Zwart gat: wat zit erin? Interessante feiten en onderzoek. Wat is een zwart gat?

24 januari 2013

Van alle hypothetische objecten in het universum die door wetenschappelijke theorieën worden voorspeld, maken zwarte gaten de meest griezelige indruk. En hoewel veronderstellingen over hun bestaan ​​bijna anderhalve eeuw vóór de publicatie van de algemene relativiteitstheorie door Einstein tot uitdrukking kwamen, is er vrij recent overtuigend bewijs voor de realiteit van hun bestaan ​​verkregen.

Laten we beginnen met hoe de algemene relativiteitstheorie de kwestie van de aard van de zwaartekracht aanpakt. Newtons wet van universele zwaartekracht stelt dat er tussen twee massieve lichamen in het universum een ​​wederzijdse aantrekkingskracht is. Door deze aantrekkingskracht draait de aarde om de zon. De algemene relativiteitstheorie dwingt ons om anders naar het Zon-Aarde-systeem te kijken. Volgens deze theorie bezwijkt de ruimte-tijd als het ware onder zijn gewicht in de aanwezigheid van zo'n massief hemellichaam als de zon en wordt de uniformiteit van zijn weefsel verstoord. Stel je een elastische trampoline voor waarop een zware bal ligt (bijvoorbeeld van een bowlingbaan). De uitgerekte stof zakt door onder zijn gewicht, waardoor er een verdunning rondom ontstaat. Op dezelfde manier duwt de zon de ruimtetijd om zich heen.

Volgens deze afbeelding rolt de aarde gewoon rond de gevormde trechter (behalve dat een kleine bal die op een trampoline rond een zware rolt, onvermijdelijk snelheid verliest en naar een grote spiraal draait). En wat we gewoonlijk waarnemen als de zwaartekracht in ons dagelijks leven, is ook niets meer dan een verandering in de geometrie van ruimte-tijd, en niet een kracht in de Newtoniaanse zin. Tot op heden is er geen succesvollere verklaring van de aard van de zwaartekracht uitgevonden dan de algemene relativiteitstheorie ons geeft.

Stel je nu eens voor wat er gebeurt als we - in het kader van het voorgestelde beeld - de massa van een zware bal vergroten en vergroten, zonder de fysieke afmetingen ervan te vergroten? Omdat de trechter absoluut elastisch is, zal hij dieper worden totdat de bovenranden ergens hoog boven de volledig zwaardere bal samenkomen, en dan houdt hij gewoon op te bestaan, gezien vanaf het oppervlak. In het echte universum, dat voldoende massa en dichtheid van materie heeft verzameld, slaat het object een ruimte-tijdval om zich heen, het weefsel van ruimte-tijd sluit zich en het verliest het contact met de rest van het universum en wordt er onzichtbaar voor. Zo ontstaat een zwart gat.

Schwarzschild en zijn tijdgenoten geloofden dat zulke vreemde kosmische objecten niet in de natuur bestaan. Einstein hield niet alleen vast aan dit standpunt, maar geloofde ook ten onrechte dat hij erin slaagde zijn mening wiskundig te onderbouwen.

In de jaren dertig van de vorige eeuw bewees een jonge Indiase astrofysicus, Chandrasekhar, dat een ster die zijn kernbrandstof heeft opgebruikt, alleen zijn schaal verliest en verandert in een langzaam afkoelende witte dwerg als zijn massa minder dan 1,4 zonsmassa is. Al snel vermoedde de Amerikaan Fritz Zwicky dat extreem dichte lichamen van neutronenmaterie ontstaan ​​in supernova-explosies; Later kwam Lev Landau tot dezelfde conclusie. Na het werk van Chandrasekhar was het duidelijk dat alleen sterren met een massa van meer dan 1,4 zonsmassa een dergelijke evolutie konden ondergaan. Daarom ontstond er een natuurlijke vraag - is er een bovengrens voor de massa voor supernova's die neutronensterren achterlaten?

Eind jaren dertig stelde de toekomstige vader van de Amerikaanse atoombom, Robert Oppenheimer, vast dat een dergelijke limiet inderdaad bestaat en niet groter is dan enkele zonnemassa's. Een preciezere beoordeling was toen niet mogelijk; het is nu bekend dat de massa's van neutronensterren tussen 1,5 en 3 Ms moeten liggen. Maar zelfs uit de geschatte berekeningen van Oppenheimer en zijn afgestudeerde student George Volkov, volgde het dat de meest massieve afstammelingen van supernova's geen neutronensterren worden, maar in een andere staat terechtkomen. In 1939 bewezen Oppenheimer en Hartland Snyder in een geïdealiseerd model dat een massieve instortende ster samentrekt tot zijn zwaartekrachtstraal. Uit hun formules volgt in feite dat de ster daar niet stopt, maar de co-auteurs hebben afgezien van zo'n radicale conclusie.

09.07.1911 - 13.04.2008

Het definitieve antwoord werd in de tweede helft van de 20e eeuw gevonden door de inspanningen van een melkwegstelsel van briljante theoretische natuurkundigen, waaronder Sovjet-fysici. Het bleek dat een dergelijke ineenstorting de ster altijd "tot aan de aanslag" comprimeert en de substantie volledig vernietigt. Hierdoor ontstaat een singulariteit, een "superconcentraat" van het zwaartekrachtsveld, gesloten in een oneindig klein volume. Voor een vast gat is dit een punt, voor een roterend gat is het een ring. De kromming van de ruimte-tijd en bijgevolg de zwaartekracht nabij de singulariteit neigen naar oneindig. Eind 1967 was de Amerikaanse natuurkundige John Archibald Wheeler de eerste die zo'n laatste stellaire ineenstorting een zwart gat noemde. De nieuwe term werd verliefd op natuurkundigen en opgetogen journalisten die hem over de hele wereld verspreidden (hoewel de Fransen er aanvankelijk niet van hielden, omdat de uitdrukking trou noir dubieuze associaties suggereerde).

De belangrijkste eigenschap van een zwart gat is dat wat er ook in komt, het niet terugkomt. Dit geldt zelfs voor licht, en daarom krijgen zwarte gaten hun naam: een lichaam dat al het licht dat erop valt absorbeert en geen eigen licht uitstraalt, lijkt volledig zwart. Volgens de algemene relativiteitstheorie, als een object het centrum van een zwart gat op een kritische afstand nadert - deze afstand wordt de Schwarzschild-straal genoemd - kan het nooit teruggaan. (De Duitse astronoom Karl Schwarzschild (1873-1916) berekende in de laatste jaren van zijn leven, met behulp van de vergelijkingen van Einsteins algemene relativiteitstheorie, het zwaartekrachtsveld rond een massa van nul volume.) Voor de massa van de zon, de Schwarzschild straal is 3 km, dat wil zeggen, om onze zon in een zwart gat te veranderen, moet je al zijn massa condenseren tot de grootte van een kleine stad!

Binnen de straal van Schwarzschild voorspelt de theorie nog vreemdere fenomenen: alle materie in een zwart gat verzamelt zich in een oneindig klein punt van oneindige dichtheid in het centrum - wiskundigen noemen zo'n object een bijzondere verstoring. Bij oneindige dichtheid neemt elke eindige massa van materie, wiskundig gesproken, nul ruimtelijk volume in. Of dit fenomeen zich echt voordoet in een zwart gat, kunnen we natuurlijk niet experimenteel verifiëren, omdat alles wat binnen de straal van Schwarzschild is gevallen niet terugkomt.

Dus, zonder in staat te zijn een zwart gat te "bekijken" in de traditionele zin van het woord "kijken", kunnen we niettemin de aanwezigheid ervan detecteren door indirecte tekenen van de invloed van zijn superkrachtige en volledig ongebruikelijke zwaartekrachtveld op de materie eromheen .

Superzware zwarte gaten

In het centrum van onze Melkweg en andere sterrenstelsels bevindt zich een ongelooflijk massief zwart gat dat miljoenen keren zwaarder is dan de zon. Deze superzware zwarte gaten (zoals ze worden genoemd) werden ontdekt door de aard van de beweging van interstellair gas nabij de centra van sterrenstelsels te observeren. De gassen roteren, te oordelen naar de waarnemingen, op korte afstand van het superzware object, en eenvoudige berekeningen met behulp van de wetten van de mechanica van Newton laten zien dat het object dat ze aantrekt, met een magere diameter, een monsterlijke massa heeft. Alleen een zwart gat kan op deze manier het interstellaire gas in het centrum van de melkweg ronddraaien. In feite hebben astrofysici al tientallen van dergelijke massieve zwarte gaten gevonden in de centra van onze naburige sterrenstelsels, en ze vermoeden sterk dat het centrum van elk sterrenstelsel een zwart gat is.

Zwarte gaten met stellaire massa

Volgens ons huidige begrip van de evolutie van sterren, wanneer een ster met een massa van meer dan ongeveer 30 zonsmassa's sterft in een supernova-explosie, vliegt zijn buitenste schil uit elkaar, en de binnenste lagen storten snel in naar het centrum en vormen een zwart gat in de plaats van de ster die zijn brandstofreserves heeft opgebruikt. Het is praktisch onmogelijk om een ​​zwart gat van deze oorsprong geïsoleerd in de interstellaire ruimte te identificeren, omdat het zich in een ijl vacuüm bevindt en zich op geen enkele manier manifesteert in termen van zwaartekrachtinteracties. Als zo'n gat echter deel uitmaakte van een dubbelstersysteem (twee hete sterren die rond hun zwaartepunt draaien), zou het zwarte gat nog steeds een zwaartekrachtseffect hebben op zijn partnerster. Astronomen hebben tegenwoordig meer dan een dozijn kandidaten voor de rol van dit soort sterrenstelsels, hoewel voor geen van hen rigoureus bewijs is verkregen.

In een binair systeem met een zwart gat in zijn samenstelling, zal de materie van een "levende" ster onvermijdelijk "stromen" in de richting van het zwarte gat. En de materie die door het zwarte gat wordt weggezogen, zal in een spiraal ronddraaien als hij in het zwarte gat valt, en verdwijnen als hij de Schwarzschild-straal overschrijdt. Bij het naderen van de fatale grens zal de materie die in de trechter van het zwarte gat wordt gezogen echter onvermijdelijk condenseren en opwarmen als gevolg van frequentere botsingen tussen de deeltjes die door het gat worden geabsorbeerd, totdat het wordt verwarmd tot de energie van golfstraling in het Röntgenstraalbereik van het elektromagnetische stralingsspectrum. Astronomen kunnen de frequentie van dit soort veranderingen in de röntgenintensiteit meten en, door het te vergelijken met andere beschikbare gegevens, de geschatte massa berekenen van een object dat materie naar zich toe 'trekt'. Als de massa van een object de Chandrasekhar-limiet (1,4 zonsmassa's) overschrijdt, kan dit object geen witte dwerg zijn, waarin ons lichtlichaam gedoemd is te degenereren. In de meeste gevallen van waargenomen waarnemingen van dergelijke dubbele röntgensterren is een neutronenster een massief object. Er zijn echter meer dan een dozijn gevallen geweest waarin de enige redelijke verklaring de aanwezigheid van een zwart gat in een dubbelstersysteem is.

Alle andere soorten zwarte gaten zijn veel speculatiever en uitsluitend gebaseerd op theoretisch onderzoek - er is helemaal geen experimentele bevestiging van hun bestaan. Ten eerste zijn dit zwarte mini-gaatjes met een massa vergelijkbaar met de massa van een berg en samengeperst tot de straal van een proton. Het idee van hun oorsprong in de beginfase van de vorming van het heelal onmiddellijk na de oerknal werd voorgesteld door de Engelse kosmoloog Stephen Hawking (zie het verborgen principe van tijdonomkeerbaarheid). Hawking suggereerde dat explosies van mini-gaatjes het werkelijk mysterieuze fenomeen van gebeitelde uitbarstingen van gammastraling in het universum zouden kunnen verklaren. Ten tweede voorspellen sommige theorieën over elementaire deeltjes het bestaan ​​in het heelal - op microniveau - van een echte zeef van zwarte gaten, die een soort schuim zijn van het afval van het heelal. De diameter van dergelijke microgaatjes is vermoedelijk ongeveer 10-33 cm - ze zijn miljarden keren kleiner dan een proton. Op dit moment hebben we geen enkele hoop op een experimentele verificatie van zelfs het feit van het bestaan ​​van dergelijke zwarte gaten-deeltjes, om nog maar te zwijgen van, om hun eigenschappen op de een of andere manier te onderzoeken.

En wat gebeurt er met de waarnemer als hij zich plotseling aan de andere kant van de zwaartekrachtradius bevindt, ook wel de waarnemingshorizon genoemd. Hier begint de meest verbazingwekkende eigenschap van zwarte gaten. Niet tevergeefs, als we het over zwarte gaten hebben, we hebben het altijd over tijd gehad, of beter gezegd ruimte-tijd. Volgens de relativiteitstheorie van Einstein geldt dat hoe sneller een lichaam beweegt, hoe groter de massa wordt, maar hoe langzamer de tijd begint te gaan! Bij lage snelheden onder normale omstandigheden is dit effect niet waarneembaar, maar als het lichaam (ruimteschip) beweegt met een snelheid die dicht bij de lichtsnelheid ligt, dan neemt de massa toe en vertraagt ​​de tijd! Wanneer de snelheid van het lichaam gelijk is aan de snelheid van het licht, draait de massa naar oneindig en stopt de tijd! Dit wordt bewezen door strikte wiskundige formules. Laten we teruggaan naar het zwarte gat. Stel je een fantastische situatie voor wanneer een ruimteschip met astronauten aan boord de zwaartekrachtsstraal of de waarnemingshorizon nadert. Het is duidelijk dat de waarnemingshorizon zo wordt genoemd omdat we alle gebeurtenissen (waarnemen in het algemeen) alleen tot aan deze grens kunnen waarnemen. Dat we deze grens niet kunnen observeren. Als ze zich echter in een schip bevinden dat een zwart gat nadert, zullen de astronauten hetzelfde voelen als voorheen, omdat. volgens hun horloge zal de tijd "normaal" gaan. Het ruimtevaartuig zal rustig de waarnemingshorizon oversteken en verder gaan. Maar aangezien zijn snelheid dicht bij de lichtsnelheid zal liggen, zal het ruimtevaartuig letterlijk in een oogwenk het centrum van het zwarte gat bereiken.

En voor een externe waarnemer stopt het ruimtevaartuig gewoon bij de waarnemingshorizon en zal daar bijna voor altijd blijven! Dat is de paradox van de kolossale zwaartekracht van zwarte gaten. De vraag is natuurlijk, maar zullen de astronauten die naar het oneindige gaan volgens de klok van een externe waarnemer in leven blijven. Nee. En het gaat helemaal niet om de enorme zwaartekracht, maar om de getijdekrachten, die in zo'n klein en massief lichaam sterk variëren op kleine afstanden. Met de groei van een astronaut van 1 m 70 cm, zullen de getijdekrachten aan zijn hoofd veel minder zijn dan aan zijn voeten, en hij zal eenvoudigweg al aan de waarnemingshorizon uit elkaar worden gescheurd. We hebben dus in algemene termen ontdekt wat zwarte gaten zijn, maar tot nu toe hebben we het gehad over zwarte gaten met een stellaire massa. Momenteel zijn astronomen erin geslaagd om superzware zwarte gaten te detecteren, waarvan de massa wel een miljard zonnen kan zijn! Superzware zwarte gaten verschillen niet in eigenschappen van hun kleinere tegenhangers. Ze zijn alleen veel massiever en bevinden zich in de regel in de centra van sterrenstelsels - de stereilanden van het heelal. Er is ook een superzwaar zwart gat in het centrum van onze Melkweg (de Melkweg). De kolossale massa van dergelijke zwarte gaten maakt het mogelijk om ze niet alleen in onze Melkweg te zoeken, maar ook in de centra van verre sterrenstelsels die zich op een afstand van miljoenen en miljarden lichtjaren van de aarde en de zon bevinden. Europese en Amerikaanse wetenschappers hebben wereldwijd gezocht naar superzware zwarte gaten, die zich volgens moderne theoretische berekeningen in het centrum van elk sterrenstelsel zouden moeten bevinden.

Moderne technologie maakt het mogelijk om de aanwezigheid van deze collapsars in naburige sterrenstelsels te detecteren, maar er zijn er maar heel weinig gevonden. Dit betekent dat zwarte gaten zich eenvoudigweg verbergen in dichte gas- en stofwolken in het centrale deel van sterrenstelsels, of dat ze zich in verder verwijderde uithoeken van het heelal bevinden. Zwarte gaten kunnen dus worden gedetecteerd door röntgenstralen die worden uitgezonden tijdens de aanwas van materie erop, en om een ​​telling van dergelijke bronnen te maken, werden satellieten met röntgentelescopen aan boord gelanceerd in de ruimte nabij de aarde. Op zoek naar bronnen van röntgenstraling hebben de ruimteobservatoria Chandra en Rossi ontdekt dat de lucht gevuld is met röntgenachtergrondstraling en miljoenen keren helderder is dan in zichtbare stralen. Veel van deze achtergrondröntgenstraling uit de lucht moet afkomstig zijn van zwarte gaten. Meestal hebben ze het in de astronomie over drie soorten zwarte gaten. De eerste is stellaire zwarte gaten (ongeveer 10 zonsmassa's). Ze ontstaan ​​uit massieve sterren als ze geen fusiebrandstof meer hebben. De tweede zijn superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels (massa's van een miljoen tot miljarden zonnemassa's). En tot slot, de oerzwarte gaten gevormd aan het begin van het leven van het heelal, waarvan de massa klein is (in de orde van de massa van een grote asteroïde). Zo blijft een groot aantal mogelijke massa's van zwarte gaten ongevuld. Maar waar zijn deze gaten? Door de ruimte te vullen met röntgenstralen, willen ze niettemin hun ware "gezicht" niet laten zien. Maar om een ​​duidelijke theorie op te bouwen over het verband tussen de achtergrondröntgenstraling en zwarte gaten, is het noodzakelijk om hun aantal te kennen. Op dit moment hebben ruimtetelescopen slechts een klein aantal superzware zwarte gaten kunnen detecteren, waarvan het bestaan ​​als bewezen kan worden beschouwd. Indirect bewijs maakt het mogelijk om het aantal waarneembare zwarte gaten dat verantwoordelijk is voor achtergrondstraling op 15% te brengen. We moeten aannemen dat de rest van de superzware zwarte gaten zich eenvoudigweg verschuilen achter een dikke laag stofwolken die alleen hoogenergetische röntgenstraling doorlaat, of te ver weg zijn om met moderne observatiemiddelen te kunnen worden gedetecteerd.

Superzwaar zwart gat (buurt) in het centrum van het M87-sterrenstelsel (röntgenfoto). Een straaljager is zichtbaar vanaf de waarnemingshorizon. Afbeelding van www.college.ru/astronomy

Het zoeken naar verborgen zwarte gaten is een van de hoofdtaken van de moderne röntgenastronomie. De laatste doorbraken op dit gebied, die verband houden met onderzoek met behulp van de Chandra- en Rossi-telescopen, hebben echter alleen betrekking op het lage-energiebereik van röntgenstraling - ongeveer 2000-20.000 elektronvolt (ter vergelijking: de energie van optische straling is ongeveer 2 elektron volt). Belangrijke wijzigingen in deze onderzoeken kunnen worden aangebracht door de Europese ruimtetelescoop Integral, die met een energie van 20.000-300.000 elektronenvolt in het nog onvoldoende bestudeerde gebied van röntgenstraling kan doordringen. Het belang van het bestuderen van dit type röntgenstraling ligt in het feit dat hoewel de röntgenachtergrond van de lucht een lage energie heeft, er meerdere pieken (punten) van straling met een energie van ongeveer 30.000 elektronvolt tegen deze achtergrond verschijnen. Wetenschappers moeten het mysterie van wat deze pieken genereert nog ontrafelen, en Integral is de eerste telescoop die gevoelig genoeg is om dergelijke röntgenbronnen te vinden. Volgens astronomen geven hoogenergetische stralen aanleiding tot de zogenaamde Compton-dikke objecten, dat wil zeggen superzware zwarte gaten gehuld in een stofomhulsel. Het zijn de Compton-objecten die verantwoordelijk zijn voor de röntgenpieken van 30.000 elektronvolt in het achtergrondstralingsveld.

Maar door hun onderzoek voort te zetten, kwamen de wetenschappers tot de conclusie dat Compton-objecten slechts 10% uitmaken van het aantal zwarte gaten dat energiepieken zou moeten creëren. Dit vormt een ernstige belemmering voor de verdere ontwikkeling van de theorie. Betekent dit dat de ontbrekende röntgenstraling niet wordt geleverd door Compton-dikke, maar door gewone superzware zwarte gaten? Hoe zit het dan met stofschermen voor röntgenstraling met lage energie? Het antwoord lijkt te liggen in het feit dat veel zwarte gaten (Compton-objecten) genoeg tijd hebben gehad om al het gas en stof dat hen omhulde te absorberen, maar daarvoor hadden ze de kans om zichzelf te verklaren met röntgenstralen met hoge energie. Na alle materie te hebben geabsorbeerd, waren dergelijke zwarte gaten al niet in staat röntgenstraling te genereren aan de waarnemingshorizon. Het wordt duidelijk waarom deze zwarte gaten niet kunnen worden gedetecteerd, en het wordt mogelijk om de ontbrekende bronnen van achtergrondstraling aan hun account toe te schrijven, want hoewel het zwarte gat niet langer straalt, blijft de eerder door het zwarte gat gecreëerde straling door het heelal reizen. Het is echter heel goed mogelijk dat de ontbrekende zwarte gaten meer verborgen zijn dan astronomen suggereren, dus alleen omdat we ze niet kunnen zien, wil nog niet zeggen dat ze niet bestaan. Het is alleen dat we niet genoeg waarnemingsvermogen hebben om ze te zien. Ondertussen zijn NASA-wetenschappers van plan om de zoektocht naar verborgen zwarte gaten nog verder in het universum uit te breiden. Daar bevindt zich het onderwatergedeelte van de ijsberg, menen ze. Binnen enkele maanden wordt er onderzoek gedaan in het kader van de Swift-missie. Penetratie in het diepe heelal zal verborgen zwarte gaten onthullen, de ontbrekende schakel voor de achtergrondstraling vinden en licht werpen op hun activiteit in het vroege tijdperk van het heelal.

Van sommige zwarte gaten wordt gedacht dat ze actiever zijn dan hun stille buren. Actieve zwarte gaten absorberen de omringende materie, en als een voorbijvliegende "gatloze" ster in de zwaartekracht terechtkomt, zal hij zeker op de meest barbaarse manier worden "opgegeten" (aan flarden gescheurd). Geabsorbeerde materie die in een zwart gat valt, wordt verwarmd tot enorme temperaturen en ervaart een flits in het gamma-, röntgen- en ultravioletbereik. Er is ook een superzwaar zwart gat in het centrum van de Melkweg, maar het is moeilijker te bestuderen dan gaten in naburige of zelfs verre sterrenstelsels. Dit komt door de dichte muur van gas en stof die het centrum van onze melkweg in de weg staat, omdat het zonnestelsel zich bijna aan de rand van de galactische schijf bevindt. Daarom zijn waarnemingen van de activiteit van een zwart gat veel effectiever voor die sterrenstelsels waarvan de kern duidelijk zichtbaar is. Bij het observeren van een van de verre sterrenstelsels, gelegen in het sterrenbeeld Boötes op een afstand van 4 miljard lichtjaar, slaagden astronomen er voor het eerst in om vanaf het begin en bijna tot het einde het proces van absorptie van een ster door een superzwaar zwart gat te volgen . Duizenden jaren lang lag deze gigantische ineenstor stil in het centrum van een niet nader genoemd elliptisch sterrenstelsel totdat een van de sterren er dicht genoeg bij durfde te komen.

De krachtige zwaartekracht van het zwarte gat scheurde de ster uit elkaar. Klonten materie begonnen in het zwarte gat te vallen en flitsten, toen ze de waarnemingshorizon bereikten, helder op in het ultraviolette bereik. Deze fakkels werden vastgelegd door de nieuwe NASA Galaxy Evolution Explorer-ruimtetelescoop, die de lucht bestudeert in ultraviolet licht. De telescoop blijft zelfs vandaag het gedrag van het onderscheiden object observeren, omdat de maaltijd van het zwarte gat is nog niet voorbij en de overblijfselen van de ster blijven vallen in de afgrond van tijd en ruimte. Waarnemingen van dergelijke processen zullen uiteindelijk helpen om beter te begrijpen hoe zwarte gaten evolueren met hun moederstelsels (of, omgekeerd, sterrenstelsels evolueren met een ouder zwart gat). Eerdere waarnemingen laten zien dat dergelijke excessen niet ongewoon zijn in het heelal. Wetenschappers hebben berekend dat een ster gemiddeld eens in de 10.000 jaar wordt geabsorbeerd door het superzware zwarte gat van een typisch melkwegstelsel, maar aangezien er een groot aantal sterrenstelsels zijn, kan sterabsorptie veel vaker worden waargenomen.

bron

Zwarte gaten zijn een van de vreemdste verschijnselen in het universum. In ieder geval in dit stadium van menselijke ontwikkeling. Dit is een object met oneindige massa en dichtheid, en dus aantrekkingskracht, waar zelfs licht niet aan kan ontsnappen - daarom is het gat zwart. Een superzwaar zwart gat kan een heel sterrenstelsel naar zich toe trekken en niet stikken, en voorbij de waarnemingshorizon begint de bekende natuurkunde te piepen en in een knoop te draaien. Aan de andere kant kunnen zwarte gaten potentiële overgangsholen worden van het ene knooppunt in de ruimte naar het andere. De vraag is, hoe dicht kunnen we bij een zwart gat komen, en zal het veel consequenties hebben?

Het superzware zwarte gat Sagittarius A*, dat zich in het centrum van ons melkwegstelsel bevindt, zuigt niet alleen nabije objecten op, maar zendt ook krachtige radiostraling uit. Wetenschappers hebben lang geprobeerd deze stralen te zien, maar ze werden verstoord door het verstrooide licht rond het gat. Ten slotte waren ze in staat om de lichtruis te doorbreken met behulp van 13 telescopen, die samen één krachtig systeem vormden. Vervolgens ontdekten ze interessante informatie over voorheen mysterieuze stralen.

Een paar dagen geleden, op 14 maart, verliet een van de meest vooraanstaande natuurkundigen van onze tijd deze wereld,

Een zwart gat is een speciaal gebied in de ruimte. Dit is een soort opeenhoping van zwarte materie die andere objecten in de ruimte kan aantrekken en absorberen. Het fenomeen zwarte gaten is dat nog steeds niet. Alle beschikbare gegevens zijn slechts theorieën en aannames van wetenschappelijke astronomen.

De naam "zwart gat" werd geïntroduceerd door de wetenschapper J.A. Wheeler in 1968 aan de Princeton University.

Er is een theorie dat zwarte gaten sterren zijn, maar ongebruikelijk, zoals neutronen. Een zwart gat is - - omdat het een zeer hoge lichtdichtheid heeft en absoluut geen straling uitzendt. Daarom is het noch in infrarood, noch in röntgenstralen, noch in radiostralen onzichtbaar.

Deze situatie Franse astronoom P. Laplace nog 150 jaar voor zwarte gaten. Volgens zijn argumenten, als het een dichtheid heeft die gelijk is aan de dichtheid van de aarde, en een diameter die 250 keer groter is dan de diameter van de zon, dan laat het de lichtstralen zich niet door het heelal voortplanten vanwege de zwaartekracht, en blijft daardoor onzichtbaar. Er wordt dus aangenomen dat zwarte gaten de krachtigste uitstralende objecten in het universum zijn, maar ze hebben geen vast oppervlak.

Eigenschappen van zwarte gaten

Alle vermeende eigenschappen van zwarte gaten zijn gebaseerd op de relativiteitstheorie, afgeleid in de 20e eeuw door A. Einstein. Elke traditionele benadering van de studie van dit fenomeen biedt geen overtuigende verklaring voor het fenomeen zwarte gaten.

De belangrijkste eigenschap van een zwart gat is het vermogen om tijd en ruimte te buigen. Elk bewegend object dat in zijn zwaartekrachtveld is gevallen, zal onvermijdelijk naar binnen worden getrokken, omdat. in dit geval verschijnt er een dichte zwaartekrachtvortex, een soort trechter, rond het object. Tegelijkertijd verandert ook het begrip tijd. Wetenschappers hebben, door berekening, nog steeds de neiging om te concluderen dat zwarte gaten geen hemellichamen zijn in de conventionele zin. Dit zijn eigenlijk een soort gaten, wormgaten in tijd en ruimte, die het kunnen veranderen en verdichten.

Een zwart gat is een afgesloten ruimtegebied waarin materie wordt samengeperst en waaruit niets kan ontsnappen, zelfs geen licht.

Volgens de berekeningen van astronomen kan geen enkel object ongedeerd blijven met het krachtige zwaartekrachtveld dat zich in zwarte gaten bevindt. Het zal onmiddellijk in miljarden stukken worden gescheurd voordat het zelfs maar binnenkomt. Dit sluit echter niet uit dat met hun hulp deeltjes en informatie kunnen worden uitgewisseld. En als een zwart gat een massa heeft van minstens een miljard keer de massa van de zon (superzwaar), dan is het theoretisch mogelijk dat objecten er doorheen bewegen zonder door de zwaartekracht uit elkaar te worden gerukt.

Natuurlijk zijn dit slechts theorieën, want het onderzoek van wetenschappers is nog te ver verwijderd van het begrijpen van welke processen en mogelijkheden zwarte gaten verbergen. Het is mogelijk dat er in de toekomst iets soortgelijks gebeurt.

Zwarte gaten - misschien wel de meest mysterieuze en enigmatische astronomische objecten in ons universum, hebben sinds hun ontdekking de aandacht getrokken van experts en prikkelen de verbeelding van sciencefictionschrijvers. Wat zijn zwarte gaten en hoe zien ze eruit? Zwarte gaten zijn uitgedoofde sterren, vanwege hun fysieke kenmerken, die zo'n hoge dichtheid en zo'n krachtige zwaartekracht hebben dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen.

De geschiedenis van de ontdekking van zwarte gaten

Voor het eerst werd het theoretische bestaan ​​van zwarte gaten, lang voordat ze daadwerkelijk werden ontdekt, in 1783 gesuggereerd door iemand D. Michel (een Engelse priester uit Yorkshire, die op zijn gemak van astronomie houdt). Volgens zijn berekeningen, als we de onze nemen en het comprimeren (in moderne computertermen, archiveren) tot een straal van 3 km, wordt zo'n grote (gewoon enorme) zwaartekracht gevormd dat zelfs licht het niet kan verlaten. Zo verscheen het begrip “zwart gat” hoewel het in feite helemaal niet zwart is, naar onze mening zou de term “donker gat” passender zijn, omdat het juist de afwezigheid van licht is die plaatsvindt.

Later, in 1918, schreef de grote wetenschapper Albert Einstein over de kwestie van zwarte gaten in de context van de relativiteitstheorie. Maar pas in 1967, dankzij de inspanningen van de Amerikaanse astrofysicus John Wheeler, kreeg het concept van zwarte gaten eindelijk een plaats in academische kringen.

Hoe het ook zij, zowel D. Michel als Albert Einstein en John Wheeler gingen in hun werken alleen uit van het theoretische bestaan ​​van deze mysterieuze hemellichamen in de ruimte, maar de echte ontdekking van zwarte gaten vond plaats in 1971, het was toen dat ze voor het eerst werden opgemerkt in de ruimtetelescoop.

Zo ziet een zwart gat eruit.

Hoe ontstaan ​​zwarte gaten in de ruimte?

Zoals we uit de astrofysica weten, hebben alle sterren (inclusief onze zon) een beperkte hoeveelheid brandstof. En hoewel het leven van een ster miljarden lichtjaren kan duren, komt vroeg of laat een einde aan deze voorwaardelijke brandstoftoevoer en gaat de ster "uit". Het proces van "uitsterven" van een ster gaat gepaard met intense reacties, waarbij de ster een significante transformatie ondergaat en, afhankelijk van zijn grootte, kan veranderen in een witte dwerg, een neutronenster of een zwart gat. Bovendien veranderen de grootste sterren, die ongelooflijk indrukwekkende afmetingen hebben, meestal in een zwart gat - door de compressie van deze meest ongelooflijke afmetingen vermenigvuldigen de massa en zwaartekracht van het nieuw gevormde zwarte gat zich, wat verandert in een soort galactisch vacuüm cleaner - absorbeert alles en alles eromheen.

Een zwart gat slokt een ster op.

Een kleine opmerking: onze zon is volgens galactische normen helemaal geen grote ster en na vervaging, wat over ongeveer een paar miljard jaar zal plaatsvinden, zal hij hoogstwaarschijnlijk niet in een zwart gat veranderen.

Maar laten we eerlijk zijn - vandaag kennen wetenschappers nog niet alle fijne kneepjes van de vorming van een zwart gat, ongetwijfeld is dit een uiterst complex astrofysisch proces, dat zelf miljoenen lichtjaren kan duren. Hoewel het mogelijk is om in deze richting vooruit te gaan, vindt de detectie en daaropvolgende studie van de zogenaamde intermediaire zwarte gaten plaats, dat wil zeggen sterren die in een staat van uitsterven zijn, waarin het actieve proces van het vormen van een zwart gat plaatsvindt. . Overigens werd in 2014 een soortgelijke ster door astronomen ontdekt in de arm van een spiraalstelsel.

Hoeveel zwarte gaten zijn er in het heelal?

Volgens de theorieën van moderne wetenschappers kunnen er tot honderden miljoenen zwarte gaten in ons Melkwegstelsel zijn. Er zijn er misschien niet minder in de melkweg naast ons, waar niets van onze Melkweg naartoe kan vliegen - 2,5 miljoen lichtjaar.

Theorie van zwarte gaten

Ondanks de enorme massa (die honderdduizenden keren groter is dan de massa van onze zon) en de ongelooflijke kracht van de zwaartekracht, was het niet gemakkelijk om zwarte gaten door een telescoop te zien, omdat ze helemaal geen licht uitstralen. Wetenschappers slaagden erin een zwart gat alleen op te merken op het moment van zijn "maaltijd" - de absorptie van een andere ster, op dit moment verschijnt een karakteristieke straling, die al kan worden waargenomen. De theorie van het zwarte gat heeft dus daadwerkelijke bevestiging gevonden.

Eigenschappen van zwarte gaten

De belangrijkste eigenschap van een zwart gat zijn de ongelooflijke zwaartekrachtsvelden, waardoor de omringende ruimte en tijd niet in hun gebruikelijke staat kunnen blijven. Ja, je hebt het goed gehoord, de tijd in een zwart gat gaat vele malen langzamer dan normaal, en als je daar was, dan zou je teruggaan (als je zoveel geluk had natuurlijk) je zou verbaasd zijn te merken dat er eeuwen zijn verstreken op aarde, en je zult niet eens oud worden als je tijd hebt. Hoewel, laten we eerlijk zijn, als je in een zwart gat was geweest, zou je het nauwelijks hebben overleefd, aangezien de zwaartekracht daar zo groot is dat elk materieel object eenvoudig uit elkaar zou worden gescheurd, zelfs niet in delen, in atomen.

Maar als je zelfs maar in de buurt van een zwart gat zou zijn, binnen de grenzen van zijn zwaartekrachtsveld, dan zou je het ook moeilijk hebben, want hoe meer je weerstand bood aan de zwaartekracht ervan en probeerde weg te vliegen, hoe sneller je erin zou vallen. De reden voor deze schijnbaar paradox is het zwaartekrachtveld, dat alle zwarte gaten bezitten.

Wat als een persoon in een zwart gat valt?

Verdamping van zwarte gaten

De Engelse astronoom S. Hawking ontdekte een interessant feit: zwarte gaten blijken ook verdamping uit te stoten. Toegegeven, dit is alleen van toepassing op gaten met een relatief kleine massa. De krachtige zwaartekracht om hen heen creëert paren deeltjes en antideeltjes, een van het paar wordt door het gat naar binnen getrokken en de tweede wordt naar buiten uitgeworpen. Zo straalt een zwart gat harde antideeltjes en gammastraling uit. Deze verdamping of straling van een zwart gat is vernoemd naar de wetenschapper die het heeft ontdekt - "Hawking-straling".

Het grootste zwarte gat

Volgens de theorie van zwarte gaten bevinden zich in het centrum van bijna alle sterrenstelsels enorme zwarte gaten met massa's van enkele miljoenen tot enkele miljarden zonnemassa's. En relatief recent hebben wetenschappers de twee grootste zwarte gaten ontdekt die tot nu toe bekend zijn, ze bevinden zich in twee nabijgelegen sterrenstelsels: NGC 3842 en NGC 4849.

NGC 3842 is het helderste sterrenstelsel in het sterrenbeeld Leeuw, op een afstand van 320 miljoen lichtjaar van ons. In het midden ervan bevindt zich een enorm zwart gat met een massa van 9,7 miljard zonsmassa's.

NGC 4849 is een melkwegstelsel in de Coma-cluster, op 335 miljoen lichtjaar afstand, met een al even indrukwekkend zwart gat.

De actiezones van het zwaartekrachtveld van deze gigantische zwarte gaten, of in academische termen, hun waarnemingshorizon, is ongeveer 5 keer de afstand van de zon tot! Zo'n zwart gat zou ons zonnestelsel opeten en niet eens stikken.

Het kleinste zwarte gat

Maar er zijn zeer kleine vertegenwoordigers in de enorme familie van zwarte gaten. Dus het meest dwergzwarte gat dat momenteel door wetenschappers is ontdekt in zijn massa is slechts 3 keer de massa van onze zon. In feite is dit het theoretische minimum dat nodig is voor de vorming van een zwart gat, als die ster iets kleiner was geweest, zou het gat niet zijn gevormd.

Zwarte gaten zijn kannibalen

Ja, er is zo'n fenomeen, zoals we hierboven schreven, zwarte gaten zijn een soort "galactische stofzuigers" die alles om hen heen absorberen, inclusief ... andere zwarte gaten. Onlangs hebben astronomen ontdekt dat een zwart gat uit het ene sterrenstelsel wordt opgegeten door een andere grote zwarte veelvraat uit een ander sterrenstelsel.

• Volgens de hypothesen van sommige wetenschappers zijn zwarte gaten niet alleen galactische stofzuigers die alles in zichzelf opzuigen, maar onder bepaalde omstandigheden kunnen ze zelf nieuwe universums genereren.
• Zwarte gaten kunnen na verloop van tijd verdampen. We schreven hierboven dat de Engelse wetenschapper Stephen Hawking ontdekte dat zwarte gaten de eigenschap hebben van straling, en na een zeer lange periode, wanneer er niets in de buurt is om te absorberen, zal het zwarte gat meer beginnen te verdampen, totdat het uiteindelijk het geeft al zijn massa af aan de omringende ruimte. Hoewel dit slechts een veronderstelling is, een hypothese.
• Zwarte gaten vertragen de tijd en buigen de ruimte. We hebben al geschreven over tijdsdilatatie, maar de ruimte in de omstandigheden van een zwart gat zal volledig gekromd zijn.
• Zwarte gaten beperken het aantal sterren in het heelal. Hun zwaartekrachtvelden voorkomen namelijk dat de gaswolken in de ruimte afkoelen, waaruit, zoals u weet, nieuwe sterren worden geboren.

Zwarte gaten op Discovery Channel, video

En tot slot bieden we je een interessante wetenschappelijke documentaire over zwarte gaten van Discovery Channel.

Een zwart gat in de natuurkunde wordt gedefinieerd als een gebied in de ruimte-tijd waarvan de aantrekkingskracht zo sterk is dat zelfs objecten die met de snelheid van het licht bewegen, inclusief de lichtquanta zelf, het niet kunnen verlaten. De grens van dit gebied wordt de gebeurtenishorizon genoemd en de karakteristieke grootte wordt de zwaartekrachtstraal genoemd, die de straal van het Zwarte Woud wordt genoemd. Zwarte gaten zijn de meest mysterieuze objecten in het universum. Ze danken hun ongelukkige naam aan de Amerikaanse astrofysicus John Wheeler. Hij was het die in de populaire lezing "Our Universe: Known and Unknown" in 1967 deze superdichte lichamen gaten noemde. Voorheen werden dergelijke objecten "samengevouwen sterren" of "collapsers" genoemd. Maar de term 'zwart gat' heeft wortel geschoten en het is gewoon onmogelijk om deze te veranderen. Er zijn twee soorten zwarte gaten in het heelal: 1 - superzware zwarte gaten, waarvan de massa miljoenen keren groter is dan de massa van de zon (aangenomen wordt dat dergelijke objecten zich in de centra van sterrenstelsels bevinden); 2 - minder massieve zwarte gaten die het gevolg zijn van de compressie van gigantische stervende sterren, hun massa is meer dan drie zonsmassa's; naarmate de ster samentrekt, wordt de materie steeds compacter en als gevolg daarvan neemt de zwaartekracht van het object zodanig toe dat licht het niet kan overwinnen. Noch straling, noch materie kan aan een zwart gat ontsnappen. Zwarte gaten zijn superkrachtige gravitators.

De straal waartoe een ster moet krimpen om in een zwart gat te veranderen, wordt de zwaartekrachtstraal genoemd. Voor zwarte gaten gevormd uit sterren is dat slechts enkele tientallen kilometers. In sommige paren dubbelsterren is een van hen onzichtbaar voor de krachtigste telescoop, maar de massa van de onzichtbare component in zo'n zwaartekrachtsysteem blijkt extreem groot te zijn. Hoogstwaarschijnlijk zijn dergelijke objecten neutronensterren of zwarte gaten. Soms scheuren onzichtbare componenten in zulke paren materie van een normale ster. In dit geval wordt het gas gescheiden van de buitenste lagen van de zichtbare ster en valt het in een onbekende waar - in een onzichtbaar zwart gat. Maar voordat het in het gat valt, zendt het gas elektromagnetische golven uit met verschillende golflengten, waaronder zeer korte röntgengolven. Bovendien wordt het gas in de buurt van een neutronenster of een zwart gat erg heet en wordt het een bron van krachtige hoogenergetische elektromagnetische straling in het röntgen- en gammabereik. Dergelijke straling gaat niet door de atmosfeer van de aarde, maar kan met ruimtetelescopen worden waargenomen. Een van de waarschijnlijke kandidaten voor zwarte gaten wordt beschouwd als een krachtige bron van röntgenstraling in het sterrenbeeld Cygnus.