Zwarte gaten: het verhaal van de ontdekking van de meest mysterieuze objecten in het heelal die we nooit zullen zien. Wat is een zwart gat in de ruimte

Mysterieuze en ongrijpbare zwarte gaten. De wetten van de natuurkunde bevestigen de mogelijkheid van hun bestaan ​​in het universum, maar er blijven nog veel vragen over. Talrijke waarnemingen tonen aan dat er gaten in het universum bestaan ​​en dat er meer dan een miljoen van deze objecten zijn.

Wat zijn zwarte gaten?

In 1915, bij het oplossen van de vergelijkingen van Einstein, werd een fenomeen als ‘zwarte gaten’ voorspeld. De wetenschappelijke gemeenschap raakte er echter pas in 1967 in geïnteresseerd. Ze werden toen ‘ingestorte sterren’, ‘bevroren sterren’ genoemd.

Tegenwoordig is een zwart gat een gebied in tijd en ruimte dat zo’n zwaartekracht heeft dat zelfs een lichtstraal er niet uit kan ontsnappen.

Hoe worden zwarte gaten gevormd?

Er zijn verschillende theorieën over het verschijnen van zwarte gaten, die zijn onderverdeeld in hypothetisch en realistisch. De eenvoudigste en meest wijdverbreide realistische theorie is de theorie van de zwaartekrachtinstorting van grote sterren.

Wanneer een voldoende massieve ster, vóór ‘de dood’, groter wordt en onstabiel wordt, waarbij zijn laatste brandstof wordt verbruikt. Tegelijkertijd blijft de massa van de ster onveranderd, maar neemt de omvang ervan af naarmate de zogenaamde verdichting optreedt. Met andere woorden, wanneer deze wordt samengedrukt, “valt” de zware kern in zichzelf. Parallel hiermee leidt verdichting tot een sterke stijging van de temperatuur in de ster en scheuren de buitenste lagen van het hemellichaam af, waaruit nieuwe sterren worden gevormd. Tegelijkertijd valt de kern in het centrum van de ster in zijn eigen ‘centrum’. Als gevolg van de werking van zwaartekrachten stort het centrum in tot een punt - dat wil zeggen dat de zwaartekrachten zo sterk zijn dat ze de verdichte kern absorberen. Dit is hoe een zwart gat ontstaat, dat ruimte en tijd begint te vervormen, zodat zelfs licht er niet uit kan ontsnappen.

In het centrum van alle sterrenstelsels bevindt zich een superzwaar zwart gat. Volgens Einsteins relativiteitstheorie:

“Elke massa vervormt ruimte en tijd.”

Stel je nu eens voor hoezeer een zwart gat tijd en ruimte vervormt, omdat zijn massa enorm is en tegelijkertijd in een ultraklein volume wordt geperst. Deze vaardigheid veroorzaakt de volgende eigenaardigheid:

“Zwarte gaten hebben het vermogen om de tijd praktisch stil te zetten en de ruimte te comprimeren. Door deze extreme vervorming worden de gaten voor ons onzichtbaar.”

Als zwarte gaten niet zichtbaar zijn, hoe weten we dan dat ze bestaan?

Ja, ook al is een zwart gat onzichtbaar, het moet wel opvallen door de materie die erin valt. Naast stellair gas, dat wordt aangetrokken door een zwart gat; bij het naderen van de waarnemingshorizon begint de temperatuur van het gas te stijgen tot ultrahoge waarden, wat tot een gloed leidt. Dit is de reden waarom zwarte gaten gloeien. Dankzij deze, zij het zwakke, gloed, verklaren astronomen en astrofysici de aanwezigheid in het centrum van de melkweg van een object met een klein volume maar een enorme massa. Momenteel zijn als resultaat van observaties ongeveer 1000 objecten ontdekt die qua gedrag vergelijkbaar zijn met zwarte gaten.

Zwarte gaten en sterrenstelsels

Hoe kunnen zwarte gaten sterrenstelsels beïnvloeden? Deze vraag plaagt wetenschappers over de hele wereld. Er is een hypothese die stelt dat het de zwarte gaten in het centrum van het sterrenstelsel zijn die de vorm en evolutie ervan beïnvloeden. En dat wanneer twee sterrenstelsels botsen, zwarte gaten samensmelten en tijdens dit proces zo’n enorme hoeveelheid energie en materie vrijkomt dat er nieuwe sterren ontstaan.

Soorten zwarte gaten

• Volgens de bestaande theorie zijn er drie soorten zwarte gaten: stellair, superzwaar en miniatuur. En elk van hen werd op een speciale manier gevormd.
• - Zwarte gaten met een stellaire massa groeien uit tot enorme afmetingen en storten in.
  - Superzware zwarte gaten, die een massa kunnen hebben die overeenkomt met die van miljoenen zonnen, bestaan ​​waarschijnlijk in de centra van bijna alle sterrenstelsels, inclusief onze Melkweg. Wetenschappers hebben nog steeds verschillende hypothesen voor de vorming van superzware zwarte gaten. Tot nu toe is er maar één ding bekend: superzware zwarte gaten zijn een bijproduct van de vorming van sterrenstelsels. Superzware zwarte gaten - ze verschillen van gewone doordat ze een zeer grote omvang hebben, maar paradoxaal genoeg een lage dichtheid.
• - Nog niemand heeft een miniatuurzwart gat kunnen detecteren dat een massa kleiner dan de zon zou hebben. Het is mogelijk dat er kort na de ‘Big Bang’, het exacte begin van het bestaan ​​van ons heelal (ongeveer 13,7 miljard jaar geleden), miniatuurgaten zijn ontstaan.
• - Vrij recent werd een nieuw concept geïntroduceerd als "witte zwarte gaten". Dit is nog steeds een hypothetisch zwart gat, wat het tegenovergestelde is van een zwart gat. Stephen Hawking bestudeerde actief de mogelijkheid van het bestaan ​​van witte gaten.
• - Kwantumzwarte gaten - ze bestaan ​​tot nu toe alleen in theorie. Kwantumzwarte gaten kunnen ontstaan ​​wanneer ultrakleine deeltjes botsen als gevolg van een kernreactie.
• - Primaire zwarte gaten zijn ook een theorie. Ze werden onmiddellijk na hun oorsprong gevormd.

Op dit moment zijn er een groot aantal open vragen die nog moeten worden beantwoord door toekomstige generaties. Kunnen er bijvoorbeeld echt zogenaamde ‘wormgaten’ bestaan, met behulp waarvan men door ruimte en tijd kan reizen? Wat er precies gebeurt in een zwart gat en aan welke wetten deze verschijnselen gehoorzamen. En hoe zit het met het verdwijnen van informatie in een zwart gat?

Zowel voor wetenschappers van de afgelopen eeuwen als voor onderzoekers van onze tijd is het grootste mysterie van de kosmos het zwarte gat. Wat zit er in dit volkomen onbekende systeem voor de natuurkunde? Welke wetten zijn daar van toepassing? Hoe verstrijkt de tijd in een zwart gat, en waarom kunnen zelfs lichte kwanta daar niet ontsnappen? Nu zullen we natuurlijk proberen, vanuit het perspectief van de theorie en niet vanuit de praktijk, te begrijpen wat zich in een zwart gat bevindt, waarom het in principe is gevormd en bestaat, hoe het de objecten eromheen aantrekt.

Laten we eerst dit object beschrijven

Een zwart gat is dus een bepaald gebied in de ruimte in het heelal. Het is onmogelijk om het als een afzonderlijke ster of planeet te beschouwen, omdat het noch een vast, noch een gasvormig lichaam is. Zonder een basiskennis van wat ruimtetijd is en hoe deze dimensies kunnen veranderen, is het onmogelijk te begrijpen wat zich in een zwart gat bevindt. Het punt is dat dit gebied niet slechts een ruimtelijke eenheid is. wat zowel de drie dimensies die we kennen (lengte, breedte en hoogte) als de tijdlijn vervormt. Wetenschappers zijn ervan overtuigd dat in het horizongebied (het zogenaamde gebied rond het gat) de tijd een ruimtelijke betekenis krijgt en zowel voorwaarts als achterwaarts kan bewegen.

Laten we de geheimen van de zwaartekracht leren

Als we willen begrijpen wat zich in een zwart gat bevindt, laten we dan eens nader kijken naar wat zwaartekracht is. Het is dit fenomeen dat van cruciaal belang is voor het begrijpen van de aard van de zogenaamde ‘wormgaten’, waaruit zelfs licht niet kan ontsnappen. Zwaartekracht is de interactie tussen alle lichamen die een materiële basis hebben. De kracht van een dergelijke zwaartekracht hangt af van de moleculaire samenstelling van lichamen, van de concentratie van atomen, maar ook van hun samenstelling. Hoe meer deeltjes in een bepaald ruimtegebied instorten, hoe groter de zwaartekracht. Dit is onlosmakelijk verbonden met de oerknaltheorie, toen ons heelal nog zo groot was als een erwt. Dit was een toestand van maximale singulariteit, en als gevolg van een lichtflits begon de ruimte uit te breiden vanwege het feit dat deeltjes elkaar afstootten. Wetenschappers beschrijven een zwart gat precies het tegenovergestelde. Wat zit er in zo'n ding volgens de TBZ? Een singulariteit die gelijk is aan de indicatoren die inherent zijn aan ons universum op het moment van zijn geboorte.

Hoe komt materie in een wormgat terecht?

Er is een mening dat een persoon nooit zal kunnen begrijpen wat er in een zwart gat gebeurt. Want eenmaal daar zal hij letterlijk verpletterd worden door de zwaartekracht en de zwaartekracht. Eigenlijk is dit niet waar. Ja, inderdaad, een zwart gat is een gebied van singulariteit waar alles maximaal is gecomprimeerd. Maar dit is helemaal geen ‘ruimtestofzuiger’ die alle planeten en sterren kan opzuigen. Elk materieel object dat zich aan de horizon van de gebeurtenis bevindt, zal een sterke vervorming van ruimte en tijd waarnemen (voorlopig staan ​​deze eenheden afzonderlijk). Het Euclidische meetsysteem zal gaan falen, met andere woorden, ze zullen elkaar kruisen, en de contouren van stereometrische figuren zullen niet langer bekend zijn. Wat de tijd betreft, deze zal geleidelijk vertragen. Hoe dichter je bij het gat komt, hoe langzamer de klok gaat ten opzichte van de aardse tijd, maar je merkt het niet. Wanneer het lichaam in een wormgat valt, zal het met een snelheid van nul vallen, maar deze eenheid is gelijk aan oneindig. kromming, die het oneindige gelijkstelt aan nul, wat uiteindelijk de tijd stopt in het gebied van singulariteit.

Reactie op uitgezonden licht

Het enige object in de ruimte dat licht aantrekt is een zwart gat. Wat erin zit en in welke vorm het is, is onbekend, maar er wordt aangenomen dat het pikkedonker is, wat onmogelijk voor te stellen is. Lichtkwanta, die daar komen, verdwijnen niet zomaar. Hun massa wordt vermenigvuldigd met de massa van de singulariteit, waardoor deze nog groter wordt en groter wordt. Als je in het wormgat dus een zaklamp aanzet om rond te kijken, zal deze niet gloeien. De uitgezonden kwanta zullen zich voortdurend vermenigvuldigen met de massa van het gat, en grofweg gesproken zul je je situatie alleen maar erger maken.

Zwarte gaten bij elke stap

Zoals we al hebben ontdekt, is de basis van vorming de zwaartekracht, waarvan de omvang miljoenen keren groter is dan op aarde. Een nauwkeurig idee van wat een zwart gat is, werd aan de wereld gegeven door Karl Schwarzschild, die in feite de waarnemingshorizon en het punt waarop geen terugkeer mogelijk is ontdekte, en ook vaststelde dat nul in een staat van singulariteit gelijk is aan oneindigheid. Volgens hem kan er op elk punt in de ruimte een zwart gat ontstaan. In dit geval moet een bepaald materieel object met een bolvorm de zwaartekrachtstraal bereiken. De massa van onze planeet moet bijvoorbeeld in het volume van één erwt passen om een ​​zwart gat te worden. En de zon zou met zijn massa een diameter van 5 kilometer moeten hebben - dan zal zijn toestand uniek worden.

De horizon voor de vorming van een nieuwe wereld

De wetten van de natuurkunde en de geometrie werken perfect op aarde en in de ruimte, waar de ruimte dicht bij een vacuüm ligt. Maar ze verliezen volledig hun betekenis aan de horizon van de gebeurtenis. Daarom is het vanuit wiskundig oogpunt onmogelijk om te berekenen wat zich in een zwart gat bevindt. De beelden die je kunt bedenken als je de ruimte buigt in overeenstemming met onze ideeën over de wereld, zijn waarschijnlijk verre van waar. Er is alleen vastgesteld dat tijd hier een ruimtelijke eenheid wordt en hoogstwaarschijnlijk worden er nog meer toegevoegd aan de bestaande dimensies. Dit maakt het mogelijk om te geloven dat er in een zwart gat (een foto zal dit, zoals je weet, niet laat zien, omdat het licht daar zichzelf opeet) totaal verschillende werelden worden gevormd. Deze universums kunnen bestaan ​​uit antimaterie, wat momenteel onbekend is bij wetenschappers. Er zijn ook versies waarin de sfeer zonder terugkeer slechts een portaal is dat naar een andere wereld of naar andere punten in ons universum leidt.

Geboorte en dood

Veel meer dan het bestaan ​​van een zwart gat is het ontstaan ​​of verdwijnen ervan. Een bol die de ruimte-tijd vervormt, zoals we al hebben ontdekt, wordt gevormd als gevolg van de ineenstorting. Dit kan de explosie zijn van een grote ster, een botsing van twee of meer lichamen in de ruimte, enzovoort. Maar hoe werd materie die theoretisch kon worden aangeraakt een domein van tijdvervorming? De puzzel is een work in progress. Maar er volgt een tweede vraag: waarom verdwijnen zulke sferen waar geen terugkeer mogelijk is? En als zwarte gaten verdampen, waarom komt dat licht en alle kosmische materie die ze hebben opgezogen er dan niet uit? Wanneer materie in de singulariteitszone begint uit te breiden, neemt de zwaartekracht geleidelijk af. Als gevolg hiervan lost het zwarte gat eenvoudigweg op en blijft de gewone vacuümruimte op zijn plaats. Hieruit volgt nog een mysterie: waar is alles wat erbij betrokken is gebleven?

Is zwaartekracht onze sleutel tot een gelukkige toekomst?

Onderzoekers zijn ervan overtuigd dat de energietoekomst van de mensheid kan worden gevormd door een zwart gat. Wat zich in dit systeem bevindt, is nog onbekend, maar er is vastgesteld dat aan de horizon van de gebeurtenis elke materie wordt omgezet in energie, maar uiteraard gedeeltelijk. Iemand die bijvoorbeeld bijna niet meer terug kan keren, zal 10 procent van zijn materie opgeven om deze in energie te verwerken. Dit cijfer is simpelweg kolossaal; het werd een sensatie onder astronomen. Feit is dat op aarde slechts 0,7 procent van de materie wordt omgezet in energie.

Iedereen die vroeg of laat kennis maakt met astronomie ervaart een sterke nieuwsgierigheid naar de meest mysterieuze objecten van het heelal: zwarte gaten. Dit zijn echte heren van de duisternis, die elk atoom dat in de buurt passeert kunnen 'opslikken' en zelfs geen licht kunnen laten ontsnappen - hun aantrekkingskracht is zo krachtig. Deze objecten vormen een echte uitdaging voor natuurkundigen en astronomen. De eerstgenoemden kunnen nog niet begrijpen wat er gebeurt met de materie die in het zwarte gat valt, en de laatstgenoemden hebben, hoewel ze de meest energieverslindende verschijnselen in de ruimte verklaren door het bestaan ​​van zwarte gaten, nooit de gelegenheid gehad om een ​​van deze rechtstreeks waar te nemen. . We zullen je vertellen over deze interessante hemellichamen, ontdekken wat er al is ontdekt en wat er nog moet worden geleerd om de sluier van geheimhouding op te heffen.

Wat is een zwart gat?

De naam "zwart gat" (in het Engels - zwart gat) werd in 1967 voorgesteld door de Amerikaanse theoretisch natuurkundige John Archibald Wheeler (zie foto links). Het diende ter aanduiding van een hemellichaam waarvan de aantrekkingskracht zo sterk is dat zelfs licht zichzelf niet loslaat. Daarom is het “zwart” omdat het geen licht uitstraalt.

Indirecte observaties

Dit is de reden voor dit mysterie: aangezien zwarte gaten niet gloeien, kunnen we ze niet direct zien en zijn we gedwongen ze te zoeken en te bestuderen met alleen indirect bewijs dat hun bestaan ​​in de omringende ruimte achterlaat. Met andere woorden: als een zwart gat een ster overspoelt, kunnen we het zwarte gat niet zien, maar kunnen we wel de verwoestende effecten van zijn krachtige zwaartekrachtveld waarnemen.

Laplace's intuïtie

Hoewel de uitdrukking ‘zwart gat’ om de hypothetische laatste fase aan te duiden van de evolutie van een ster die onder invloed van de zwaartekracht in zichzelf is ingestort relatief recent is, ontstond het idee van de mogelijkheid van het bestaan ​​van dergelijke lichamen meer dan twee jaar geleden. eeuwen geleden. De Engelsman John Michell en de Fransman Pierre-Simon de Laplace veronderstelden onafhankelijk van elkaar het bestaan ​​van “onzichtbare sterren”; tegelijkertijd waren ze gebaseerd op de gebruikelijke wetten van de dynamiek en de wet van Newton van de universele zwaartekracht. Tegenwoordig hebben zwarte gaten hun juiste beschrijving gekregen op basis van Einsteins algemene relativiteitstheorie.

In zijn werk ‘Exposition of the System of the World’ (1796) schreef Laplace: ‘Een heldere ster met dezelfde dichtheid als de aarde, met een diameter die 250 keer groter is dan de diameter van de zon, zou, dankzij zijn zwaartekracht aantrekkingskracht, voorkomen dat lichtstralen ons bereiken. Daarom is het mogelijk dat de grootste en helderste hemellichamen om deze reden onzichtbaar zijn.”

Onoverwinnelijke zwaartekracht

Het idee van Laplace was gebaseerd op het concept van ontsnappingssnelheid (tweede kosmische snelheid). Een zwart gat is zo'n compact object dat de zwaartekracht ervan zelfs licht kan tegenhouden, dat de hoogste snelheid in de natuur ontwikkelt (bijna 300.000 km/s). In de praktijk zijn voor het ontsnappen uit een zwart gat snelheden nodig die groter zijn dan de lichtsnelheid, maar dit is onmogelijk!

Dit betekent dat een dergelijke ster onzichtbaar zal zijn, omdat zelfs licht zijn krachtige zwaartekracht niet zal kunnen overwinnen. Einstein verklaarde dit feit door het fenomeen van lichtbuiging onder invloed van een zwaartekrachtveld. In werkelijkheid is de ruimte-tijd in de buurt van een zwart gat zo gekromd dat de trajecten van lichtstralen zich ook sluiten. Om de zon in een zwart gat te veranderen, zullen we al zijn massa moeten concentreren in een bal met een straal van 3 km, en de aarde zal moeten veranderen in een bal met een straal van 9 mm!

Soorten zwarte gaten

Ongeveer tien jaar geleden suggereerden waarnemingen het bestaan ​​van twee soorten zwarte gaten: stellaire, waarvan de massa vergelijkbaar is met de massa van de zon of deze iets overtreft, en superzware, waarvan de massa varieert van enkele honderdduizenden tot vele miljoenen zonsmassa's. . Relatief recent hebben röntgenfoto's en spectra met hoge resolutie verkregen van kunstmatige satellieten zoals Chandra en XMM-Newton echter een derde type zwart gat naar voren gebracht - met een gemiddelde massa die duizenden malen groter is dan de massa van de zon. .

Stellaire zwarte gaten

Stellaire zwarte gaten werden eerder bekend dan andere. Ze worden gevormd wanneer een ster met een grote massa aan het einde van zijn evolutionaire pad zijn reserves aan nucleaire brandstof uitput en door zijn eigen zwaartekracht in zichzelf instort. Een explosie die een ster doet schudden (een fenomeen dat bekend staat als een “supernova-explosie”) heeft catastrofale gevolgen: als de kern van de ster meer dan tien keer de massa van de zon heeft, kan geen enkele kernkracht weerstand bieden aan de ineenstorting door de zwaartekracht die zal resulteren in het ontstaan ​​van een ster. van een zwart gat.

Superzware zwarte gaten

Superzware zwarte gaten, die voor het eerst werden opgemerkt in de kernen van sommige actieve sterrenstelsels, hebben een andere oorsprong. Er zijn verschillende hypothesen over hun geboorte: een stellair zwart gat, dat in de loop van miljoenen jaren alle sterren eromheen verslindt; een cluster van zwarte gaten die samensmelten; een kolossale gaswolk die direct ineenstort in een zwart gat. Deze zwarte gaten behoren tot de meest energetische objecten in de ruimte. Ze bevinden zich in de centra van veel, zo niet alle, sterrenstelsels. Onze Melkweg heeft ook zo’n zwart gat. Soms worden de kernen van deze sterrenstelsels door de aanwezigheid van zo’n zwart gat erg helder. Sterrenstelsels met zwarte gaten in het centrum, omgeven door grote hoeveelheden vallende materie en daarom in staat kolossale hoeveelheden energie te produceren, worden "actief" genoemd en hun kernen worden "actieve galactische kernen" (AGN) genoemd. Quasars (de verste kosmische objecten van ons die toegankelijk zijn voor onze waarneming) zijn bijvoorbeeld actieve sterrenstelsels waarin we alleen een zeer heldere kern zien.

Medium en mini

Een ander mysterie blijven de zwarte gaten met gemiddelde massa, die volgens recent onderzoek mogelijk het centrum vormen van sommige bolvormige sterrenhopen, zoals M13 en NCC 6388. Veel astronomen staan ​​sceptisch tegenover deze objecten, maar nieuw onderzoek suggereert de aanwezigheid van zwarte gaten van gemiddelde grootte, zelfs nabij het centrum van onze Melkweg. De Engelse natuurkundige Stephen Hawking bracht ook een theoretische veronderstelling naar voren over het bestaan ​​van een vierde type zwart gat: een 'minigat' met een massa van slechts een miljard ton (wat ongeveer gelijk is aan de massa van een grote berg). We hebben het over primaire objecten, dat wil zeggen objecten die verschenen in de eerste momenten van het leven van het heelal, toen de druk nog erg hoog was. Er is echter nog geen enkel spoor van hun bestaan ​​ontdekt.

Hoe een zwart gat te vinden

Nog maar een paar jaar geleden ging er een licht branden boven zwarte gaten. Dankzij voortdurend verbeterende instrumenten en technologieën (zowel op de grond als in de ruimte) worden deze objecten steeds minder mysterieus; preciezer: de ruimte eromheen wordt minder mysterieus. Omdat het zwarte gat zelf onzichtbaar is, kunnen we het alleen herkennen als het omgeven is door voldoende materie (sterren en heet gas) die er op korte afstand omheen draait.

Binaire systemen bekijken

Sommige stellaire zwarte gaten zijn ontdekt door het observeren van de baanbeweging van een ster rond een onzichtbare metgezel in een binair systeem. Nabije binaire systemen (dat wil zeggen bestaande uit twee sterren die heel dicht bij elkaar staan), waarin een van de metgezellen onzichtbaar is, zijn een favoriet observatieobject voor astrofysici die op zoek zijn naar zwarte gaten.

Een indicatie voor de aanwezigheid van een zwart gat (of neutronenster) is de sterke emissie van röntgenstraling veroorzaakt door een complex mechanisme dat schematisch als volgt kan worden beschreven. Dankzij zijn krachtige zwaartekracht kan een zwart gat materie uit zijn begeleidende ster rukken; dit gas verspreidt zich in een platte schijf en spiraalt naar beneden in het zwarte gat. Wrijving als gevolg van botsingen tussen deeltjes van vallend gas verhit de binnenste lagen van de schijf tot enkele miljoenen graden, wat krachtige röntgenstraling veroorzaakt.

Röntgenobservaties

Röntgenobservaties van objecten in onze Melkweg en naburige sterrenstelsels, die al tientallen jaren worden uitgevoerd, hebben het mogelijk gemaakt om compacte binaire bronnen te detecteren, waarvan er ongeveer een dozijn systemen zijn die kandidaten voor een zwart gat bevatten. Het grootste probleem is het bepalen van de massa van een onzichtbaar hemellichaam. De massa (hoewel niet erg nauwkeurig) kan worden gevonden door de beweging van de begeleider te bestuderen of, veel moeilijker, door de intensiteit van de röntgenstraling van het vallende materiaal te meten. Deze intensiteit wordt door een vergelijking gerelateerd aan de massa van het lichaam waarop deze stof valt.

Nobel laureaat

Iets soortgelijks kan worden gezegd voor superzware zwarte gaten die worden waargenomen in de kernen van veel sterrenstelsels, waarvan de massa wordt geschat door de orbitale snelheden te meten van het gas dat in het zwarte gat valt. In dit geval wordt, veroorzaakt door het krachtige zwaartekrachtveld van een zeer groot object, een snelle toename van de snelheid van gaswolken die in het centrum van sterrenstelsels cirkelen gedetecteerd door waarnemingen in het radiobereik, maar ook door optische straling. Waarnemingen in het röntgenbereik kunnen de toegenomen energievrijgave bevestigen die wordt veroorzaakt door materie die in het zwarte gat valt. Onderzoek naar röntgenstraling werd begin jaren zestig gestart door de Italiaan Riccardo Giacconi, die in de VS werkte. Zijn Nobelprijs in 2002 erkende zijn "baanbrekende bijdragen aan de astrofysica die hebben geleid tot de ontdekking van röntgenbronnen in de ruimte."

Cygnus X-1: eerste kandidaat

Onze Melkweg is niet immuun voor de aanwezigheid van kandidaat-objecten voor zwarte gaten. Gelukkig is geen van deze objecten dichtbij genoeg om een ​​bedreiging te vormen voor het bestaan ​​van de aarde of het zonnestelsel. Ondanks het grote aantal compacte röntgenbronnen dat is geïdentificeerd (en dit zijn de meest waarschijnlijke kandidaten voor zwarte gaten), hebben we er geen vertrouwen in dat deze ook daadwerkelijk zwarte gaten bevatten. De enige van deze bronnen die geen alternatieve versie heeft, is het nabije binaire systeem Cygnus X-1, dat wil zeggen de helderste bron van röntgenstraling in het sterrenbeeld Cygnus.

Massieve sterren

Dit systeem, waarvan de omlooptijd 5,6 dagen bedraagt, bestaat uit een zeer heldere blauwe ster van groot formaat (de diameter is 20 keer die van de zon, en de massa is ongeveer 30 keer groter), zelfs gemakkelijk zichtbaar in je telescoop, en een onzichtbare tweede ster, waarvan de massa wordt geschat op enkele zonsmassa's (tot 10). Op een afstand van 6500 lichtjaar zou de tweede ster perfect zichtbaar zijn als het een gewone ster was. De onzichtbaarheid ervan, de krachtige röntgenstraling die door het systeem wordt geproduceerd en, ten slotte, de schatting van de massa doen de meeste astronomen geloven dat dit de eerste bevestigde ontdekking is van een stellair zwart gat.

Twijfels

Er zijn echter ook sceptici. Onder hen bevindt zich een van de grootste onderzoekers van zwarte gaten, natuurkundige Stephen Hawking. Hij sloot zelfs een weddenschap met zijn Amerikaanse collega Keel Thorne, een fervent voorstander van het classificeren van het Cygnus X-1-object als een zwart gat.

Het debat over de identiteit van het Cygnus X-1-object is niet de enige weddenschap van Hawking. Nadat hij negen jaar aan theoretische studies van zwarte gaten had besteed, raakte hij overtuigd van de misvatting van zijn eerdere ideeën over deze mysterieuze objecten. In het bijzonder ging Hawking ervan uit dat materie, nadat ze in een zwart gat is gevallen, voor altijd verdwijnt, en daarmee alle zijn informatiebagage verdwijnt. Hij was daar zo zeker van dat hij in 1997 een weddenschap op dit onderwerp aanging met zijn Amerikaanse collega John Preskill.

Een fout toegeven

Op 21 juli 2004 gaf Hawking in zijn toespraak op het Congres over de Relativiteitstheorie in Dublin toe dat Preskill gelijk had. Zwarte gaten leiden niet tot het volledig verdwijnen van materie. Bovendien hebben ze een bepaald soort ‘geheugen’. Mogelijk bevatten ze sporen van wat ze hebben geconsumeerd. Door te ‘verdampen’ (dat wil zeggen door langzaam straling uit te zenden vanwege het kwantumeffect) kunnen ze deze informatie terugsturen naar ons universum.

Zwarte gaten in de Melkweg

Astronomen hebben nog steeds veel twijfels over de aanwezigheid van stellaire zwarte gaten (zoals die behorend tot het binaire systeem Cygnus X-1) in onze Melkweg; maar er bestaat veel minder twijfel over superzware zwarte gaten.

In het midden

Onze Melkweg heeft minstens één superzwaar zwart gat. De bron ervan, bekend als Boogschutter A*, bevindt zich precies in het midden van het vlak van de Melkweg. De naam wordt verklaard door het feit dat het de krachtigste radiobron is in het sterrenbeeld Boogschutter. Het is in deze richting dat zowel de geometrische als de fysieke centra van ons galactische systeem zich bevinden. Het superzware zwarte gat, dat geassocieerd wordt met de radiogolfbron Sagittarius A*, bevindt zich op ongeveer 26.000 lichtjaar afstand en heeft een massa van naar schatting zo'n 4 miljoen zonsmassa's, vervat in een ruimte waarvan het volume vergelijkbaar is met het volume van het zonnestelsel. De relatieve nabijheid ervan tot ons (het is veruit het dichtstbijzijnde superzware zwarte gat bij de aarde) heeft ertoe geleid dat het object de afgelopen jaren bijzonder nauwkeurig is bestudeerd door het Chandra-ruimteobservatorium. Het bleek vooral dat het ook een krachtige bron van röntgenstraling is (maar niet zo krachtig als bronnen in actieve galactische kernen). Boogschutter A* is mogelijk een sluimerend overblijfsel van wat miljoenen of miljarden jaren geleden de actieve kern van onze Melkweg was.

Tweede zwarte gat?

Sommige astronomen geloven echter dat er nog een verrassing in onze Melkweg wacht. We hebben het over een tweede zwart gat met een gemiddelde massa, dat een cluster jonge sterren bij elkaar houdt en verhindert dat ze in een superzwaar zwart gat vallen dat zich in het centrum van de Melkweg zelf bevindt. Hoe kan het dat er op een afstand van minder dan één lichtjaar een sterrenhoop staat die amper 10 miljoen jaar oud is, dat wil zeggen, naar astronomische maatstaven, heel jong? Volgens de onderzoekers is het antwoord dat de cluster daar niet is geboren (de omgeving rond het centrale zwarte gat is te vijandig voor stervorming), maar daarheen is ‘getrokken’ vanwege het bestaan ​​van een tweede zwart gat erin, dat heeft een gemiddelde massa.

In een baan

Individuele sterren in de cluster, aangetrokken door het superzware zwarte gat, begonnen naar het galactische centrum te verschuiven. Maar in plaats van zich in de ruimte te verspreiden, blijven ze bijeen dankzij de zwaartekracht van een tweede zwart gat in het midden van de cluster. De massa van dit zwarte gat kan worden geschat op basis van zijn vermogen om een ​​hele sterrenhoop aan de lijn te houden. Het duurt blijkbaar ongeveer 100 jaar voordat een middelgroot zwart gat rond het centrale zwarte gat draait. Dit betekent dat langetermijnwaarnemingen gedurende vele jaren ons in staat zullen stellen het te ‘zien’.

Om een ​​zwart gat te kunnen vormen, is het noodzakelijk om een ​​lichaam tot een bepaalde kritische dichtheid te comprimeren, zodat de straal van het samengedrukte lichaam gelijk is aan zijn zwaartekrachtstraal. De waarde van deze kritische dichtheid is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de massa van het zwarte gat.

Voor een typisch zwart gat met stellaire massa ( M=10M zon) zwaartekrachtstraal is 30 km, en de kritische dichtheid is 2,10 14 g/cm3, dat wil zeggen tweehonderd miljoen ton per kubieke centimeter. Deze dichtheid is zeer hoog vergeleken met de gemiddelde dichtheid van de aarde (5,5 g/cm3), deze is gelijk aan de dichtheid van de substantie van de atoomkern.

Voor een zwart gat in de galactische kern ( M=10 10 M zon) zwaartekrachtstraal is 3·10 · 15 cm = 200 AU, wat vijf keer de afstand is van de zon tot Pluto (1 astronomische eenheid - de gemiddelde afstand van de aarde tot de zon - is gelijk aan 150 miljoen km of 1,5·10 13cm). De kritische dichtheid is in dit geval gelijk aan 0,2·10 –3 g/cm 3 , wat meerdere malen kleiner is dan de dichtheid van lucht, gelijk aan 1,3·10 –3 g/cm 3 (!).

Voor de aarde ( M=3·10 –6 M zon), de zwaartekrachtstraal is bijna 9 mm, en de overeenkomstige kritische dichtheid is monsterlijk hoog: ρ cr = 2,10 27 g/cm 3, wat 13 ordes van grootte hoger is dan de dichtheid van de atoomkern.

Als we een denkbeeldige bolvormige druk uitoefenen en de aarde samendrukken, waarbij de massa behouden blijft, dan zal, als we de straal van de aarde (6370 km) vier keer verkleinen, de tweede ontsnappingssnelheid verdubbelen en gelijk worden aan 22,4 km/s. Als we de aarde zo samendrukken dat de straal ongeveer 9 mm wordt, zal de tweede kosmische snelheid een waarde aannemen die gelijk is aan de lichtsnelheid C= 300.000 km/sec.

Verder zal er geen pers nodig zijn - de aarde, samengedrukt tot een dergelijke omvang, zal zichzelf al samendrukken. Uiteindelijk zal zich op de plaats van de aarde een zwart gat vormen, waarvan de straal van de waarnemingshorizon bijna 9 mm zal bedragen (als we de rotatie van het resulterende zwarte gat verwaarlozen). In reële omstandigheden is er natuurlijk geen superkrachtige pers - de zwaartekracht “werkt”. Dit is de reden waarom zwarte gaten zich alleen kunnen vormen wanneer de binnenkant van zeer massieve sterren instort, waarbij de zwaartekracht sterk genoeg is om materie tot een kritische dichtheid te comprimeren.

Evolutie van sterren

Zwarte gaten ontstaan ​​in de laatste fase van de evolutie van massieve sterren. In de diepten van gewone sterren vinden thermonucleaire reacties plaats, komt er enorme energie vrij en wordt een hoge temperatuur gehandhaafd (tientallen en honderden miljoenen graden). Zwaartekrachtkrachten hebben de neiging de ster samen te drukken, en de drukkrachten van heet gas en straling weerstaan ​​deze compressie. Daarom bevindt de ster zich in hydrostatisch evenwicht.

Bovendien kan een ster in thermisch evenwicht bestaan, wanneer de energie die vrijkomt als gevolg van thermonucleaire reacties in het centrum precies gelijk is aan het vermogen dat de ster vanaf het oppervlak uitzendt. Naarmate de ster samentrekt en uitzet, wordt het thermische evenwicht verstoord. Als de ster stilstaat, wordt zijn evenwicht zodanig tot stand gebracht dat de negatieve potentiële energie van de ster (de energie van zwaartekrachtcompressie) in absolute waarde altijd tweemaal de thermische energie is. Hierdoor heeft de ster een verbazingwekkende eigenschap: negatieve warmtecapaciteit. Gewone lichamen hebben een positieve warmtecapaciteit: een verwarmd stuk ijzer dat afkoelt, dat wil zeggen energie verliest, verlaagt de temperatuur. Voor een ster geldt het tegenovergestelde: hoe meer energie hij verliest in de vorm van straling, hoe hoger de temperatuur in het centrum wordt.

Dit vreemde kenmerk, op het eerste gezicht, heeft een eenvoudige verklaring: de ster trekt langzaam samen terwijl hij straalt. Tijdens compressie wordt potentiële energie omgezet in kinetische energie van vallende lagen van de ster, en het binnenste ervan warmt op. Bovendien is de thermische energie die de ster verkrijgt als gevolg van compressie twee keer zo groot als de energie die verloren gaat in de vorm van straling. Als gevolg hiervan neemt de temperatuur in het binnenste van de ster toe en vindt er een continue thermonucleaire synthese van chemische elementen plaats. De reactie waarbij waterstof in helium wordt omgezet in de huidige zon vindt bijvoorbeeld plaats bij een temperatuur van 15 miljoen graden. Wanneer na 4 miljard jaar in het centrum van de zon alle waterstof in helium verandert, zal voor de verdere synthese van koolstofatomen uit heliumatomen een aanzienlijk hogere temperatuur nodig zijn, zo’n 100 miljoen graden (de elektrische lading van heliumkernen is twee keer zo groot als die van waterstofkernen, en om de kernen dichter bij elkaar te brengen is helium op een afstand van 10-13 cm vereist). Het is precies deze temperatuur die zal worden gegarandeerd als gevolg van de negatieve warmtecapaciteit van de zon tegen de tijd dat de thermonucleaire reactie, waarbij helium in koolstof wordt omgezet, in de diepte ervan wordt ontstoken.

Witte dwergen

Als de massa van de ster klein is, zodat de massa van de kern die wordt beïnvloed door thermonucleaire transformaties minder dan 1,4 bedraagt M Zon kan de thermonucleaire fusie van chemische elementen ophouden als gevolg van de zogenaamde degeneratie van het elektronengas in de kern van de ster. In het bijzonder hangt de druk van een gedegenereerd gas af van de dichtheid, maar niet van de temperatuur, aangezien de energie van kwantumbewegingen van elektronen veel groter is dan de energie van hun thermische beweging.

De hoge druk van het gedegenereerde elektronengas neutraliseert effectief de krachten van zwaartekrachtcompressie. Omdat de druk niet afhankelijk is van de temperatuur, leidt het verlies van energie door een ster in de vorm van straling niet tot compressie van zijn kern. Bijgevolg komt zwaartekrachtenergie niet vrij als extra warmte. Daarom neemt de temperatuur in de evoluerende gedegenereerde kern niet toe, wat leidt tot de onderbreking van de keten van thermonucleaire reacties.

De buitenste waterstofschil, onaangetast door thermonucleaire reacties, scheidt zich af van de kern van de ster en vormt een planetaire nevel, die gloeit in de emissielijnen van waterstof, helium en andere elementen. De centrale compacte en relatief hete kern van een geëvolueerde ster met lage massa is een witte dwerg - een object met een straal in de orde van de straal van de aarde (~10,4 km), een massa van minder dan 1,4 km. M zon en een gemiddelde dichtheid van ongeveer een ton per kubieke centimeter. Witte dwergen worden in grote aantallen waargenomen. Hun totale aantal in de Melkweg bedraagt ​​10 10, dat wil zeggen ongeveer 10% van de totale massa van de waarneembare materie van de Melkweg.

Thermonucleaire verbranding in een gedegenereerde witte dwerg kan onstabiel zijn en leiden tot een nucleaire explosie van een voldoende massieve witte dwerg met een massa dichtbij de zogenaamde Chandrasekhar-limiet (1.4 M zon). Dergelijke explosies lijken op type I-supernova's, die geen waterstoflijnen in hun spectrum hebben, maar alleen lijnen van helium, koolstof, zuurstof en andere zware elementen.

Neutronensterren

Als de kern van de ster gedegenereerd is, zal de massa de limiet van 1,4 naderen M zon wordt de gebruikelijke degeneratie van het elektronengas in de kern vervangen door de zogenaamde relativistische degeneratie.

De kwantumbewegingen van gedegenereerde elektronen worden zo snel dat hun snelheden de snelheid van het licht benaderen. In dit geval neemt de elasticiteit van het gas af, neemt het vermogen om de zwaartekracht tegen te gaan af en ervaart de ster een ineenstorting door de zwaartekracht. Tijdens het instorten worden elektronen opgevangen door protonen en vindt neutronisatie van de stof plaats. Dit leidt tot de vorming van een neutronenster uit een massieve gedegenereerde kern.

Als de initiële massa van de kern van de ster groter is dan 1,4 M zon, dan wordt er een hoge temperatuur bereikt in de kern, en vindt er gedurende de hele evolutie geen elektronendegeneratie plaats. In dit geval werkt de negatieve warmtecapaciteit: als de ster energie verliest in de vorm van straling, neemt de temperatuur in de diepte toe en is er een continue keten van thermonucleaire reacties waarbij waterstof wordt omgezet in helium, helium in koolstof, koolstof in zuurstof en enzovoort, tot aan de elementen van de ijzergroep. De reactie van thermonucleaire fusie van kernen van elementen zwaarder dan ijzer vindt niet langer plaats bij het vrijkomen, maar bij de absorptie van energie. Als de massa van de kern van de ster, die voornamelijk uit ijzergroepelementen bestaat, de Chandrasekhar-limiet van 1,4 overschrijdt M zon , maar minder dan de zogenaamde Oppenheimer-Volkov-limiet ~3 M zon, dan vindt aan het einde van de nucleaire evolutie van de ster een ineenstorting van de kern door de zwaartekracht plaats, als gevolg waarvan de buitenste waterstofschil van de ster wordt afgestoten, wat wordt waargenomen als een type II supernova-explosie, in het spectrum van welke krachtige waterstoflijnen worden waargenomen.

Het instorten van de ijzeren kern leidt tot de vorming van een neutronenster.

Wanneer de massieve kern van een ster die een laat stadium van evolutie heeft bereikt, wordt samengedrukt, stijgt de temperatuur tot gigantische waarden in de orde van een miljard graden, wanneer de atoomkernen uiteen beginnen te vallen in neutronen en protonen. Protonen absorberen elektronen en veranderen in neutronen, waarbij neutrino's worden uitgezonden. Neutronen beginnen, volgens het kwantummechanische Pauli-principe, met sterke compressie elkaar effectief af te stoten.

Wanneer de massa van de instortende kern kleiner is dan 3 M In de zon zijn de neutronensnelheden aanzienlijk lager dan de snelheid van het licht en de elasticiteit van materie als gevolg van de effectieve afstoting van neutronen kan de zwaartekracht in evenwicht brengen en leiden tot de vorming van een stabiele neutronenster.

De mogelijkheid van het bestaan ​​van neutronensterren werd voor het eerst voorspeld in 1932 door de vooraanstaande Sovjet-fysicus Landau, onmiddellijk na de ontdekking van het neutron in laboratoriumexperimenten. De straal van een neutronenster is bijna 10 km, de gemiddelde dichtheid is honderden miljoenen tonnen per kubieke centimeter.

Wanneer de massa van de instortende sterkern groter is dan 3 M zon, dan stort de resulterende neutronenster, volgens bestaande ideeën, af in een zwart gat. Het instorten van een neutronenster tot een zwart gat wordt ook vergemakkelijkt door de omgekeerde val van een deel van de schil van de ster, dat tijdens een supernova-explosie wordt uitgestoten.

Een neutronenster roteert doorgaans snel omdat de normale ster die hem heeft voortgebracht een aanzienlijk impulsmoment kan hebben. Wanneer de kern van een ster instort tot een neutronenster, nemen de karakteristieke afmetingen van de ster af R= 10 5 –10 6 km tot R≈ 10 km. Naarmate de grootte van een ster kleiner wordt, neemt het traagheidsmoment af. Om het impulsmoment te behouden, moet de snelheid van de axiale rotatie sterk toenemen. Als de zon bijvoorbeeld, die ongeveer een maand ronddraait, wordt samengedrukt tot de grootte van een neutronenster, neemt de rotatieperiode af tot 10 –3 seconden.

Enkelvoudige neutronensterren met een sterk magnetisch veld manifesteren zich als radiopulsars - bronnen van strikt periodieke pulsen van radio-emissie die ontstaan ​​wanneer de energie van de snelle rotatie van een neutronenster wordt omgezet in gerichte radio-emissie. In binaire systemen vertonen aanstormende neutronensterren het fenomeen röntgenpulsar en type 1 röntgenburster.

Van een zwart gat kun je geen strikt periodieke stralingspulsaties verwachten, omdat het zwarte gat geen waarneembaar oppervlak en geen magnetisch veld heeft. Zoals natuurkundigen vaak zeggen: zwarte gaten hebben geen ‘haar’: alle velden en alle inhomogeniteiten nabij de waarnemingshorizon worden uitgezonden wanneer het zwarte gat wordt gevormd uit instortende materie in de vorm van een stroom zwaartekrachtgolven. Als gevolg hiervan heeft het resulterende zwarte gat slechts drie kenmerken: massa, impulsmoment en elektrische lading. Alle individuele eigenschappen van de instortende substantie worden vergeten wanneer een zwart gat wordt gevormd: zwarte gaten gevormd uit ijzer en uit water hebben bijvoorbeeld, als de overige zaken gelijk blijven, dezelfde kenmerken.

Zoals voorspeld door de Algemene Relativiteitstheorie (GR), zijn sterren waarvan de ijzeren kernmassa aan het einde van hun evolutie groter is dan 3 M zon, ervaar onbeperkte compressie (relativistische ineenstorting) met de vorming van een zwart gat. Dit wordt verklaard door het feit dat in de algemene relativiteitstheorie de zwaartekrachten die de neiging hebben een ster te comprimeren, worden bepaald door de energiedichtheid, en dat bij de enorme materiedichtheden die worden bereikt tijdens de compressie van zo'n massieve sterkern, de belangrijkste bijdrage aan de energiedichtheid wordt niet langer gemaakt door de restenergie van de deeltjes, maar door de energie van hun beweging en interactie. Het blijkt dat in de algemene relativiteitstheorie de druk van een stof met zeer hoge dichtheden zichzelf lijkt te ‘wegen’: hoe groter de druk, hoe groter de energiedichtheid en, dientengevolge, hoe groter de zwaartekracht die de neiging heeft de stof samen te drukken. Bovendien worden onder sterke zwaartekrachtvelden de effecten van ruimte-tijdkromming van fundamenteel belang, wat ook bijdraagt ​​aan de onbeperkte compressie van de kern van de ster en de transformatie ervan in een zwart gat (figuur 3).

Concluderend merken we op dat zwarte gaten gevormd in onze tijd (bijvoorbeeld het zwarte gat in het Cygnus X-1-systeem) strikt genomen niet honderd procent zwarte gaten zijn, omdat als gevolg van relativistische tijdsdilatatie voor een verre waarnemer, hun gebeurtenishorizon heeft zich nog steeds niet gevormd. De oppervlakken van zulke instortende sterren lijken voor een waarnemer op aarde bevroren en naderen eindeloos hun waarnemingshorizon.

Om uiteindelijk zwarte gaten uit zulke instortende objecten te kunnen vormen, moeten we de hele oneindig lange tijd van het bestaan ​​van ons heelal wachten. Er moet echter worden benadrukt dat het oppervlak van de instortende ster voor een waarnemer vanaf de aarde al in de eerste seconden van de relativistische ineenstorting zeer dicht bij de gebeurtenishorizon nadert, en dat alle processen op dit oppervlak oneindig vertragen.

« Sciencefiction kan nuttig zijn: het stimuleert de verbeelding en neemt de angst voor de toekomst weg. Wetenschappelijke feiten kunnen echter veel verrassender zijn. Sciencefiction heeft zich nooit het bestaan ​​van zoiets als zwarte gaten kunnen voorstellen»
Stefan Hawking

In de diepten van het universum zijn er talloze mysteries en geheimen verborgen voor de mens. Eén daarvan zijn zwarte gaten: objecten die zelfs de grootste geesten van de mensheid niet kunnen begrijpen. Honderden astrofysici proberen de aard van zwarte gaten bloot te leggen, maar in dit stadium hebben we hun bestaan ​​nog niet eens in de praktijk bewezen.

Filmregisseurs dragen hun films aan hen op, en onder gewone mensen zijn zwarte gaten zo'n cultfenomeen geworden dat ze worden geïdentificeerd met het einde van de wereld en de onvermijdelijke dood. Ze worden gevreesd en gehaat, maar tegelijkertijd worden ze vereerd en aanbeden door het onbekende dat deze vreemde fragmenten van het universum in zichzelf verbergen. Mee eens, opgeslokt worden door een zwart gat is zoiets romantisch. Met hun hulp is het mogelijk, en zij kunnen ook gidsen voor ons worden.

De gele pers speculeert vaak over de populariteit van zwarte gaten. Het vinden van krantenkoppen over het einde van de wereld als gevolg van een nieuwe botsing met een superzwaar zwart gat is geen probleem. Veel erger is dat het analfabete deel van de bevolking alles serieus neemt en echte paniek zaait. Om wat duidelijkheid te scheppen, zullen we een reis maken naar de oorsprong van de ontdekking van zwarte gaten en proberen te begrijpen wat het is en hoe we het moeten behandelen.

Onzichtbare sterren

Het gebeurt nu eenmaal dat moderne natuurkundigen de structuur van ons heelal beschrijven met behulp van de relativiteitstheorie, die Einstein aan het begin van de 20e eeuw zorgvuldig aan de mensheid heeft verstrekt. Zwarte gaten worden zelfs nog mysterieuzer, op de gebeurtenishorizon waarvan alle ons bekende natuurwetten, inclusief de theorie van Einstein, niet langer van toepassing zijn. Is dit niet geweldig? Bovendien werd het vermoeden over het bestaan ​​van zwarte gaten al geuit lang voordat Einstein zelf werd geboren.

In 1783 was er een aanzienlijke toename van de wetenschappelijke activiteit in Engeland. In die tijd ging wetenschap zij aan zij met religie, ze konden goed met elkaar overweg en wetenschappers werden niet langer als ketters beschouwd. Bovendien hielden priesters zich bezig met wetenschappelijk onderzoek. Een van deze dienaren van God was de Engelse predikant John Michell, die zich niet alleen afvroeg over bestaansvragen, maar ook over volledig wetenschappelijke problemen. Michell was een zeer bekende wetenschapper: aanvankelijk was hij leraar wiskunde en oude taalkunde aan een van de hogescholen, en daarna werd hij voor een aantal ontdekkingen toegelaten tot de Royal Society of London.

John Michell studeerde seismologie, maar dacht in zijn vrije tijd graag na over het eeuwige en de kosmos. Dit is hoe hij op het idee kwam dat er ergens in de diepten van het heelal superzware lichamen zouden kunnen zijn met zo'n krachtige zwaartekracht dat het, om de zwaartekracht van zo'n lichaam te overwinnen, nodig is om met een snelheid gelijk aan of hoger te bewegen. dan de snelheid van het licht. Als we zo'n theorie als waar aanvaarden, zal zelfs licht niet in staat zijn een tweede ontsnappingssnelheid te ontwikkelen (de snelheid die nodig is om de zwaartekracht van het vertrekkende lichaam te overwinnen), dus zo'n lichaam zal onzichtbaar blijven voor het blote oog.

Michell noemde zijn nieuwe theorie 'donkere sterren' en probeerde tegelijkertijd de massa van dergelijke objecten te berekenen. Hij uitte zijn gedachten hierover in een open brief aan de Royal Society of London. Helaas was dergelijk onderzoek in die tijd niet van bijzondere waarde voor de wetenschap, dus werd de brief van Michell naar de archieven gestuurd. Slechts tweehonderd jaar later, in de tweede helft van de 20e eeuw, werd het ontdekt tussen duizenden andere documenten die zorgvuldig waren opgeslagen in de oude bibliotheek.

Het eerste wetenschappelijke bewijs voor het bestaan ​​van zwarte gaten

Nadat Einsteins Algemene Relativiteitstheorie was gepubliceerd, begonnen wiskundigen en natuurkundigen serieus met het oplossen van de vergelijkingen van de Duitse wetenschapper, die ons veel nieuwe dingen zouden vertellen over de structuur van het heelal. De Duitse astronoom en natuurkundige Karl Schwarzschild besloot in 1916 hetzelfde te doen.

De wetenschapper kwam op basis van zijn berekeningen tot de conclusie dat het bestaan ​​​​van zwarte gaten mogelijk is. Hij was ook de eerste die beschreef wat later de romantische uitdrukking 'gebeurtenishorizon' werd genoemd: de denkbeeldige grens van ruimte-tijd bij een zwart gat, waarna er na het overschrijden ervan een punt is waar geen terugkeer meer mogelijk is. Niets zal aan de waarnemingshorizon ontsnappen, zelfs licht niet. Het is voorbij de gebeurtenishorizon dat de zogenaamde ‘singulariteit’ plaatsvindt, waar de ons bekende natuurwetten niet langer van toepassing zijn.

Terwijl hij zijn theorie bleef ontwikkelen en vergelijkingen oploste, ontdekte Schwarzschild nieuwe geheimen van zwarte gaten voor zichzelf en de wereld. Zo kon hij, uitsluitend op papier, de afstand berekenen van het centrum van het zwarte gat, waar de massa geconcentreerd is, tot de waarnemingshorizon. Schwarzschild noemde deze afstand de zwaartekrachtstraal.

Ondanks het feit dat de oplossingen van Schwarzschild wiskundig uiterst correct waren en niet konden worden weerlegd, kon de wetenschappelijke gemeenschap van het begin van de 20e eeuw een dergelijke schokkende ontdekking niet onmiddellijk accepteren en werd het bestaan ​​van zwarte gaten afgeschreven als een fantasie, die elke dag verscheen. zo nu en dan in de relativiteitstheorie. Gedurende de volgende vijftien jaar verliep de verkenning van de ruimte naar de aanwezigheid van zwarte gaten langzaam, en slechts een paar aanhangers van de theorie van de Duitse natuurkundige waren er mee bezig.

Sterren die duisternis voortbrengen

Nadat de vergelijkingen van Einstein waren opgelost, was het tijd om de getrokken conclusies te gebruiken om de structuur van het heelal te begrijpen. In het bijzonder in de theorie van de evolutie van sterren. Het is geen geheim dat niets in onze wereld eeuwig duurt. Zelfs sterren hebben hun eigen levenscyclus, zij het langer dan die van een persoon.

Een van de eerste wetenschappers die serieus geïnteresseerd raakte in de evolutie van sterren was de jonge astrofysicus Subramanyan Chandrasekhar, geboren in India. In 1930 publiceerde hij een wetenschappelijk werk waarin hij de veronderstelde interne structuur van sterren beschreef, evenals hun levenscycli.

Al aan het begin van de 20e eeuw vermoedden wetenschappers over een fenomeen als zwaartekrachtcompressie (zwaartekrachtinstorting). Op een bepaald punt in zijn leven begint een ster onder invloed van zwaartekrachten met enorme snelheid samen te trekken. In de regel gebeurt dit op het moment van de dood van een ster, maar tijdens de ineenstorting van de zwaartekracht zijn er verschillende manieren om het voortbestaan ​​​​van een hete bal te garanderen.

De wetenschappelijk adviseur van Chandrasekhar, Ralph Fowler, een gerespecteerd theoretisch natuurkundige in zijn tijd, ging ervan uit dat elke ster tijdens de zwaartekrachtinstorting in een kleinere en hetere ster verandert: een witte dwerg. Maar het bleek dat de student de theorie van de leraar ‘brak’, die begin vorige eeuw door de meeste natuurkundigen werd gedeeld. Volgens het werk van een jonge Indiër hangt de ondergang van een ster af van zijn initiële massa. Alleen sterren waarvan de massa niet groter is dan 1,44 keer de massa van de zon, kunnen bijvoorbeeld witte dwergen worden. Dit aantal werd de Chandrasekhar-limiet genoemd. Als de massa van de ster deze limiet overschrijdt, sterft hij op een heel andere manier. Onder bepaalde omstandigheden kan zo'n ster op het moment van overlijden herboren worden in een nieuwe neutronenster - nog een mysterie van het moderne universum. De relativiteitstheorie vertelt ons een andere optie: compressie van de ster tot ultrakleine waarden, en dit is waar het plezier begint.

In 1932 verscheen er een artikel in een van de wetenschappelijke tijdschriften waarin de briljante natuurkundige uit de USSR Lev Landau suggereerde dat een superzware ster tijdens de ineenstorting wordt samengedrukt tot een punt met een oneindig kleine straal en een oneindige massa. Ondanks het feit dat een dergelijke gebeurtenis heel moeilijk voorstelbaar is vanuit het perspectief van een onvoorbereid persoon, was Landau niet ver van de waarheid. De natuurkundige suggereerde ook dat, volgens de relativiteitstheorie, de zwaartekracht op zo'n punt zo groot zal zijn dat deze de ruimte-tijd zal gaan vervormen.

Astrofysici waren enthousiast over de theorie van Landau en bleven deze ontwikkelen. In 1939 ontstond er in Amerika, dankzij de inspanningen van twee natuurkundigen - Robert Oppenheimer en Hartland Snyder - een theorie die een superzware ster ten tijde van de ineenstorting in detail beschreef. Als gevolg van een dergelijke gebeurtenis had er een echt zwart gat moeten verschijnen. Ondanks de overtuigendheid van de argumenten bleven wetenschappers de mogelijkheid van het bestaan ​​van dergelijke lichamen ontkennen, evenals de transformatie van sterren daarin. Zelfs Einstein distantieerde zich van dit idee, omdat hij geloofde dat een ster niet in staat was tot zulke fenomenale transformaties. Andere natuurkundigen bezuinigden niet op hun uitspraken en noemden de mogelijkheid van dergelijke gebeurtenissen belachelijk.
De wetenschap komt echter altijd achter de waarheid, je moet gewoon even wachten. En zo gebeurde het.

De helderste objecten in het heelal

Onze wereld is een verzameling paradoxen. Soms bestaan ​​er dingen naast elkaar, waarvan het naast elkaar bestaan ​​elke logica tart. De term ‘zwart gat’ zou bijvoorbeeld door een normaal persoon niet in verband worden gebracht met de uitdrukking ‘ongelooflijk helder’, maar door een ontdekking begin jaren zestig van de vorige eeuw konden wetenschappers deze bewering als onjuist beschouwen.

Met behulp van telescopen konden astrofysici tot nu toe onbekende objecten in de sterrenhemel ontdekken, die zich heel vreemd gedroegen ondanks het feit dat ze op gewone sterren leken. Tijdens het bestuderen van deze vreemde hemellichamen vestigde de Amerikaanse wetenschapper Martin Schmidt de aandacht op hun spectrografie, waarvan de gegevens andere resultaten lieten zien dan bij het scannen van andere sterren. Simpel gezegd: deze sterren waren niet zoals andere sterren die we gewend zijn.

Plotseling drong het tot Schmidt door en hij merkte een verschuiving in het spectrum in het rode bereik op. Het bleek dat deze objecten veel verder van ons verwijderd zijn dan de sterren die we gewend zijn aan de hemel waar te nemen. Het door Schmidt waargenomen object bevond zich bijvoorbeeld op twee en een half miljard lichtjaar van onze planeet, maar scheen zo helder als een ster op honderd lichtjaren afstand. Het blijkt dat het licht van zo’n object vergelijkbaar is met de helderheid van een heel sterrenstelsel. Deze ontdekking was een echte doorbraak in de astrofysica. De wetenschapper noemde deze objecten ‘quasi-stellair’ of eenvoudigweg ‘quasar’.

Martin Schmidt bleef nieuwe objecten bestuderen en ontdekte dat zo'n heldere gloed slechts door één reden kan worden veroorzaakt: aanwas. Accretie is het proces waarbij omringende materie door een superzwaar lichaam wordt geabsorbeerd met behulp van de zwaartekracht. De wetenschapper kwam tot de conclusie dat zich in het centrum van quasars een enorm zwart gat bevindt, dat met ongelooflijke kracht de materie eromheen in de ruimte naar binnen trekt. Terwijl het gat materie absorbeert, versnellen de deeltjes tot enorme snelheden en beginnen ze te gloeien. Een soort lichtgevende koepel rond een zwart gat wordt een accretieschijf genoemd. De visualisatie ervan werd goed gedemonstreerd in de film Interstellar van Christopher Nolan, die aanleiding gaf tot veel vragen: "hoe kan een zwart gat gloeien?"

Tot op heden hebben wetenschappers al duizenden quasars in de sterrenhemel gevonden. Deze vreemde, ongelooflijk heldere objecten worden bakens van het heelal genoemd. Ze stellen ons in staat de structuur van de kosmos een beetje beter voor te stellen en dichter bij het moment te komen waarop het allemaal begon.

Hoewel astrofysici al jarenlang indirect bewijs ontvingen voor het bestaan ​​van superzware onzichtbare objecten in het heelal, bestond de term ‘zwart gat’ pas in 1967. Om complexe namen te vermijden, stelde de Amerikaanse natuurkundige John Archibald Wheeler voor om dergelijke objecten ‘zwarte gaten’ te noemen. Waarom niet? Tot op zekere hoogte zijn ze zwart, omdat we ze niet kunnen zien. Bovendien trekken ze alles aan, je kunt er in vallen, net als in een echt gat. En volgens de moderne wetten van de natuurkunde is het simpelweg onmogelijk om uit zo'n plek te komen. Stephen Hawking beweert echter dat als je door een zwart gat reist, je naar een ander universum kunt gaan, een andere wereld, en dit is hoop.

Angst voor de oneindigheid

Door het buitensporige mysterie en de romantisering van zwarte gaten zijn deze objecten een echt horrorverhaal onder de mensen geworden. De roddelpers speculeert graag over het analfabetisme van de bevolking, en publiceert verbazingwekkende verhalen over hoe een enorm zwart gat op weg is naar onze aarde, dat binnen enkele uren het zonnestelsel zal verslinden, of simpelweg golven van giftig gas naar onze planeet zal uitstoten. .

Vooral het onderwerp van het vernietigen van de planeet met behulp van de Large Hadron Collider, die in 2006 in Europa werd gebouwd op het grondgebied van de Europese Raad voor Nucleair Onderzoek (CERN), is populair. De golf van paniek begon als een stomme grap van iemand, maar groeide uit tot een sneeuwbal. Iemand bracht het gerucht op gang dat zich in de deeltjesversneller van de botsing een zwart gat zou kunnen vormen, dat onze planeet volledig zou opslokken. Natuurlijk begonnen de verontwaardigde mensen een verbod op experimenten bij de LHC te eisen, uit angst voor deze uitkomst van de gebeurtenissen. Het Europese Hof begon rechtszaken te ontvangen waarin werd geëist dat de botsing zou worden gesloten en dat de wetenschappers die het hadden gecreëerd, in de ruimste zin van de wet zouden worden gestraft.

In feite ontkennen natuurkundigen niet dat wanneer deeltjes botsen in de Large Hadron Collider, objecten kunnen ontstaan ​​die qua eigenschappen vergelijkbaar zijn met zwarte gaten, maar hun grootte ligt op het niveau van de grootte van elementaire deeltjes, en dergelijke ‘gaten’ bestaan korte tijd dat we het voorkomen ervan niet eens kunnen registreren.

Een van de belangrijkste experts die de golf van onwetendheid bij de mensen probeert te verdrijven, is Stephen Hawking, een beroemde theoretisch natuurkundige die bovendien wordt beschouwd als een echte ‘goeroe’ op het gebied van zwarte gaten. Hawking bewees dat zwarte gaten niet altijd het licht absorberen dat in de accretieschijven verschijnt, en dat een deel ervan in de ruimte wordt verstrooid. Dit fenomeen werd Hawking-straling of verdamping van zwarte gaten genoemd. Hawking legde ook een verband vast tussen de grootte van een zwart gat en de snelheid van zijn ‘verdamping’: hoe kleiner het is, hoe korter het duurt. Dit betekent dat alle tegenstanders van de Large Hadron Collider zich geen zorgen hoeven te maken: zwarte gaten erin zullen zelfs geen miljoenste van een seconde kunnen overleven.

Theorie niet bewezen in de praktijk

Helaas staat de menselijke technologie ons in dit ontwikkelingsstadium niet toe de meeste theorieën te testen die door astrofysici en andere wetenschappers zijn ontwikkeld. Enerzijds is het bestaan ​​van zwarte gaten behoorlijk overtuigend op papier bewezen en afgeleid met behulp van formules waarin alles bij elke variabele past. Aan de andere kant hebben we in de praktijk nog niet een echt zwart gat met eigen ogen kunnen zien.

Ondanks alle meningsverschillen suggereren natuurkundigen dat zich in het centrum van elk sterrenstelsel een superzwaar zwart gat bevindt, dat door zijn zwaartekracht sterren tot clusters verzamelt en hen dwingt om in een groot en vriendelijk gezelschap door het heelal te reizen. In ons Melkwegstelsel zijn er volgens verschillende schattingen 200 tot 400 miljard sterren. Al deze sterren draaien rond iets dat een enorme massa heeft, iets dat we niet kunnen zien met een telescoop. Het is zeer waarschijnlijk een zwart gat. Moeten we bang voor haar zijn? – Nee, in ieder geval niet in de komende paar miljard jaar, maar we kunnen er nog een interessante film over maken.