zdaje się być kompresowany pod wpływem ogromnej grawitacji i zwalnia. Gwiazdy, które znajdą się na drodze czarnego lejka, mogą zboczyć z trasy, a nawet zmienić kierunek. Czarne dziury pochłaniają energię swojej bliźniaczej gwiazdy, co również się objawia.

Jak wygląda czarna dziura?

Informacje dotyczące czarnych dziur są w większości hipotetyczne. Naukowcy badają je pod kątem ich wpływu na przestrzeń kosmiczną i promieniowanie. Czarnych dziur nie można zobaczyć we wszechświecie, ponieważ pochłaniają one całe światło wpadające do pobliskiej przestrzeni. Ze specjalnych satelitów wykonano zdjęcie rentgenowskie czarnych obiektów, na którym widać jasny środek będący źródłem promieni.

Jak powstają czarne dziury?

Czarna dziura w kosmosie to odrębny świat, który ma swoje unikalne cechy i właściwości. O właściwościach kosmicznych dziur decydują przyczyny ich pojawienia się. Jeśli chodzi o wygląd czarnych obiektów, istnieją następujące teorie:

1. Są efektem zapadnięć zachodzących w przestrzeni kosmicznej. Może to być zderzenie dużych ciał kosmicznych lub eksplozja supernowej.
2. Powstają w wyniku ważenia obiektów kosmicznych przy zachowaniu ich rozmiarów. Przyczyna tego zjawiska nie została ustalona.

Czarny lejek to obiekt w przestrzeni, który jest stosunkowo mały, ale ma ogromną masę. Teoria czarnej dziury mówi, że każdy obiekt kosmiczny może potencjalnie stać się czarnym lejkiem, jeśli w wyniku pewnych zjawisk straci swój rozmiar, ale zachowa masę. Naukowcy mówią nawet o istnieniu wielu czarnych mikrodziur – miniaturowych obiektów kosmicznych o stosunkowo dużej masie. Ta rozbieżność między masą a rozmiarem prowadzi do wzrostu pola grawitacyjnego i pojawienia się silnego przyciągania.

Co kryje się w czarnej dziurze?

Czarny tajemniczy obiekt można nazwać tylko dziurą z dużym rozciągnięciem. Centrum tego zjawiska stanowi ciało kosmiczne o zwiększonej grawitacji. Skutkiem takiej grawitacji jest silne przyciąganie do powierzchni tego kosmicznego ciała. W tym przypadku powstaje przepływ wirowy, w którym obracają się gazy i ziarna pyłu kosmicznego. Dlatego bardziej poprawne jest nazwanie czarnej dziury czarnym lejkiem.

W praktyce nie da się dowiedzieć, co znajduje się we wnętrzu czarnej dziury, ponieważ poziom grawitacji kosmicznego wiru nie pozwala żadnemu obiektowi wydostać się ze strefy jego wpływu. Według naukowców wewnątrz czarnej dziury panuje całkowita ciemność, ponieważ kwanty światła w niej nieodwracalnie znikają. Zakłada się, że wewnątrz czarnego lejka przestrzeń i czas są zniekształcone; w tym miejscu nie obowiązują prawa fizyki i geometrii. Takie cechy czarnych dziur mogą prawdopodobnie prowadzić do powstania antymaterii, która w tej chwili nieznane naukowcom.

Dlaczego czarne dziury są niebezpieczne?

Czarne dziury są czasami opisywane jako obiekty pochłaniające otaczające obiekty, promieniowanie i cząstki. Ten pomysł jest błędny: właściwości czarnej dziury pozwalają jej absorbować tylko to, co mieści się w jej strefie wpływu. Może pochłaniać kosmiczne mikrocząstki i promieniowanie pochodzące od gwiazd bliźniaczych. Nawet jeśli planeta znajdzie się blisko czarnej dziury, nie zostanie wchłonięta, ale będzie nadal poruszać się po swojej orbicie.

Co się stanie, jeśli wpadniesz do czarnej dziury?

Właściwości czarnych dziur zależą od siły pola grawitacyjnego. Czarne lejki przyciągają wszystko, co znajdzie się w ich strefie wpływu. W tym przypadku zmieniają się cechy czasoprzestrzenne. Naukowcy badający wszystkie czarne dziury nie są zgodni co do tego, co dzieje się z obiektami w tym wirze:

• niektórzy naukowcy sugerują, że wszystkie przedmioty wpadające do tych dziur są rozciągnięte lub rozerwane na kawałki i nie mają czasu na dotarcie do powierzchni przyciągającego obiektu;
• inni naukowcy twierdzą, że w dziurach wszystkie typowe cechy są zniekształcone, więc obiekty tam wydają się znikać w czasie i przestrzeni. Z tego powodu czarne dziury nazywane są czasami bramami do innych światów.

Rodzaje czarnych dziur

Lejki czarne dzielą się na typy ze względu na sposób ich powstawania:

1. Czarne obiekty o masie gwiazdowej rodzą się pod koniec życia niektórych gwiazd. Całkowite spalanie gwiazdy i koniec reakcji termojądrowych prowadzi do kompresji gwiazdy. Jeśli gwiazda ulegnie zapadnięciu grawitacyjnemu, może przekształcić się w czarny lejek.
2. Supermasywne czarne lejki. Naukowcy twierdzą, że jądrem każdej galaktyki jest supermasywny lejek, którego powstanie jest początkiem pojawienia się nowej galaktyki.
3. Pierwotne czarne dziury. Mogą to być dziury o różnej masie, w tym mikrodziury powstałe w wyniku rozbieżności w gęstości materii i sile grawitacji. Takie dziury to lejki powstałe na początku Wszechświata. Dotyczy to również obiektów takich jak włochata czarna dziura. Otwory te wyróżniają się obecnością promieni podobnych do włosów. Zakłada się, że te fotony i grawitony zachowują część informacji, która wpada do czarnej dziury.
4. Kwantowe czarne dziury. Pojawiają się w wyniku reakcji nuklearnych i żyją przez krótki czas. Największym zainteresowaniem cieszą się lejki kwantowe, ponieważ ich badanie może pomóc w odpowiedzi na pytania dotyczące problemu czarnych obiektów kosmicznych.
5. Niektórzy naukowcy identyfikują tego typu obiekty kosmiczne jako włochatą czarną dziurę. Otwory te wyróżniają się obecnością promieni podobnych do włosów. Zakłada się, że te fotony i grawitony zachowują część informacji, która wpada do czarnej dziury.

Najbliższa Ziemi czarna dziura

Najbliższa czarna dziura znajduje się 3000 lat świetlnych od Ziemi. Nazywa się V616 Monocerotis lub V616 Mon. Jego waga sięga 9-13 mas Słońca. Partnerem podwójnym tej dziury jest gwiazda o masie połowy masy Słońca. Innym lejkiem stosunkowo blisko Ziemi jest Cygnus X-1. Znajduje się 6 tysięcy lat świetlnych od Ziemi i waży 15 razy więcej niż Słońce. Ta kosmiczna czarna dziura ma również swojego własnego partnera podwójnego, którego ruch pomaga prześledzić wpływ Cygnusa X-1.

Czarne dziury - ciekawostki

Naukowcy opowiadają następujące interesujące fakty na temat czarnych obiektów:

1. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że obiekty te stanowią centra galaktyk, to aby znaleźć największy lejek, musimy wykryć największą galaktykę. Dlatego największą czarną dziurą we wszechświecie jest lejek znajdujący się w galaktyce IC 1101 w centrum gromady Abell 2029.
2. Czarne obiekty w rzeczywistości wyglądają jak obiekty wielokolorowe. Powodem tego jest ich promieniowanie radiomagnetyczne.
3. W środku czarnej dziury nie obowiązują żadne trwałe prawa fizyczne ani matematyczne. Wszystko zależy od masy dziury i jej pola grawitacyjnego.
4. Czarne lejki stopniowo odparowują.
5. Waga czarnych lejków może osiągnąć niesamowite rozmiary. Największa czarna dziura ma masę równą 30 milionom mas Słońca.