Mustat aukot: tarina maailmankaikkeuden salaperäisimpien esineiden löytämisestä, joita emme koskaan näe. Mikä on musta aukko avaruudessa

Salaperäiset ja vaikeaselkoiset mustat aukot. Fysiikan lait vahvistavat niiden olemassaolon mahdollisuuden maailmankaikkeudessa, mutta monia kysymyksiä on edelleen jäljellä. Lukuisat havainnot osoittavat, että universumissa on reikiä ja näitä esineitä on yli miljoona.

Mitä ovat mustat aukot?

Vuonna 1915, kun ratkaistiin Einsteinin yhtälöitä, ennustettiin sellainen ilmiö kuin "mustat aukot". Tiedeyhteisö kiinnostui niistä kuitenkin vasta vuonna 1967. Niitä kutsuttiin silloin "romahtaneiksi tähdiksi", "jäädytetyiksi tähdiksi".

Nyt mustaa aukkoa kutsutaan aika- ja avaruusalueeksi, jolla on sellainen painovoima, ettei siitä pääse ulos edes valonsäde.

Miten mustat aukot muodostuvat?

Mustien aukkojen esiintymisestä on olemassa useita teorioita, jotka on jaettu hypoteettisiin ja realistisiin. Yksinkertaisin ja yleisin realistinen teoria on teoria suurten tähtien painovoiman romahtamisesta.

Kun riittävän massiivinen tähti ennen "kuolemaa" kasvaa kooltaan ja muuttuu epävakaaksi kuluttaen viimeisen polttoaineen. Samanaikaisesti tähden massa pysyy muuttumattomana, mutta sen koko pienenee ns. tiivistymisen myötä. Toisin sanoen tiivistyksen aikana raskas ydin "putoaa" itseensä. Samanaikaisesti tiivistyminen johtaa jyrkkään lämpötilan nousuun tähden sisällä ja taivaankappaleen ulkokerrokset repeytyvät pois, niistä muodostuu uusia tähtiä. Samanaikaisesti tähden keskellä - ydin putoaa omaan "keskukseensa". Painovoimavoimien vaikutuksesta keskus romahtaa pisteeksi - eli gravitaatiovoimat ovat niin voimakkaita, että ne imevät tiivistyneen ytimen. Näin syntyy musta aukko, joka alkaa vääristää tilaa ja aikaa niin, ettei edes valo pääse karkaamaan sieltä.

Kaikkien galaksien keskuksissa on supermassiivinen musta aukko. Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan:

"Kaikki massat vääristävät tilaa ja aikaa."

Kuvittele nyt kuinka paljon musta aukko vääristää aikaa ja tilaa, koska sen massa on valtava ja samalla puristettu erittäin pieneen tilavuuteen. Tämän kyvyn vuoksi tapahtuu seuraava omituisuus:

”Mustilla aukoilla on kyky käytännössä pysäyttää aikaa ja tiivistää tilaa. Tämän voimakkaan vääristymän vuoksi reiät tulevat meille näkymättömiksi."

Jos mustia aukkoja ei näy, mistä tiedämme niiden olemassaolon?

Kyllä, vaikka musta aukko on näkymätön, sen pitäisi olla havaittavissa siihen putoavan aineen takia. Samoin kuin tähtikaasu, jota musta aukko vetää puoleensa, tapahtumahorisonttia lähestyttäessä kaasun lämpötila alkaa nousta ultrakorkeisiin arvoihin, mikä johtaa hehkuun. Siksi mustat aukot hehkuvat. Tämän ansiosta, vaikkakin heikosta hehkusta, tähtitieteilijät ja astrofyysikot selittävät galaksin keskustassa esineen, jonka tilavuus on pieni, mutta massa on valtava. Tällä hetkellä havaintojen tuloksena on löydetty noin 1000 esinettä, jotka ovat käyttäytymiseltään samanlaisia ​​​​kuin mustat aukot.

Mustat aukot ja galaksit

Kuinka mustat aukot voivat vaikuttaa galakseihin? Tämä kysymys vaivaa tutkijoita kaikkialla maailmassa. On olemassa hypoteesi, jonka mukaan galaksin keskellä sijaitsevat mustat aukot vaikuttavat sen muotoon ja kehitykseen. Ja että kun kaksi galaksia törmäävät, mustat aukot sulautuvat yhteen ja tämän prosessin aikana sinkoutuu ulos niin valtava määrä energiaa ja ainetta, että syntyy uusia tähtiä.

Mustien aukkojen tyypit

• Nykyisen teorian mukaan mustia aukkoja on kolmen tyyppisiä: tähti-, supermassiivi- ja miniaukioita. Ja jokainen niistä muodostettiin erityisellä tavalla.
• - Tähtimassojen mustia aukkoja, se kasvaa valtaviin kokoihin ja romahtaa.
  - Supermassiivisia mustia aukkoja, joiden massa voi vastata miljoonia aurinkoja, on hyvin todennäköisesti lähes kaikkien galaksien, mukaan lukien oman Linnunrattamme, keskuksissa. Tutkijoilla on edelleen erilaisia ​​hypoteeseja supermassiivisten mustien aukkojen muodostumisesta. Toistaiseksi tiedetään vain yksi asia - supermassiiviset mustat aukot ovat galaksien muodostumisen sivutuote. Supermassiiviset mustat aukot - ne eroavat tavallisista siinä, että niillä on erittäin suuri koko, mutta paradoksaalisesti pieni tiheys.
• - Kukaan ei ole vielä pystynyt havaitsemaan miniatyyri mustaa aukkoa, jonka massa olisi pienempi kuin Auringon. On mahdollista, että miniatyyri reikiä olisi voinut muodostua pian "alkuräjähdyksen" jälkeen, joka on maailmankaikkeutemme alkuperäinen tarkka olemassaolo (noin 13,7 miljardia vuotta sitten).
• - Viime aikoina on otettu käyttöön uusi käsite "valkoiset mustat aukot". Tämä on edelleen hypoteettinen musta aukko, joka on mustan aukon vastakohta. Stephen Hawking tutki aktiivisesti valkoisten aukkojen mahdollisuutta.
• - Kvanttimustat aukot - niitä on toistaiseksi olemassa vain teoriassa. Kvanttimustat aukot voivat muodostua, kun erittäin pienet hiukkaset törmäävät ydinreaktion seurauksena.
• - Alkuperäiset mustat aukot ovat myös teoria. Ne muodostuivat välittömästi tapahtuman jälkeen.

Tällä hetkellä on olemassa suuri joukko avoimia kysymyksiä, joihin tulevat sukupolvet eivät vielä saa vastausta. Esimerkiksi, voiko todella olla niin sanottuja "madonreikiä", joiden avulla voit matkustaa avaruudessa ja ajassa. Mitä mustan aukon sisällä oikein tapahtuu ja mitä lakeja nämä ilmiöt noudattavat. Entä tiedon katoaminen mustaan ​​aukkoon?

Sekä menneiden vuosisatojen tutkijoille että aikamme tutkijoille avaruuden suurin mysteeri on musta aukko. Mitä tässä fysiikalle täysin tuntemattomassa järjestelmässä on? Mitä lakeja siellä sovelletaan? Kuinka aika kuluu mustassa aukossa, ja miksi edes valokvantit eivät pääse pakoon siitä? Nyt yritämme tietysti teorian, ei käytännön, näkökulmasta ymmärtää, mitä mustan aukon sisällä on, miksi se periaatteessa muodostui ja on olemassa, kuinka se houkuttelee sitä ympäröiviä esineitä.

Ensin kuvataan tämä objekti.

Joten tiettyä avaruuden aluetta universumissa kutsutaan mustaksi aukoksi. On mahdotonta erottaa sitä erilliseksi tähdeksi tai planeettaksi, koska se ei ole kiinteä eikä kaasumainen kappale. Ilman perusymmärrystä siitä, mitä aika-avaruus on ja kuinka nämä ulottuvuudet voivat muuttua, on mahdotonta ymmärtää, mitä mustan aukon sisällä on. Tosiasia on, että tämä alue ei ole vain tilayksikkö. joka vääristää sekä kolmea meille tunnettua ulottuvuutta (pituus, leveys ja korkeus) että aikajanaa. Tiedemiehet ovat varmoja, että horisontin alueella (ns. reikää ympäröivällä alueella) aika saa avaruudellisen merkityksen ja voi liikkua sekä eteen- että taaksepäin.

Opi painovoiman salaisuudet

Jos haluamme ymmärtää, mitä mustan aukon sisällä on, harkitsemme yksityiskohtaisesti, mitä painovoima on. Juuri tämä ilmiö on avainasemassa, kun ymmärretään niin sanottujen "madonreikien" luonne, joista valokaan ei pääse pakoon. Painovoima on vuorovaikutusta kaikkien kappaleiden välillä, joilla on aineellinen perusta. Tällaisen painovoiman voimakkuus riippuu kappaleiden molekyylikoostumuksesta, atomien pitoisuudesta ja myös niiden koostumuksesta. Mitä enemmän hiukkasia romahtaa tietyllä avaruuden alueella, sitä suurempi on gravitaatiovoima. Tämä liittyy erottamattomasti alkuräjähdyksen teoriaan, jolloin universumimme oli herneen kokoinen. Se oli maksimaalisen singulaarisuuden tila, ja valokvantin välähdyksen seurauksena avaruus alkoi laajentua johtuen siitä, että hiukkaset hylkivät toisiaan. Tiedemiehet kuvailevat täsmälleen päinvastaista mustaa aukkoa. Mitä tuollaisen sisällä on TBZ:n mukaan? Singulaarisuus, joka on yhtä suuri kuin universumillemme sen syntymähetkellä luontaiset indikaattorit.

Miten aine pääsee madonreikään?

On olemassa mielipide, että henkilö ei koskaan pysty ymmärtämään, mitä mustan aukon sisällä tapahtuu. Koska kerran siellä, hän kirjaimellisesti murskata painovoiman ja painovoiman. Itse asiassa tämä ei ole totta. Kyllä, todellakin, musta aukko on singulaarisuuden alue, jossa kaikki on puristettu maksimiin. Mutta tämä ei ole ollenkaan "avaruusimuri", joka pystyy vetämään kaikki planeetat ja tähdet itseensä. Mikä tahansa tapahtumahorisontissa oleva aineellinen esine havaitsee voimakkaan tilan ja ajan vääristymisen (toistaiseksi nämä yksiköt erottuvat toisistaan). Euklidinen geometriajärjestelmä alkaa horjua, toisin sanoen ne leikkaavat, stereometristen kuvioiden ääriviivat lakkaavat olemasta tuttuja. Mitä tulee aikaan, se hidastuu vähitellen. Mitä lähemmäs reikää pääset, sitä hitaammin kello menee suhteessa maan aikaan, mutta et huomaa sitä. Kun osuu "madonreikään", keho putoaa nollanopeudella, mutta tämä yksikkö on yhtä suuri kuin ääretön. kaarevuus, joka rinnastaa äärettömän nollaan, mikä lopulta pysäyttää ajan singulaarisuuden alueelle.

Reaktio säteilevään valoon

Ainoa valoa houkutteleva esine avaruudessa on musta aukko. Mitä sen sisällä on ja missä muodossa se on, ei tiedetä, mutta he uskovat, että tämä on pilkkopimeyttä, jota on mahdotonta kuvitella. Sinne pääsevät valokvantit eivät vain katoa. Niiden massa kerrotaan singulaarisuuden massalla, mikä tekee siitä vielä suuremman ja suurentaa sitä, joten jos sytytät taskulampun madonreikään katsomaan ympärillesi, se ei hehku. Säteilykvantit lisääntyvät jatkuvasti reiän massalla, ja karkeasti sanottuna vain pahennat tilannettasi.

Mustia aukkoja kaikkialla

Kuten olemme jo havainneet, koulutuksen perusta on painovoima, jonka arvo on miljoonia kertoja suurempi kuin maan päällä. Tarkan käsityksen siitä, mitä musta aukko on, antoi maailmalle Karl Schwarzschild, joka itse asiassa löysi tapahtumahorisontin ja pisteen, josta ei ole paluuta, ja totesi myös, että nolla singulariteettitilassa on yhtä kuin ääretön. . Hänen mielestään musta aukko voi muodostua missä tahansa avaruudessa. Tässä tapauksessa tietyn materiaalin, jolla on pallomainen muoto, täytyy saavuttaa gravitaatiosäde. Esimerkiksi planeettamme massan täytyy mahtua yhden herneen tilavuuteen, jotta siitä tulisi musta aukko. Ja Auringon halkaisijan tulisi olla 5 kilometriä massoineen - silloin sen tilasta tulee yksittäinen.

Uusi maailmanmuodostushorisontti

Fysiikan ja geometrian lait toimivat täydellisesti maan päällä ja ulkoavaruudessa, jossa avaruus on lähellä tyhjiötä. Mutta ne menettävät täysin merkityksensä tapahtumahorisontissa. Siksi matemaattisesta näkökulmasta on mahdotonta laskea, mitä mustan aukon sisällä on. Kuvat, joita voit keksiä, jos taivutat tilaa maailmakäsityksiemme mukaisesti, ovat varmasti kaukana totuudesta. On vasta todettu, että aika muuttuu täällä tilayksiköksi ja mitä todennäköisimmin olemassa olevia ulottuvuuksia lisätään. Tämä antaa mahdollisuuden uskoa, että mustan aukon sisällä muodostuu täysin erilaisia ​​​​maailmoja (kuten tiedätte, valokuva ei näytä tätä, koska valo syö itsensä siellä). Nämä universumit voivat koostua antimateriasta, joka ei ole tällä hetkellä tiedemiehille tuttua. On myös versioita, joiden mukaan pallo, josta ei ole paluuta, on vain portaali, joka johtaa joko toiseen maailmaan tai muihin pisteisiin universumissamme.

Syntymä ja kuolema

Paljon enemmän kuin mustan aukon olemassaolo on sen syntymä tai katoaminen. Aika-avaruutta vääristävä pallo, kuten olemme jo havainneet, muodostuu romahduksen seurauksena. Tämä voi olla suuren tähden räjähdys, kahden tai useamman kappaleen törmäys avaruudessa ja niin edelleen. Mutta kuinka aineesta, joka teoriassa voitiin tuntea, tuli ajan vääristymän valtakunta? Palapeli on käynnissä. Mutta sitä seuraa toinen kysymys - miksi sellaiset pallot, joista ei ole paluuta, katoavat? Ja jos mustat aukot haihtuvat, niin miksi valo ja kaikki kosminen aine, jonka ne vetivät sisään, ei tule ulos niistä? Kun aine singulaarisuusvyöhykkeellä alkaa laajentua, painovoima vähitellen vähenee. Tämän seurauksena musta aukko yksinkertaisesti liukenee ja tavallinen tyhjiöulkoavaruus jää paikalleen. Tästä seuraa toinen mysteeri - mihin kaikki siihen liittynyt katosi?

Painovoima – avaimemme onnelliseen tulevaisuuteen?

Tutkijat uskovat, että ihmiskunnan energiatulevaisuus voi muodostua mustasta aukosta. Mitä tämän järjestelmän sisällä on, ei vielä tiedetä, mutta oli mahdollista todeta, että tapahtumahorisontissa mikä tahansa aine muuttuu energiaksi, mutta tietysti osittain. Esimerkiksi ihminen, joka on lähellä pistettä, josta ei ole paluuta, antaa 10 prosenttia aineestaan ​​sen prosessoimiseksi energiaksi. Tämä luku on yksinkertaisesti valtava, siitä on tullut sensaatio tähtitieteilijöiden keskuudessa. Tosiasia on, että maapallolla, kun ainetta prosessoidaan energiaksi vain 0,7 prosenttia.

Jokainen tähtitiedettä perehtynyt ihminen kokee ennemmin tai myöhemmin vahvan uteliaisuuden maailmankaikkeuden salaperäisimpiin esineisiin - mustiin aukkoihin. Nämä ovat todellisia pimeyden mestareita, jotka pystyvät "nielemään" minkä tahansa lähellä kulkevan atomin eivätkä päästä edes valoa karkaamaan - heidän vetovoimansa on niin voimakas. Nämä esineet ovat todellinen haaste fyysikoille ja tähtitieteilijöille. Edellinen ei vieläkään voi ymmärtää, mitä tapahtuu mustan aukon sisään pudonneelle aineelle, ja jälkimmäiset, vaikka he selittävät avaruuden eniten energiaa kuluttavia ilmiöitä mustien aukkojen olemassaololla, eivät ole koskaan saaneet tilaisuutta havainnoida yhtäkään niistä. suoraan. Puhumme näistä mielenkiintoisimmista taivaankappaleista, selvitämme, mitä on jo löydetty ja mitä on vielä tiedettävä salaisuuden verhon nostamiseksi.

Mikä on musta aukko?

Nimeä "musta aukko" (englanniksi musta aukko) ehdotti vuonna 1967 amerikkalainen teoreettinen fyysikko John Archibald Wheeler (katso kuva vasemmalla). Se tarkoitti taivaankappaletta, jonka vetovoima on niin voimakas, että edes valo ei päästä itsestään irti. Siksi se on "musta", koska se ei lähetä valoa.

epäsuorat havainnot

Tämä on syy tällaiseen mysteeriin: koska mustat aukot eivät hehku, emme voi nähdä niitä suoraan ja meidän on pakko etsiä ja tutkia niitä käyttämällä vain epäsuoraa näyttöä niiden olemassaolosta ympäröivään tilaan. Toisin sanoen, jos musta aukko nielaisee tähden, emme voi nähdä mustaa aukkoa, mutta voimme tarkkailla sen voimakkaan gravitaatiokentän tuhoisia vaikutuksia.

Laplacen intuitio

Huolimatta siitä, että ilmaus "musta aukko" painovoiman vaikutuksesta itseensä romahtaneen tähden evoluution hypoteettiselle viimeiselle vaiheelle ilmestyi suhteellisen äskettäin, ajatus tällaisten kappaleiden olemassaolon mahdollisuudesta syntyi enemmän kuin kaksi vuosisataa sitten. Englantilainen John Michell ja ranskalainen Pierre-Simon de Laplace olettivat itsenäisesti "näkymättömien tähtien" olemassaolon; kun taas ne perustuivat tavallisiin dynamiikan lakeihin ja Newtonin yleisen gravitaatiolakiin. Nykyään mustat aukot ovat saaneet oikean kuvauksensa Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian perusteella.

Laplace kirjoitti teoksessaan "Statement of the system of the World" (1796): "Kirkas tähti, jonka tiheys on sama kuin Maan, jonka halkaisija on 250 kertaa suurempi kuin Auringon halkaisija sen vetovoiman vuoksi, ei päästäisi valonsäteitä meihin. Siksi on mahdollista, että suurimmat ja kirkkaimmat taivaankappaleet ovat näkymättömiä tästä syystä.

Voittamaton painovoima

Laplacen idea perustui pakonopeuden (toisen kosmisen nopeuden) käsitteeseen. Musta aukko on niin tiheä esine, että sen vetovoima pystyy pidättämään jopa valon, joka kehittää suurimman nopeuden luonnossa (lähes 300 000 km/s). Käytännössä mustasta aukosta pakenemiseen tarvitaan valonnopeutta nopeampi nopeus, mutta tämä on mahdotonta!

Tämä tarkoittaa, että tällainen tähti olisi näkymätön, koska edes valo ei pystyisi voittamaan voimakasta painovoimaansa. Einstein selitti tämän tosiasian valon taipumisen ilmiöllä gravitaatiokentän vaikutuksesta. Todellisuudessa mustan aukon lähellä aika-avaruus on niin kaareva, että myös valonsäteiden polut sulkeutuvat itseensä. Jotta Auringosta tulisi musta aukko, meidän on keskitettävä kaikki sen massa palloon, jonka säde on 3 km, ja maapallon on muututtava palloksi, jonka säde on 9 mm!

Mustien aukkojen tyypit

Noin kymmenen vuotta sitten havainnot ehdottivat kahdentyyppisten mustien aukkojen olemassaoloa: tähtiä, jonka massa on verrattavissa Auringon massaan tai hieman sitä suurempi, ja supermassiivisia, joiden massa on useista sadasta tuhansista useisiin miljooniin auringon massoihin. Kuitenkin suhteellisen äskettäin keinotekoisista satelliiteista, kuten Chandrasta ja XMM-Newtonista saadut korkearesoluutioiset röntgenkuvat ja spektrit nostivat esiin kolmannen mustan aukon tyypin - jonka keskimääräinen massa ylittää Auringon massan tuhansia kertoja .

tähtien mustia aukkoja

Tähtien mustat aukot tulivat tunnetuksi aikaisemmin kuin muut. Ne muodostuvat, kun suurimassaisesta tähdestä evoluutiopolkunsa lopussa loppuu ydinpolttoaine ja se romahtaa itseensä oman painovoimansa vuoksi. Tähtiä särkevällä räjähdyksellä (tunnetaan nimellä "supernovaräjähdys") on katastrofaaliset seuraukset: jos tähden ydin on yli 10 kertaa Auringon massa, mikään ydinvoima ei kestä gravitaatiota aiheuttavaa romahdusta, joka johtaa tähtien ilmestymiseen. musta aukko.

Supermassiiviset mustat aukot

Supermassiivisilla mustilla aukoilla, jotka havaittiin ensin joidenkin aktiivisten galaksien ytimissä, on eri alkuperä. Niiden syntymästä on useita hypoteeseja: tähtien musta aukko, joka nielee kaikki sitä ympäröivät tähdet miljoonien vuosien ajan; sulautunut mustien aukkojen klusteri; valtava kaasupilvi, joka romahtaa suoraan mustaan ​​aukkoon. Nämä mustat aukot ovat avaruuden energisimpiä esineitä. Ne sijaitsevat hyvin monien galaksien keskuksissa, elleivät kaikki. Meidän galaksissamme on myös tällainen musta aukko. Joskus tällaisen mustan aukon vuoksi näiden galaksien ytimet muuttuvat erittäin kirkkaiksi. Galakseja, joiden keskellä on mustia aukkoja, joita ympäröi suuri määrä putoavaa ainetta ja jotka siksi pystyvät tuottamaan valtavan määrän energiaa, kutsutaan "aktiivisiksi" ja niiden ytimiä kutsutaan "aktiivisiksi galaktiksi ytimiksi" (AGN). Esimerkiksi kvasaarit (meistä kaukaisimmat havainnointimme käytettävissä olevat avaruuskohteet) ovat aktiivisia galakseja, joissa näemme vain erittäin kirkkaan ytimen.

Keskikokoinen ja "mini"

Toinen mysteeri on edelleen keskimassaiset mustat aukot, jotka viimeaikaisten tutkimusten mukaan saattavat olla joidenkin pallomaisten klustereiden, kuten M13 ja NCC 6388, keskellä. Monet tähtitieteilijät suhtautuvat näihin esineisiin skeptisesti, mutta jotkut viimeaikaiset tutkimukset viittaavat niiden olemassaoloon. mustia aukkoja, keskikokoisia jopa lähellä galaksimme keskustaa. Englantilainen fyysikko Stephen Hawking esitti myös teoreettisen oletuksen neljännen tyypin mustan aukon olemassaolosta - "mini-reiästä", jonka massa on vain miljardi tonnia (joka on suunnilleen yhtä suuri kuin suuren vuoren massa). Puhumme primäärisistä objekteista, eli niistä, jotka ilmestyivät maailmankaikkeuden elämän ensimmäisinä hetkinä, kun paine oli vielä erittäin korkea. Niiden olemassaolosta ei kuitenkaan ole vielä löydetty jälkeäkään.

Kuinka löytää musta aukko

Vain muutama vuosi sitten mustien aukkojen yli syttyi valo. Jatkuvasti kehittyvien instrumenttien ja teknologioiden (sekä maanpäällisten että avaruusjärjestelmien) ansiosta nämä kohteet ovat yhä vähemmän salaperäisempiä; tarkemmin sanottuna niitä ympäröivä tila muuttuu vähemmän salaperäiseksi. Itse asiassa, koska itse musta aukko on näkymätön, voimme tunnistaa sen vain, jos sitä ympäröi riittävästi ainetta (tähdet ja kuuma kaasu), joka kiertää sitä pienellä etäisyydellä.

Katsotaan kaksoisjärjestelmiä

Joitakin tähtien mustia aukkoja on löydetty tarkkailemalla tähden liikettä näkymättömän binaarisen kumppanin ympärillä. Suljetut binäärijärjestelmät (eli koostuvat kahdesta hyvin lähellä toisiaan olevasta tähdestä), joissa yksi seuralaisista on näkymätön, ovat mustia aukkoja etsivien astrofyysikkojen suosikkihavaintokohde.

Merkki mustan aukon (tai neutronitähden) olemassaolosta on monimutkaisen mekanismin aiheuttama voimakas röntgensäteily, joka voidaan kuvata kaavamaisesti seuraavasti. Voimakkaan painovoimansa ansiosta musta aukko voi repiä aineen pois tähdestä; tämä kaasu jakautuu litteän kiekon muodossa ja putoaa spiraalina mustaan ​​aukkoon. Putoavan kaasun hiukkasten törmäyksistä aiheutuva kitka lämmittää levyn sisäkerrokset useisiin miljooniin asteisiin, mikä aiheuttaa voimakkaan röntgensäteilyn.

Röntgenhavainnot

Useiden vuosikymmenien ajan tehdyt röntgenhavainnot galaksissamme ja naapurigalakseissamme olevista kohteista ovat mahdollistaneet kompaktien binäärilähteiden havaitsemisen, joista noin tusina on mustia aukkoja sisältäviä järjestelmiä. Suurin ongelma on määrittää näkymättömän taivaankappaleen massa. Massan arvo (vaikkakaan ei kovin tarkka) saadaan selville tutkimalla seuralaisen liikettä tai, mikä on paljon vaikeampaa, mittaamalla tulevan aineen röntgensäteilyn intensiteetti. Tämä intensiteetti on yhdistetty yhtälöllä sen kehon massan kanssa, jolle tämä aine putoaa.

Nobelisti

Jotain vastaavaa voidaan sanoa monien galaksien ytimissä havaituista supermassiivisista mustista aukoista, joiden massat arvioidaan mittaamalla mustaan ​​aukkoon putoavan kaasun kiertoradan nopeudet. Tässä tapauksessa erittäin suuren kohteen voimakkaan gravitaatiokentän aiheuttama galaksien keskellä kiertävien kaasupilvien nopeuden nopea nousu paljastuvat radioalueella sekä optisissa säteissä tapahtuvissa havainnoissa. Havainnot röntgenalueella voivat vahvistaa lisääntyneen energian vapautumisen, joka johtuu aineen putoamisesta mustaan ​​aukkoon. Röntgentutkimuksen aloitti 1960-luvun alussa italialainen Riccardo Giacconi, joka työskenteli Yhdysvalloissa. Hänelle myönnettiin Nobel-palkinto vuonna 2002 tunnustuksena hänen "uraauurtavasta panoksestaan ​​astrofysiikassa, joka johti röntgenlähteiden löytämiseen avaruudessa".

Cygnus X-1: ensimmäinen ehdokas

Galaksimme ei ole immuuni mustien aukkojen ehdokasobjektien esiintymiseltä. Onneksi mikään näistä kohteista ei ole tarpeeksi lähellä meitä vaarantamaan maapallon tai aurinkokunnan olemassaoloa. Huolimatta huomattujen pienten röntgenlähteiden suuresta määrästä (ja nämä ovat todennäköisimpiä ehdokkaita mustien aukkojen löytämiseen), emme ole varmoja, sisältävätkö ne todella mustia aukkoja. Ainoa näistä lähteistä, jolla ei ole vaihtoehtoista versiota, on läheinen binääri Cygnus X-1, eli Cygnus-tähdistön kirkkain röntgenlähde.

massiivisia tähtiä

Tämä järjestelmä, jonka kiertoaika on 5,6 päivää, koostuu erittäin kirkkaasta sinisestä suuresta tähdestä (sen halkaisija on 20 kertaa auringon ja massa noin 30 kertaa), joka on helposti erotettavissa jopa kaukoputkessasi, ja näkymätön toinen tähti, jonka massa on arvioitu useilla auringon massoilla (jopa 10). Toinen tähti, joka sijaitsee 6500 valovuoden etäisyydellä meistä, olisi täysin näkyvissä, jos se olisi tavallinen tähti. Sen näkymättömyys, järjestelmän voimakkaat röntgensäteet ja lopulta sen massaarvio saavat useimmat tähtitieteilijät uskomaan, että tämä on ensimmäinen vahvistettu tähtien mustan aukon löytö.

Epäilykset

On kuitenkin myös skeptikkoja. Heidän joukossaan on yksi suurimmista mustien aukkojen tutkijoista, fyysikko Stephen Hawking. Hän jopa lyö vetoa amerikkalaisen kollegansa Keel Thornen kanssa, joka tuki vahvasti Cygnus X-1:n luokittelua mustaksi aukoksi.

Kiista Cygnus X-1 -objektin luonteesta ei ole Hawkingin ainoa veto. Omistanut useita vuosikymmeniä mustien aukkojen teoreettisille tutkimuksille, hän vakuuttui aiempien käsitystensä virheellisyydestä näistä salaperäisistä objekteista. Erityisesti Hawking oletti, että aine katoaa mustaan ​​aukkoon putoamisen jälkeen ikuisiksi ajoiksi ja sen mukana kaikki tietomatkatavarat katoavat. . Hän oli tästä niin varma, että teki vedon tästä aiheesta vuonna 1997 amerikkalaisen kollegansa John Preskillin kanssa.

Virheen myöntäminen

21. heinäkuuta 2004 puheessaan suhteellisuusteorian kongressissa Dublinissa Hawking myönsi, että Preskill oli oikeassa. Mustat aukot eivät johda aineen täydelliseen katoamiseen. Lisäksi heillä on tietynlainen "muisti". Niiden sisällä voi hyvinkin olla tallennettuja jälkiä siitä, mitä ne imevät. Siten "haihduttamalla" (eli lähettämällä hitaasti säteilyä kvanttivaikutuksen vuoksi) he voivat palauttaa tämän tiedon universumiimme.

Mustat aukot galaksissa

Tähtitieteilijät epäilevät edelleen tähtien mustien aukkojen olemassaoloa galaksissamme (kuten Cygnus X-1 -binäärijärjestelmään kuuluvan); mutta supermassiivisista mustista aukoista on paljon vähemmän epäilyksiä.

Keskustassa

Galaksissamme on ainakin yksi supermassiivinen musta aukko. Sen lähde, joka tunnetaan nimellä Sagittarius A*, sijaitsee tarkasti Linnunradan tason keskellä. Sen nimi selittyy sillä, että se on Jousimiehen tähdistön tehokkain radiolähde. Juuri tähän suuntaan galaktisen järjestelmämme sekä geometriset että fyysiset keskukset sijaitsevat. Noin 26 000 valovuoden etäisyydellä meistä sijaitseva supermassiivinen musta aukko, joka liittyy radioaaltojen lähteeseen Jousimies A *, jonka massaksi arvioidaan noin 4 miljoonaa auringon massaa, ja se sijaitsee avaruudessa, jonka tilavuus on verrattavissa tilavuuteen. aurinkokunnasta. Sen suhteellinen läheisyys meihin (tämä supermassiivinen musta aukko on epäilemättä lähinnä Maata) on saanut kohteen Chandra-avaruusobservatorion erityisen syvällisen tarkastelun kohteeksi viime vuosina. Erityisesti kävi ilmi, että se on myös voimakas röntgensäteiden lähde (mutta ei yhtä tehokas kuin aktiivisten galaktisten ytimien lähteet). Jousimies A* saattaa olla uinuva jäännös galaksimme aktiivisesta ytimestä miljoonia tai miljardeja vuosia sitten.

Toinen musta aukko?

Jotkut tähtitieteilijät uskovat kuitenkin, että galaksissamme on toinen yllätys. Puhumme toisesta keskimääräisestä mustasta aukosta, joka pitää koossa nuoria tähtiä eivätkä anna niiden pudota supermassiiviseen mustaan ​​aukkoon, joka sijaitsee itse galaksin keskustassa. Miten voi olla, että alle valovuoden etäisyydellä siitä voisi olla tähtijoukko, jonka ikä on tuskin saavuttanut 10 miljoonaa vuotta, eli tähtitieteellisesti tarkasteltuna hyvin nuori? Tutkijoiden mukaan vastaus piilee siinä, että klusteri ei syntynyt sinne (keskialueen mustan aukon ympäristö on liian vihamielinen tähtien muodostumiselle), vaan se "piirrettiin" sinne toisen mustan aukon olemassaolon takia. se, jolla on keskiarvojen massa.

Kiertoradalla

Supermassiivisen mustan aukon vetämät joukon yksittäiset tähdet alkoivat siirtyä kohti galaktista keskustaa. Sen sijaan, että ne leviäisivät avaruuteen, ne pysyvät yhdessä klusterin keskellä sijaitsevan toisen mustan aukon vetovoiman vuoksi. Tämän mustan aukon massa voidaan arvioida sen kyvystä pitää koko tähtijoukko "hihnassa". Keskikokoinen musta aukko näyttää kiertävän keskellä olevan mustan aukon noin 100 vuoden kuluttua. Tämä tarkoittaa, että pitkän aikavälin havainnot monien vuosien aikana antavat meille mahdollisuuden "nähdä" se.

Mustan aukon muodostamiseksi on välttämätöntä puristaa kappale tiettyyn kriittiseen tiheyteen niin, että puristetun kappaleen säde on yhtä suuri kuin sen painovoimasäde. Tämän kriittisen tiheyden arvo on kääntäen verrannollinen mustan aukon massan neliöön.

Tyypilliselle tähtimassaiselle mustalle aukolle ( M=10M aurinko) gravitaatiosäde on 30 km ja kriittinen tiheys on 2·10 14 g/cm 3 eli kaksisataa miljoonaa tonnia kuutiosenttimetriä kohden. Tämä tiheys on erittäin korkea verrattuna maan keskimääräiseen tiheyteen (5,5 g/cm3), se on yhtä suuri kuin atomiytimen aineen tiheys.

Mustalle aukolle galaksin ytimessä ( M=10 10 M aurinko) gravitaatiosäde on 3 10 15 cm = 200 AU, mikä on viisi kertaa etäisyys Auringosta Plutoon (1 tähtitieteellinen yksikkö - keskimääräinen etäisyys maasta aurinkoon - on 150 miljoonaa km tai 1,5 10 13 cm). Kriittinen tiheys on tässä tapauksessa 0,2·10-3 g/cm 3 , mikä on useita kertoja pienempi kuin ilman tiheys, 1,3·10-3 g/cm 3 (!).

Maalle ( M=3 10 –6 M aurinko) gravitaatiosäde on lähellä 9 mm ja vastaava kriittinen tiheys on hirvittävän suuri: ρ ​​cr = 2·10 27 g/cm 3 , mikä on 13 suuruusluokkaa suurempi kuin atomin ytimen tiheys.

Jos otamme jonkin kuvitteellisen pallomaisen puristimen ja puristamme Maata samalla kun sen massa säilyy, niin kun pienennämme Maan sädettä (6370 km) neljä kertaa, sen toinen avaruusnopeus kaksinkertaistuu ja tulee yhtä suureksi kuin 22,4 km/s. Jos puristamme maata niin, että sen säde on noin 9 mm, niin toinen kosminen nopeus saa arvon, joka on yhtä suuri kuin valon nopeus c= 300 000 km/s.

Lisäksi puristinta ei tarvita - sellaisiin mittoihin puristettu maa kutistuu jo itse. Lopulta Maan tilalle muodostuu musta aukko, jonka tapahtumahorisontin säde on lähellä 9 mm (jos jätetään huomiotta syntyvän mustan aukon pyöriminen). Todellisissa olosuhteissa ei tietenkään ole supervoimakasta puristinta - painovoima "toimii". Siksi mustia aukkoja voi muodostua vain, kun erittäin massiivisten tähtien sisätilat romahtavat, jolloin painovoima on tarpeeksi vahva puristamaan aineen kriittiseen tiheyteen.

Tähtien evoluutio

Mustat aukot muodostuvat massiivisten tähtien evoluution loppuvaiheessa. Termoydinreaktiot tapahtuvat tavallisten tähtien syvyyksissä, vapautuu valtavasti energiaa ja ylläpidetään korkeaa lämpötilaa (kymmeniä ja satoja miljoonia asteita). Painovoimat pyrkivät puristamaan tähteä, ja kuuman kaasun ja säteilyn painevoimat vastustavat tätä puristusta. Siksi tähti on hydrostaattisessa tasapainossa.

Lisäksi tähti voi olla lämpötasapainossa, kun sen keskustassa tapahtuvien lämpöydinreaktioiden aiheuttama energian vapautuminen on täsmälleen yhtä suuri kuin tähden pinnasta säteilemä teho. Kun tähti supistuu ja laajenee, lämpötasapaino häiriintyy. Jos tähti on paikallaan, niin sen tasapaino asettuu siten, että tähden negatiivinen potentiaalienergia (painovoiman supistumisen energia) on aina kaksi kertaa lämpöenergia absoluuttisesti mitattuna. Tämän vuoksi tähdellä on hämmästyttävä ominaisuus - negatiivinen lämpökapasiteetti. Tavallisilla kappaleilla on positiivinen lämpökapasiteetti: kuumentunut rautapala jäähtyy, eli menettää energiaa, alentaa lämpötilaansa. Tähdessä asia on päinvastoin: mitä enemmän energiaa se menettää säteilyn muodossa, sitä korkeammaksi sen keskustan lämpötila nousee.

Tälle ensi silmäyksellä oudolle ominaisuudelle löytyy yksinkertainen selitys: säteilevä tähti kutistuu hitaasti. Puristuessaan potentiaalienergia muuttuu tähden putoavien kerrosten kineettiseksi energiaksi ja sen sisäpuoli kuumenee. Lisäksi tähden puristuksen seurauksena hankkima lämpöenergia on kaksinkertainen säteilyn muodossa menetettävään energiaan. Tämän seurauksena tähden sisälämpötila nousee ja kemiallisten alkuaineiden jatkuva lämpöydinsynteesi suoritetaan. Esimerkiksi reaktio vedyn muuntamiseksi heliumiksi nykyisessä Auringossa tapahtuu 15 miljoonan asteen lämpötilassa. Kun 4 miljardin vuoden kuluttua kaikki Auringon keskustassa oleva vety muuttuu heliumiksi, hiiliatomien jatkosynteesi heliumatomeista vaatii paljon korkeamman lämpötilan, noin 100 miljoonaa astetta (heliumytimien sähkövaraus on kaksi kertaa vedyn sähkövaraus ytimiä, ja ytimien tuomiseksi lähemmäksi toisiaan helium 10–13 cm:n etäisyydellä vaatii paljon korkeamman lämpötilan). Juuri tämä lämpötila saadaan aikaan Auringon negatiivisen lämpökapasiteetin vuoksi syttymishetkellä heliumin muuttamiseksi hiileksi tapahtuvassa lämpöydinreaktiossa.

valkoiset kääpiöt

Jos tähden massa on pieni, niin sen ytimen massa, johon lämpöydinmuunnokset vaikuttavat, on pienempi kuin 1,4 M aurinko , kemiallisten alkuaineiden lämpöydinfuusio voi pysähtyä tähden ytimessä olevan elektronikaasun niin sanotun degeneroitumisen vuoksi. Erityisesti rappeutuneen kaasun paine riippuu tiheydestä, mutta ei lämpötilasta, koska elektronien kvanttiliikkeiden energia on paljon suurempi kuin niiden lämpöliikkeen energia.

Degeneroituneen elektronikaasun korkea paine vastustaa tehokkaasti painovoiman supistumisvoimia. Koska paine ei riipu lämpötilasta, tähden energian menetys säteilyn muodossa ei johda sen ytimen puristumiseen. Siksi gravitaatioenergiaa ei vapaudu lisälämmönä. Siksi lämpötila kehittyvässä degeneroituneessa ytimessä ei nouse, mikä johtaa lämpöydinreaktioiden ketjun katkeamiseen.

Ulompi vetykuori, johon lämpöydinreaktiot eivät vaikuta, erottuu tähden ytimestä ja muodostaa planetaarisen sumun, joka hehkuu vedyn, heliumin ja muiden alkuaineiden päästölinjoissa. Pienen massaisen kehittyneen tähden keskeinen kompakti ja suhteellisen kuuma ydin on valkoinen kääpiö - esine, jonka säde on luokkaa Maan sädettä (~ 10 4 km), jonka massa on alle 1,4 M aurinko ja keskimääräinen tiheys luokkaa tonnin kuutiosenttimetriä kohti. Valkoisia kääpiöitä havaitaan suuria määriä. Niiden kokonaismäärä galaksissa saavuttaa 10 10 , eli noin 10 % galaksissa havaitun aineen kokonaismassasta.

Termoydinpalaminen rappeutuneessa valkoisessa kääpiössä voi olla epävakaa ja johtaa melko massiivisen valkoisen kääpiön ydinräjähdykseen, jonka massa on lähellä niin kutsuttua Chandrasekhar-rajaa (1.4). M aurinko). Tällaiset räjähdykset näyttävät tyypin I supernovaräjähdyksiltä, ​​joiden spektrissä ei ole vetylinjoja, vaan vain heliumin, hiilen, hapen ja muiden raskaiden alkuaineiden linjoja.

neutronitähdet

Jos tähden ydin on rappeutunut, sen massan lähestyessä rajaa 1,4 M aurinko ytimessä olevan elektronikaasun tavanomainen rappeutuminen korvataan ns. relativistisella degeneraatiolla.

Degeneroituneiden elektronien kvanttiliikkeet muuttuvat niin nopeiksi, että niiden nopeudet lähestyvät valon nopeutta. Tässä tapauksessa kaasun elastisuus laskee, sen kyky vastustaa painovoimaa heikkenee ja tähti kokee painovoiman romahtamisen. Romahduksen aikana protonit vangitsevat elektronit ja aine neutronisoituu. Tämä johtaa neutronitähden muodostumiseen massiivisesta rappeutuneesta ytimestä.

Jos tähden ytimen alkumassa ylittää 1,4 M aurinko , silloin ytimessä saavutetaan korkea lämpötila, eikä elektronien rappeutumista tapahdu koko sen evoluution aikana. Tässä tapauksessa negatiivinen lämpökapasiteetti toimii: kun tähti menettää energiaa säteilyn muodossa, sen syvyyksien lämpötila nousee, ja siellä on jatkuva lämpöydinreaktioketju, joka muuttaa vedyn heliumiksi, heliumin hiileksi, hiilen hapeksi, ja niin edelleen rautaryhmän elementteihin saakka. Rautaa raskaampien alkuaineiden ytimien termoydinfuusion reaktio ei ole enää energian vapautumisen, vaan energian imeytymisen kanssa. Siksi, jos pääosin rautaryhmän alkuaineista koostuvan tähden ytimen massa ylittää Chandrasekharin rajan 1,4 M aurinko , mutta vähemmän kuin ns. Oppenheimer–Volkov-raja ~3 M aurinko , sitten tähden ydinkehityksen lopussa tapahtuu ytimen painovoiman romahdus, jonka seurauksena tähden ulompi vetykuori sinkoutuu pois, mikä havaitaan tyypin II supernovaräjähdyksenä. spektri, josta havaitaan voimakkaita vetyviivoja.

Rautaytimen romahtaminen johtaa neutronitähden muodostumiseen.

Kun evoluution myöhäisessä vaiheessa saavuttaneen tähden massiivinen ydin puristuu kokoon, lämpötila nousee miljardin asteen luokkaan jättimäisiin arvoihin, kun atomiytimet alkavat hajota neutroneiksi ja protoneiksi. Protonit absorboivat elektroneja, muuttuvat neutroneiksi ja emittoivat neutriinoja. Paulin kvanttimekaanisen periaatteen mukaan neutronit alkavat voimakkaasti puristettua hylätä toisiaan tehokkaasti.

Kun romahtavan ytimen massa on pienempi kuin 3 M aurinko , neutronien nopeudet ovat paljon pienemmät kuin valon nopeus, ja aineen elastisuus neutronien tehokkaan hylkimisen vuoksi voi tasapainottaa painovoimat ja johtaa vakaan neutronitähden muodostumiseen.

Neutronitähtien olemassaolon mahdollisuuden ennusti ensimmäisen kerran vuonna 1932 erinomainen Neuvostoliiton fyysikko Landau heti neutronin löytämisen jälkeen laboratoriokokeissa. Neutronitähden säde on lähes 10 km, sen keskimääräinen tiheys on satoja miljoonia tonneja kuutiosenttimetriä kohden.

Kun romahtavan tähden ytimen massa on suurempi kuin 3 M aurinko , sitten olemassa olevien ideoiden mukaan syntynyt neutronitähti romahtaa jäähtyessään mustaksi aukoksi. Neutronitähden romahtamista mustaksi aukoksi edesauttaa myös supernovaräjähdyksen aikana irtautuneen tähden vaipan osan putoaminen taaksepäin.

Neutronitähdellä on taipumus pyöriä nopeasti, koska sen synnyttäneellä normaalilla tähdellä voi olla merkittävä kulmaliike. Kun tähden ydin romahtaa neutronitähdeksi, tähden ominaismitat pienenevät R= 10 5 – 10 6 km R≈ 10 km. Kun tähden koko pienenee, sen hitausmomentti pienenee. Kulmamomentin ylläpitämiseksi aksiaalisen pyörimisnopeuden on noustava jyrkästi. Esimerkiksi jos Aurinko, joka pyörii noin kuukauden jaksolla, puristuu neutronitähden kokoiseksi, kiertoaika lyhenee 10 -3 sekuntiin.

Yksittäiset neutronitähdet, joilla on vahva magneettikenttä, ilmenevät radiopulsareina - tiukasti jaksollisten radiosäteilypulssien lähteinä, jotka syntyvät, kun neutronitähden nopean pyörimisen energia muunnetaan suunnatuksi radiosäteilyksi. Binäärisysteemeissä lisääntyvät neutronitähdet ilmentävät röntgenpulsarin ja tyypin 1 röntgenpurskeen ilmiötä.

Mustalta aukolta ei voida odottaa tiukasti jaksoittaista säteilypulsaatiota, koska mustalla aukolla ei ole havaittavaa pintaa eikä magneettikenttää. Kuten fyysikot usein ilmaisevat, mustilla aukoilla ei ole "hiuksia" - kaikki kentät ja kaikki tapahtumahorisontin lähellä olevat epähomogeenisuudet säteilevät, kun romahtavasta aineesta muodostuu musta aukko gravitaatioaaltojen virran muodossa. Tämän seurauksena muodostuneella mustalla aukolla on vain kolme ominaisuutta: massa, kulmamomentti ja sähkövaraus. Kaikki romahtavan aineen yksittäiset ominaisuudet mustan aukon muodostumisen aikana unohtuvat: esimerkiksi raudasta ja vedestä muodostuneilla mustilla aukoilla on muiden asioiden ollessa samat ominaisuudet.

Kuten yleinen suhteellisuusteoria (GR) ennustaa, tähdet, joiden rautaytimen massat evoluution lopussa ylittävät 3 M aurinko, koe rajoittamaton puristus (relativistinen romahdus) mustan aukon muodostuessa. Tämä selittyy sillä, että yleisessä suhteellisuusteoriassa tähteä puristamaan pyrkivät gravitaatiovoimat määräytyvät energiatiheyden mukaan, ja valtavilla ainetiheyksillä, jotka saavutetaan puristamalla niin massiivinen tähden ydin, pääasiallinen vaikutus energiatiheyteen ei enää ole. hiukkasten lepoenergia, mutta niiden liikkeen ja vuorovaikutuksen energia . Osoittautuu, että yleisessä suhteellisuusteoriassa aineen paine erittäin suurilla tiheyksillä näyttää "painottavan" itseään: mitä suurempi paine, sitä suurempi on energiatiheys ja siten sitä suuremmat gravitaatiovoimat, jotka pyrkivät puristamaan ainetta. Lisäksi voimakkaiden gravitaatiokenttien alla aika-avaruuden kaarevuuden vaikutukset tulevat perustavanlaatuisesti tärkeiksi, mikä myös myötävaikuttaa tähden rajattoman ytimen puristumiseen ja sen muuttumiseen mustaksi aukoksi (kuva 3).

Lopuksi toteamme, että aikakautemme muodostuneet mustat aukot (esimerkiksi Cygnus X-1 -järjestelmän musta aukko) eivät tarkalleen ottaen ole sataprosenttisesti mustia aukkoja, koska ajan relativistisen hidastumisen vuoksi kaukainen tarkkailija, heidän tapahtumahorisonttinsa eivät ole vielä muodostuneet. Tällaisten romahtavien tähtien pinnat näyttävät maallisen tarkkailijan silmissä jäätyneiltä ja lähestyvät tapahtumahorisonttiaan äärettömän pitkään.

Jotta mustia aukkoja lopulta muodostuisi sellaisista romahtavista esineistä, meidän on odotettava koko universumimme äärettömän pitkä olemassaoloaika. On kuitenkin korostettava, että jo relativistisen romahduksen ensimmäisissä sekunneissa romahtavan tähden pinta Maan havainnoijalle lähestyy hyvin lähellä tapahtumahorisonttia ja kaikki prosessit tällä pinnalla hidastuvat äärettömästi.

« Tieteiskirjallisuudesta voi olla hyötyä – se stimuloi mielikuvitusta ja lievittää tulevaisuuden pelkoa. Tieteelliset tosiasiat voivat kuitenkin olla paljon hämmästyttävämpiä. Tieteiskirjallisuus ei edes kuvitellut mustia aukkoja.»
Stephen Hawking

Universumin syvyyksissä ihmiselle piilee lukemattomia mysteereitä ja mysteereitä. Yksi niistä on mustat aukot - esineet, joita edes ihmiskunnan suurimmat mielet eivät voi ymmärtää. Sadat astrofyysikot yrittävät selvittää mustien aukkojen luonnetta, mutta tässä vaiheessa emme ole edes todistaneet niiden olemassaoloa käytännössä.

Elokuvaohjaajat omistavat elokuvansa heille, ja tavallisten ihmisten keskuudessa mustista aukoista on tullut niin kulttiilmiö, että ne tunnistetaan maailmanloppuun ja välittömään kuolemaan. Heitä pelätään ja vihataan, mutta samalla heitä jumaloidaan ja kumarrataan tuntemattoman edessä, jota nämä omituiset universumin palaset ovat täynnä. Samaa mieltä, mustan aukon nieleminen on edelleen romanttista. Heidän avullaan voit, ja heistä voi myös tulla meille oppaita.

Keltainen lehdistö spekuloi usein mustien aukkojen suosiolla. Ei ole ongelma löytää sanomalehdistä otsikoita, jotka liittyvät planeetan maailmanloppuun toisen törmäyksen vuoksi supermassiivisen mustan aukon kanssa. Paljon pahempaa on, että lukutaidoton osa väestöstä ottaa kaiken vakavasti ja aiheuttaa todellista paniikkia. Selvyyden vuoksi lähdemme matkalle mustien aukkojen löytämisen alkuperään ja yritämme ymmärtää, mitä se on ja miten siihen voidaan suhtautua.

näkymättömiä tähtiä

Niin tapahtui, että nykyajan fyysikot kuvaavat universumimme rakennetta suhteellisuusteorian avulla, jonka Einstein tarkasti ihmiskunnalle 1900-luvun alussa. Sitä mystisempiä ovat mustat aukot, joiden tapahtumahorisontissa kaikki meille tuntemamme fysiikan lait, mukaan lukien Einsteinin teoria, lakkaavat toimimasta. Eikö olekin ihanaa? Lisäksi olettamus mustien aukkojen olemassaolosta ilmaistiin kauan ennen itse Einsteinin syntymää.

Vuonna 1783 tieteellinen toiminta lisääntyi merkittävästi Englannissa. Siihen aikaan tiede kulki uskonnon rinnalla, he tulivat hyvin toimeen keskenään, eikä tiedemiehiä enää pidetty harhaoppisina. Lisäksi papit harjoittivat tieteellistä tutkimusta. Yksi näistä Jumalan palvelijoista oli englantilainen pastori John Michell, joka esitti itselleen paitsi elämänkysymyksiä, myös varsin tieteellisiä tehtäviä. Michell oli hyvin arvostettu tiedemies: alun perin hän oli matematiikan ja muinaisen kielitieteen opettaja yhdessä korkeakouluissa, ja sen jälkeen hänet hyväksyttiin Lontoon Royal Societyyn useiden löytöjen vuoksi.

John Michell käsitteli seismologiaa, mutta vapaa-ajallaan hän ajatteli mielellään ikuisuutta ja kosmosta. Joten hänellä oli ajatus, että jossain universumin syvyyksissä voi olla supermassiivisia kappaleita, joilla on niin voimakas painovoima, että sellaisen kappaleen gravitaatiovoiman voittamiseksi on välttämätöntä liikkua nopeudella, joka on yhtä suuri tai suurempi kuin nopeus. valosta. Jos hyväksymme tällaisen teorian todeksi, edes valo ei pysty kehittämään toista kosmista nopeutta (nopeutta, joka tarvitaan poistuvan kappaleen vetovoiman voittamiseksi), joten tällainen kappale jää näkymättömäksi paljaalla silmällä.

Michell kutsui uutta teoriaansa "tummiksi tähdiksi" ja yritti samalla laskea tällaisten esineiden massan. Hän ilmaisi ajatuksensa tästä asiasta avoimessa kirjeessä Lontoon Royal Societylle. Valitettavasti tuohon aikaan tällaisella tutkimuksella ei ollut erityistä arvoa tieteelle, joten Michellin kirje lähetettiin arkistoon. Vain kaksisataa vuotta myöhemmin, 1900-luvun jälkipuoliskolla, se löydettiin tuhansien muiden muinaiseen kirjastoon huolellisesti tallennettujen asiakirjojen joukosta.

Ensimmäinen tieteellinen todiste mustien aukkojen olemassaolosta

Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian julkaisun jälkeen matemaatikot ja fyysikot ryhtyivät vakavasti ratkaisemaan saksalaisen tiedemiehen esittämiä yhtälöitä, joiden olisi pitänyt kertoa meille paljon maailmankaikkeuden rakenteesta. Saksalainen tähtitieteilijä, fyysikko Karl Schwarzschild päätti tehdä saman vuonna 1916.

Tiedemies tuli laskelmiaan käyttäen siihen tulokseen, että mustien aukkojen olemassaolo on mahdollista. Hän kuvasi myös ensimmäisenä sitä, mitä myöhemmin kutsuttiin romanttiseksi lauseeksi "tapahtumahorisontti" - kuvitteellinen aika-avaruuden raja mustassa aukossa, jonka ylittämisen jälkeen tulee kohta, josta ei ole paluuta. Tapahtumahorisontista ei karkaa mikään, ei edes valo. Tapahtumahorisontin ulkopuolella tapahtuu niin sanottu "singulaarisuus", jossa meille tuntemamme fysiikan lait lakkaavat toimimasta.

Jatkaessaan teoriansa kehittämistä ja yhtälöiden ratkaisemista, Schwarzschild löysi uusia mustien aukkojen salaisuuksia itselleen ja maailmalle. Joten hän pystyi laskemaan yksinomaan paperilla etäisyyden mustan aukon keskustasta, jossa sen massa on keskittynyt, tapahtumahorisonttiin. Schwarzschild kutsui tätä etäisyyttä gravitaatiosäteeksi.

Huolimatta siitä, että matemaattisesti Schwarzschildin ratkaisut olivat poikkeuksellisen oikeita eikä niitä voitu kumota, 1900-luvun alun tiedeyhteisö ei voinut heti hyväksyä tällaista järkyttävää löytöä, ja mustien aukkojen olemassaolo kirjattiin fantasiaksi, joka silloin tällöin ilmeni suhteellisuusteoriassa. Seuraavien viidentoista vuoden ajan avaruuden tutkiminen mustien aukkojen esiintymiseksi oli hidasta, ja vain muutamat saksalaisen fyysikon teorian kannattajat osallistuivat siihen.

Tähdet, jotka synnyttävät pimeyttä

Kun Einsteinin yhtälöt oli järjestetty hyllyille, oli aika käyttää tehtyjä johtopäätöksiä ymmärtääkseen maailmankaikkeuden rakennetta. Erityisesti tähtien evoluutioteoriassa. Ei ole mikään salaisuus, että mikään maailmassamme ei ole ikuista. Jopa tähdillä on oma elämänkiertonsa, vaikkakin pidempi kuin ihmisellä.

Yksi ensimmäisistä tutkijoista, joka kiinnostui vakavasti tähtien evoluutiosta, oli nuori astrofyysikko Subramanyan Chandrasekhar, intialainen. Vuonna 1930 hän julkaisi tieteellisen työn, joka kuvasi tähtien väitettyä sisäistä rakennetta sekä niiden elinkaarta.

Tiedemiehet arvasivat jo 1900-luvun alussa sellaisesta ilmiöstä kuin gravitaatiosupistuminen (gravitaation romahdus). Tietyssä elämänsä vaiheessa tähti alkaa supistua valtavasti gravitaatiovoimien vaikutuksesta. Yleensä tämä tapahtuu tähden kuoleman hetkellä, mutta painovoiman romahtamisen yhteydessä on useita tapoja kuuman pallon olemassaololle.

Chandrasekharin ohjaaja Ralph Fowler, aikansa arvostettu teoreettinen fyysikko, ehdotti, että gravitaatioromahduksen aikana mikä tahansa tähti muuttuu pienemmäksi ja kuumemmaksi - valkoiseksi kääpiöksi. Mutta kävi ilmi, että opiskelija "rikoi" opettajan teorian, jonka useimmat fyysikot jakoivat viime vuosisadan alussa. Nuoren hindun työn mukaan tähden kuolema riippuu sen alkuperäisestä massasta. Esimerkiksi vain ne tähdet, joiden massa ei ylitä 1,44 kertaa Auringon massaa, voivat muuttua valkoisiksi kääpiöiksi. Tätä numeroa on kutsuttu Chandrasekhar-rajaksi. Jos tähden massa ylitti tämän rajan, se kuolee täysin eri tavalla. Tietyissä olosuhteissa tällainen tähti kuoleman hetkellä voi syntyä uudelleen uudeksi neutronitähdeksi - toinen nykyaikaisen maailmankaikkeuden mysteeri. Suhteellisuusteoria puolestaan ​​kertoo meille vielä yhden vaihtoehdon - tähden puristamisen erittäin pieniin arvoihin, ja tästä alkaa mielenkiintoisin.

Vuonna 1932 eräässä tieteellisessä lehdessä ilmestyi artikkeli, jossa loistava Neuvostoliiton fyysikko Lev Landau ehdotti, että romahduksen aikana supermassiivinen tähti puristuu pisteeksi, jolla on äärettömän pieni säde ja ääretön massa. Huolimatta siitä, että tällaista tapahtumaa on erittäin vaikea kuvitella valmistautumattoman henkilön näkökulmasta, Landau ei ollut kaukana totuudesta. Fyysikko ehdotti myös, että suhteellisuusteorian mukaan painovoima olisi sellaisessa pisteessä niin suuri, että se alkaisi vääristää aika-avaruutta.

Astrofyysikot pitivät Landaun teoriasta, ja he jatkoivat sen kehittämistä. Vuonna 1939 Amerikassa kahden fyysikon - Robert Oppenheimerin ja Hartland Sneijderin - ponnistelujen ansiosta ilmestyi teoria, joka kuvaa yksityiskohtaisesti supermassiivista tähteä romahduksen aikaan. Tällaisen tapahtuman seurauksena todellinen musta aukko olisi pitänyt ilmaantua. Argumenttien vakuuttavuudesta huolimatta tutkijat kielsivät edelleen tällaisten kappaleiden olemassaolon mahdollisuuden sekä tähtien muuttumisen niihin. Jopa Einstein erotti itsensä tästä ajatuksesta uskoen, että tähti ei kykene sellaisiin ilmiömäisiin muutoksiin. Muut fyysikot eivät olleet niukka lausunnossaan ja kutsuivat tällaisten tapahtumien mahdollisuutta naurettavaksi.
Tiede saavuttaa kuitenkin aina totuuden, sinun on vain odotettava vähän. Ja niin kävi.

Universumin kirkkaimmat esineet

Maailmamme on kokoelma paradokseja. Joskus siinä esiintyy rinnakkain asioita, joiden rinnakkaiselo uhmaa minkäänlaista logiikkaa. Esimerkiksi termiä "musta aukko" ei tavallisessa ihmisessä yhdistettäisi ilmaisuun "uskomattoman kirkas", mutta viime vuosisadan 60-luvun alun löytö antoi tutkijoille mahdollisuuden pitää tätä väitettä virheellisenä.

Astrofyysikot onnistuivat kaukoputkien avulla havaitsemaan tähtitaivaalta toistaiseksi tuntemattomia esineitä, jotka käyttäytyivät hyvin oudosti huolimatta siitä, että ne näyttivät tavallisilta tähdiltä. Näitä outoja valaisimia tutkiessaan amerikkalainen tiedemies Martin Schmidt kiinnitti huomiota niiden spektrografiaan, jonka tiedot osoittivat erilaisia ​​tuloksia kuin muiden tähtien skannaus. Yksinkertaisesti sanottuna nämä tähdet eivät olleet kuten muut, joihin olemme tottuneet.

Yhtäkkiä se valkeni Schmidtille, ja hän kiinnitti huomion spektrin siirtymiseen punaisella alueella. Kävi ilmi, että nämä esineet ovat paljon kauempana meistä kuin tähdet, joita olemme tottuneet näkemään taivaalla. Esimerkiksi Schmidtin havaitsema kohde sijaitsi kahden ja puolen miljardin valovuoden päässä planeettamme, mutta loisti yhtä kirkkaasti kuin tähti muutaman sadan valovuoden päässä. Osoittautuu, että yhden tällaisen kohteen valo on verrattavissa koko galaksin kirkkauteen. Tämä löytö oli todellinen läpimurto astrofysiikassa. Tiedemies kutsui näitä esineitä "kvasitähteiksi" tai yksinkertaisesti "kvasaariksi".

Martin Schmidt jatkoi uusien esineiden tutkimista ja huomasi, että tällainen kirkas hehku voi johtua vain yhdestä syystä - kasautumisesta. Accretion on prosessi, jossa supermassiivinen kappale imeytyy ympäröivään aineeseen painovoiman avulla. Tiedemies tuli siihen tulokseen, että kvasaarien keskellä on valtava musta aukko, joka uskomattomalla voimalla vetää itseensä ympäröivän aineen avaruudessa. Aineen absorptioprosessissa hiukkaset kiihtyvät valtaviin nopeuksiin ja alkavat hehkua. Mustan aukon ympärillä olevaa omituista valokupua kutsutaan accretion kiekkoksi. Sen visualisointi osoitti hyvin Christopher Nolanin elokuvassa "Interstellar", joka herätti monia kysymyksiä "miten musta aukko voi hehkua?".

Tähän mennessä tutkijat ovat löytäneet tuhansia kvasaareita tähtitaivaalta. Näitä outoja, uskomattoman kirkkaita esineitä kutsutaan maailmankaikkeuden majakoiksi. Niiden avulla voimme kuvitella kosmoksen rakenteen hieman paremmin ja päästä lähemmäksi hetkeä, josta kaikki alkoi.

Huolimatta siitä, että astrofyysikot ovat saaneet epäsuoria todisteita supermassiivisten näkymättömien esineiden olemassaolosta universumissa useiden vuosien ajan, termiä "musta aukko" ei ollut olemassa ennen vuotta 1967. Monimutkaisten nimien välttämiseksi amerikkalainen fyysikko John Archibald Wheeler ehdotti tällaisten kohteiden kutsumista "mustiksi aukoiksi". Miksi ei? Jossain määrin ne ovat mustia, koska emme näe niitä. Lisäksi ne vetävät puoleensa kaiken, niihin voi pudota, aivan kuin todelliseen reikään. Ja päästä pois sellaisesta paikasta nykyaikaisten fysiikan lakien mukaan on yksinkertaisesti mahdotonta. Stephen Hawking kuitenkin väittää, että mustan aukon läpi matkustaessasi voit päästä toiseen universumiin, toiseen maailmaan, ja tämä on toivoa.

Pelko äärettömyydestä

Mustien aukkojen liiallisen mysteerin ja romantisoinnin vuoksi näistä esineistä on tullut todellinen kauhutarina ihmisten keskuudessa. Keltainen lehdistö spekuloi mielellään väestön lukutaidottomuudella ja kertoo uskomattomista tarinoista kuinka valtava musta aukko on siirtymässä kohti maapalloa, joka nielee aurinkokunnan muutamassa tunnissa tai yksinkertaisesti päästää myrkyllisen kaasun aaltoja kohti meitä. planeetta.

Erityisen suosittu on teema planeetan tuhoamisesta Large Hadron Colliderin avulla, joka rakennettiin Euroopassa vuonna 2006 Euroopan ydintutkimusneuvoston (CERN) alueelle. Paniikkiaalto alkoi jonkun typerästä vitsistä, mutta kasvoi kuin lumipallo. Joku käynnisti huhun, että törmätimen hiukkaskiihdyttimeen voisi muodostua musta aukko, joka nielaisi planeettamme kokonaan. Tietenkin närkästyneet ihmiset alkoivat vaatia LHC:n kokeiden kieltämistä peläten tällaista tulosta. Euroopan tuomioistuimeen alkoi tulla kanteita, joissa vaadittiin törmäimen sulkemista, ja sen luoneita tiedemiehiä rangaistiin mahdollisimman laajasti.

Itse asiassa fyysikot eivät kiellä, että kun hiukkaset törmäävät Large Hadron Colliderissa, voi ilmaantua esineitä, jotka ovat ominaisuuksiltaan samanlaisia ​​kuin mustia aukkoja, mutta niiden koko on alkuainehiukkaskokojen tasolla ja tällaisia ​​"reikiä" on olemassa niin lyhyen ajan. ettemme voi edes tallentaa niiden esiintymistä.

Yksi tärkeimmistä asiantuntijoista, jotka yrittävät hälventää tietämättömyyden aaltoa ihmisten edessä, on Stephen Hawking - kuuluisa teoreettinen fyysikko, jota lisäksi pidetään todellisena "guruna" mustien aukkojen suhteen. Hawking osoitti, että mustat aukot eivät aina absorboi akkrektiolevyissä näkyvää valoa, ja osa siitä on hajallaan avaruuteen. Tätä ilmiötä on kutsuttu Hawkingin säteilyksi tai mustan aukon haihtumiseksi. Hawking loi myös mustan aukon koon ja sen "haihtumisnopeuden" välisen suhteen - mitä pienempi se on, sitä vähemmän se on olemassa ajassa. Ja tämä tarkoittaa, että kaikkien Large Hadron Colliderin vastustajien ei pitäisi huolehtia: siinä olevat mustat aukot eivät voi olla olemassa edes miljoonasosaa sekunnista.

Teoriaa ei ole todistettu käytännössä

Valitettavasti ihmiskunnan teknologiat tässä kehitysvaiheessa eivät salli meidän testata useimpia astrofyysikkojen ja muiden tutkijoiden kehittämiä teorioita. Toisaalta mustien aukkojen olemassaolo on varsin vakuuttavasti todistettu paperilla ja päätelty kaavoilla, joissa kaikki konvergoi jokaisen muuttujan kanssa. Toisaalta käytännössä emme ole vielä onnistuneet näkemään omin silmin todellista mustaa aukkoa.

Kaikista erimielisyyksistä huolimatta fyysikot ehdottavat, että jokaisen galaksin keskellä on supermassiivinen musta aukko, joka kokoaa tähdet klustereihin painovoimallaan ja saa sinut matkustamaan ympäri maailmankaikkeutta suuressa ja ystävällisessä seurassa. Linnunradallamme on eri arvioiden mukaan 200-400 miljardia tähteä. Kaikki nämä tähdet kiertävät jotain, jolla on valtava massa, sellaisen ympärillä, jota emme voi nähdä kaukoputkella. Se on todennäköisesti musta aukko. Pitäisikö hänen pelätä? - Ei, ei ainakaan seuraavan muutaman miljardin vuoden aikana, mutta voimme tehdä hänestä toisen mielenkiintoisen elokuvan.