Čierne diery: príbeh o objavení najzáhadnejších objektov vo vesmíre, ktoré nikdy neuvidíme. Čo je čierna diera vo vesmíre
Tajomné a nepolapiteľné čierne diery. Fyzikálne zákony potvrdzujú možnosť ich existencie vo vesmíre, no stále zostáva veľa otáznikov. Početné pozorovania ukazujú, že vo vesmíre existujú diery a existuje viac ako milión týchto objektov.
Čo sú čierne diery?
Ešte v roku 1915, pri riešení Einsteinových rovníc, bol predpovedaný jav ako „čierne diery“. Vedecká obec sa však o ne začala zaujímať až v roku 1967. Potom sa nazývali „zrútené hviezdy“, „zamrznuté hviezdy“.
Čierna diera sa teraz nazýva oblasť času a priestoru, ktorá má takú gravitáciu, že sa z nej nedostane ani lúč svetla.
Ako vznikajú čierne diery?
Existuje niekoľko teórií vzhľadu čiernych dier, ktoré sa delia na hypotetické a realistické. Najjednoduchšou a najrozšírenejšou realistickou teóriou je teória gravitačného kolapsu veľkých hviezd.
Keď dostatočne hmotná hviezda pred „smrťou“ zväčší svoju veľkosť a stane sa nestabilnou, spotrebuje posledné palivo. Hmotnosť hviezdy zároveň zostáva nezmenená, ale jej veľkosť sa zmenšuje, keď dochádza k takzvanému zhutneniu. Inými slovami, pri zhutňovaní do seba „spadne“ ťažké jadro. Paralelne s tým zhutnenie vedie k prudkému zvýšeniu teploty vo vnútri hviezdy a odtrhávajú sa vonkajšie vrstvy nebeského telesa, vytvárajú sa z nich nové hviezdy. Zároveň v strede hviezdy - jadro spadá do svojho vlastného "stredu". V dôsledku pôsobenia gravitačných síl sa stred zrúti do bodu – teda gravitačné sily sú také silné, že pohltia zhutnené jadro. Takto sa rodí čierna diera, ktorá začne deformovať priestor a čas, takže z nej nemôže uniknúť ani svetlo.
V centrách všetkých galaxií je supermasívna čierna diera. Podľa Einsteinovej teórie relativity:
"Akákoľvek hmotnosť deformuje priestor a čas."
Teraz si predstavte, ako veľmi čierna diera skresľuje čas a priestor, pretože jej hmotnosť je obrovská a zároveň vtesnaná do ultra malého objemu. Kvôli tejto schopnosti dochádza k nasledujúcej zvláštnosti:
„Čierne diery majú schopnosť prakticky zastaviť čas a stlačiť priestor. Kvôli tomuto silnému skresleniu sa diery stávajú pre nás neviditeľnými.“
Ak čierne diery nie sú viditeľné, ako vieme, že existujú?
Áno, aj keď je čierna diera neviditeľná, mala by byť viditeľná vďaka hmote, ktorá do nej spadá. Rovnako ako hviezdny plyn, ktorý priťahuje čierna diera, pri priblížení sa k horizontu udalostí začne teplota plynu stúpať na ultravysoké hodnoty, čo vedie k žiare. To je dôvod, prečo čierne diery žiaria. Vďaka tejto, aj keď slabej žiare, astronómovia a astrofyzici vysvetľujú prítomnosť objektu s malým objemom, ale obrovskou hmotnosťou v strede galaxie. V súčasnosti bolo na základe pozorovaní objavených asi 1000 objektov, ktoré sa správajú podobne ako čierne diery.
Čierne diery a galaxie
Ako môžu čierne diery ovplyvniť galaxie? Táto otázka trápi vedcov na celom svete. Existuje hypotéza, podľa ktorej sú to čierne diery nachádzajúce sa v strede galaxie, ktoré ovplyvňujú jej tvar a vývoj. A že keď sa zrazia dve galaxie, čierne diery sa spoja a počas tohto procesu sa vyvrhne také obrovské množstvo energie a hmoty, že vznikajú nové hviezdy.
Typy čiernych dier
- Podľa existujúcej teórie existujú tri typy čiernych dier: hviezdne, supermasívne, miniatúrne. A každý z nich bol vytvorený zvláštnym spôsobom.
- - Čierne diery hviezdnej hmotnosti, narastá do obrovských rozmerov a zrúti sa.
- Supermasívne čierne diery, ktoré môžu mať hmotnosť ekvivalentnú miliónom sĺnk, s veľkou pravdepodobnosťou existujú v centrách takmer všetkých galaxií, vrátane našej vlastnej Mliečnej dráhy. Vedci majú stále rôzne hypotézy o vzniku supermasívnych čiernych dier. Zatiaľ je známe len jedno – supermasívne čierne diery sú vedľajším produktom vzniku galaxií. Supermasívne čierne diery – od bežných sa líšia tým, že majú veľmi veľkú veľkosť, no paradoxne nízku hustotu. - - Nikomu sa zatiaľ nepodarilo odhaliť miniatúrnu čiernu dieru, ktorá by mala hmotnosť menšiu ako Slnko. Je možné, že miniatúrne diery mohli vzniknúť krátko po „veľkom tresku“, čo je počiatočná presná existencia nášho vesmíru (asi pred 13,7 miliardami rokov).
- - Nedávno bol predstavený nový koncept ako „biele čierne diery“. Toto je stále hypotetická čierna diera, ktorá je opakom čiernej diery. Stephen Hawking aktívne študoval možnosť existencie bielych dier.
- - Kvantové čierne diery - existujú zatiaľ len teoreticky. Kvantové čierne diery môžu vzniknúť pri zrážke ultra malých častíc v dôsledku jadrovej reakcie.
- - Prapôvodné čierne diery sú tiež teóriou. Vznikli hneď po výskyte.
V súčasnosti existuje veľké množstvo otvorených otázok, na ktoré budú musieť budúce generácie ešte odpovedať. Napríklad, môžu skutočne existovať takzvané „červí diery“, pomocou ktorých môžete cestovať priestorom a časom. Čo presne sa deje vo vnútri čiernej diery a aké zákony tieto javy dodržiavajú. A čo zmiznutie informácií v čiernej diere?
Pre vedcov minulých storočí aj pre výskumníkov našej doby je najväčšou záhadou vesmíru čierna diera. Čo je vo vnútri tohto pre fyziku úplne neznámeho systému? Aké zákony tam platia? Ako plynie čas v čiernej diere a prečo z nej nemôžu uniknúť ani svetelné kvantá? Teraz sa, samozrejme, pokúsime z hľadiska teórie a nie praxe pochopiť, čo je vo vnútri čiernej diery, prečo v zásade vznikla a existuje, ako priťahuje objekty, ktoré ju obklopujú.
Najprv popíšme tento objekt.
Takže určitá oblasť priestoru vo vesmíre sa nazýva čierna diera. Nie je možné ho vyčleniť ako samostatnú hviezdu alebo planétu, pretože nejde ani o pevné ani plynné teleso. Bez základného pochopenia toho, čo je časopriestor a ako sa tieto dimenzie môžu meniť, nie je možné pochopiť, čo je vo vnútri čiernej diery. Faktom je, že toto územie nie je len priestorovou jednotkou. čo skresľuje ako nám známe tri rozmery (dĺžka, šírka a výška), tak aj časovú os. Vedci sú si istí, že v oblasti horizontu (takzvaná oblasť obklopujúca dieru) nadobúda čas priestorový význam a môže sa pohybovať dopredu aj dozadu.
Naučte sa tajomstvá gravitácie
Ak chceme pochopiť, čo je vo vnútri čiernej diery, podrobne zvážime, čo je gravitácia. Práve tento jav je kľúčový pre pochopenie podstaty takzvaných „červích dier“, z ktorých nemôže uniknúť ani svetlo. Gravitácia je interakcia medzi všetkými telesami, ktoré majú materiálny základ. Sila takejto gravitácie závisí od molekulárneho zloženia telies, od koncentrácie atómov a tiež od ich zloženia. Čím viac častíc kolabuje v určitej oblasti priestoru, tým väčšia je gravitačná sila. Toto je neoddeliteľne spojené s teóriou veľkého tresku, keď bol náš vesmír veľký ako hrášok. Bol to stav maximálnej singularity a v dôsledku záblesku svetelných kvánt sa priestor začal rozširovať vďaka tomu, že sa častice navzájom odpudzovali. Presný opak vedci označujú ako čiernu dieru. Čo je vo vnútri takejto veci podľa TBZ? Singularita, ktorá sa rovná ukazovateľom, ktoré sú vlastné nášmu vesmíru v čase jeho zrodu.
Ako sa hmota dostane do červej diery?
Existuje názor, že človek nikdy nebude schopný pochopiť, čo sa deje vo vnútri čiernej diery. Keďže raz tam bude doslova rozdrvený gravitáciou a gravitáciou. V skutočnosti to nie je pravda. Áno, skutočne, čierna diera je oblasť singularity, kde je všetko stlačené na maximum. Toto však vôbec nie je „vesmírny vysávač“, ktorý je schopný vtiahnuť do seba všetky planéty a hviezdy. Každý hmotný objekt, ktorý sa nachádza na horizonte udalostí, bude pozorovať silné skreslenie priestoru a času (zatiaľ sú tieto jednotky oddelené). Euklidovský systém geometrie začne haprovať, inými slovami, budú sa pretínať, obrysy stereometrických útvarov prestanú byť známe. Čo sa týka času, ten sa bude postupne spomaľovať. Čím bližšie sa k diere dostanete, tým pomalšie budú hodiny oproti pozemskému času bežať, no vy si to nevšimnete. Pri náraze do „červí diery“ bude telo padať nulovou rýchlosťou, no táto jednotka sa bude rovnať nekonečnu. zakrivenie, ktoré sa rovná nekonečnu k nule, čo nakoniec zastaví čas v oblasti singularity.
Reakcia na vyžarované svetlo
Jediný objekt vo vesmíre, ktorý priťahuje svetlo, je čierna diera. Čo je v nej a v akej forme je neznáme, no veria, že ide o tmu, ktorú si nemožno predstaviť. Svetelné kvantá, ktoré sa tam dostanú, len tak nezmiznú. Ich hmotnosť je násobená hmotnosťou singularity, čím sa ešte zväčšuje a zväčšuje.Ak teda vo vnútri červej diery zapnete baterku, aby ste sa rozhliadli, nebude svietiť. Vyžarované kvantá sa budú neustále násobiť hmotnosťou diery a, zhruba povedané, svoju situáciu len zhoršíte.
Všade čierne diery
Ako sme už zistili, základom vzdelania je gravitácia, ktorej hodnota je miliónkrát väčšia ako na Zemi. Presnú predstavu o tom, čo je čierna diera, dal svetu Karl Schwarzschild, ktorý v skutočnosti objavil samotný horizont udalostí a bod, odkiaľ niet návratu, a tiež zistil, že nula v stave singularity sa rovná nekonečnu. . Podľa jeho názoru môže čierna diera vzniknúť kdekoľvek vo vesmíre. V tomto prípade musí určitý hmotný objekt guľového tvaru dosiahnuť polomer gravitácie. Napríklad hmotnosť našej planéty sa musí zmestiť do objemu jedného hrášku, aby sa stala čiernou dierou. A Slnko by malo mať so svojou hmotnosťou priemer 5 kilometrov - potom sa jeho stav stane singulárnym.
Nový horizont formovania sveta
Fyzikálne a geometrické zákony dokonale fungujú na Zemi aj vo vesmíre, kde je priestor blízko vákua. Ale na horizonte udalostí úplne strácajú svoj význam. To je dôvod, prečo je z matematického hľadiska nemožné vypočítať, čo je vo vnútri čiernej diery. Obrázky, ktoré môžete vymyslieť, ak ohýbate priestor v súlade s našimi predstavami o svete, sú určite ďaleko od pravdy. Zistilo sa len, že čas sa tu mení na priestorový celok a s najväčšou pravdepodobnosťou sa k existujúcim dimenziám pridávajú ďalšie. To umožňuje veriť, že vo vnútri čiernej diery sa vytvárajú úplne odlišné svety (fotka, ako viete, sa to neukáže, pretože tam sa požiera svetlo). Tieto vesmíry môžu byť zložené z antihmoty, ktorá je v súčasnosti vedcom neznáma. Existujú aj verzie, že sféra bez návratu je len portál, ktorý vedie buď do iného sveta, alebo do iných bodov v našom Vesmíre.
Narodenie a smrť
Oveľa viac ako existencia čiernej diery je jej zrod alebo zánik. Guľa, ktorá deformuje časopriestor, ako sme už zistili, vzniká v dôsledku kolapsu. Môže ísť o výbuch veľkej hviezdy, zrážku dvoch alebo viacerých telies vo vesmíre atď. Ako sa však hmota, ktorú bolo možné teoreticky cítiť, stala oblasťou skreslenia času? Hádanka prebieha. Po nej však nasleduje druhá otázka – prečo miznú také sféry, odkiaľ niet návratu? A ak sa čierne diery vyparia, prečo z nich nevychádza to svetlo a všetka kozmická hmota, ktorú vtiahli? Keď sa hmota v zóne singularity začne rozpínať, gravitácia postupne klesá. V dôsledku toho sa čierna diera jednoducho rozpustí a na jej mieste zostane obyčajný vákuový vesmír. Z toho vyplýva ďalšia záhada – kam sa podelo všetko, čo sa do nej dostalo?
Gravitácia – náš kľúč k šťastnej budúcnosti?
Výskumníci sú presvedčení, že energetická budúcnosť ľudstva môže byť tvorená čiernou dierou. Čo je vo vnútri tohto systému, je stále neznáme, ale bolo možné zistiť, že na horizonte udalostí sa akákoľvek hmota premieňa na energiu, ale, samozrejme, čiastočne. Napríklad človek, ktorý sa ocitne blízko bodu, odkiaľ niet návratu, dá 10 percent svojej hmoty na jej spracovanie na energiu. Toto číslo je jednoducho kolosálne, medzi astronómami sa stalo senzáciou. Faktom je, že na Zemi, keď sa hmota spracuje na energiu len z 0,7 percenta.
Každý človek, ktorý sa zoznámi s astronómiou, skôr či neskôr zažije silnú zvedavosť na najzáhadnejšie objekty vo vesmíre – čierne diery. Toto sú skutoční majstri temnoty, ktorí sú schopní „pohltiť“ akýkoľvek atóm, ktorý prechádza okolo, a nenechajú uniknúť ani svetlu – ich príťažlivosť je taká silná. Tieto objekty predstavujú skutočnú výzvu pre fyzikov a astronómov. Tí prví stále nedokážu pochopiť, čo sa deje s hmotou, ktorá spadla do čiernej diery, a tí druhí, hoci vysvetľujú energeticky najnáročnejšie javy vesmíru existenciou čiernych dier, nikdy nemali možnosť pozorovať žiadnu z nich. priamo. Porozprávame sa o týchto najzaujímavejších nebeských objektoch, zistíme, čo už bolo objavené a čo zostáva vedieť, aby sme poodhalili závoj tajomstva.
Čo je čierna diera?
Názov "black hole" (v angličtine - black hole) navrhol v roku 1967 americký teoretický fyzik John Archibald Wheeler (pozri fotografiu vľavo). Slúžil na označenie nebeského telesa, ktorého príťažlivosť je taká silná, že ho nepustí ani svetlo. Preto je „čierna“, pretože nevyžaruje svetlo.
nepriame pozorovania
Toto je dôvod takejto záhady: keďže čierne diery nežiaria, nemôžeme ich priamo vidieť a sme nútení ich hľadať a študovať len pomocou nepriamych dôkazov, ktoré ich existencia zanecháva v okolitom priestore. Inými slovami, ak čierna diera pohltí hviezdu, čiernu dieru nevidíme, ale môžeme pozorovať ničivé účinky jej silného gravitačného poľa.
Laplaceova intuícia
Napriek tomu, že výraz „čierna diera“ označujúci hypotetickú konečnú fázu vývoja hviezdy, ktorá sa pod vplyvom gravitácie zrútila do seba, sa objavil pomerne nedávno, vznikla myšlienka možnosti existencie takýchto telies. pred viac ako dvoma storočiami. Angličan John Michell a Francúz Pierre-Simon de Laplace nezávisle vyslovili hypotézu o existencii „neviditeľných hviezd“; pričom vychádzali zo zaužívaných zákonov dynamiky a Newtonovho zákona univerzálnej gravitácie. Dnes už čierne diery dostali svoj správny popis na základe Einsteinovej všeobecnej teórie relativity.
Laplace vo svojom diele „Statement of the system of the world“ (1796) napísal: „Jasná hviezda s rovnakou hustotou ako Zem, s priemerom 250-krát väčším ako priemer Slnka, v dôsledku svojej gravitačnej príťažlivosti, nedovolí, aby sa k nám dostali lúče svetla. Preto je možné, že najväčšie a najjasnejšie nebeské telesá sú z tohto dôvodu neviditeľné.
Nepremožiteľná gravitácia
Laplaceova myšlienka bola založená na koncepte únikovej rýchlosti (druhá kozmická rýchlosť). Čierna diera je taký hustý objekt, že svojou príťažlivosťou dokáže zadržať aj svetlo, ktoré vyvinie najvyššiu rýchlosť v prírode (takmer 300 000 km/s). V praxi, aby ste unikli z čiernej diery, potrebujete rýchlosť vyššiu ako rýchlosť svetla, ale to je nemožné!
To znamená, že hviezda tohto druhu by bola neviditeľná, pretože ani svetlo by nedokázalo prekonať jej silnú gravitáciu. Einstein vysvetlil túto skutočnosť prostredníctvom fenoménu vychýlenia svetla pod vplyvom gravitačného poľa. V skutočnosti je v blízkosti čiernej diery časopriestor tak zakrivený, že sa dráhy svetelných lúčov tiež uzatvárajú. Aby sme Slnko premenili na čiernu dieru, budeme musieť celú jeho hmotu sústrediť do gule s polomerom 3 km a Zem sa bude musieť zmeniť na guľu s polomerom 9 mm!
Typy čiernych dier
Asi pred desiatimi rokmi pozorovania naznačili existenciu dvoch typov čiernych dier: hviezdnej, ktorej hmotnosť je porovnateľná s hmotnosťou Slnka alebo ju mierne prevyšuje, a supermasívnej, ktorej hmotnosť je od niekoľkých stoviek tisíc až po mnoho miliónov hmotnosti Slnka. Relatívne nedávno však röntgenové snímky a spektrá s vysokým rozlíšením získané z umelých satelitov, ako sú Chandra a XMM-Newton, priniesli do popredia tretí typ čiernej diery – s priemernou hmotnosťou tisíckrát prevyšujúcou hmotnosť Slnka. .
hviezdne čierne diery
Hviezdne čierne diery sa stali známymi skôr ako ostatné. Vznikajú, keď hviezde s vysokou hmotnosťou na konci svojej evolučnej cesty dôjde jadrové palivo a zrúti sa do seba v dôsledku vlastnej gravitácie. Výbuch otriasajúci hviezdou (známy ako „výbuch supernovy“) má katastrofálne následky: ak je jadro hviezdy viac ako 10-násobok hmotnosti Slnka, žiadna jadrová sila nevydrží gravitačný kolaps, ktorý bude mať za následok vznik čierna diera.
Supermasívne čierne diery
Supermasívne čierne diery, ktoré boli prvýkrát zaznamenané v jadrách niektorých aktívnych galaxií, majú odlišný pôvod. Existuje niekoľko hypotéz týkajúcich sa ich zrodu: hviezdna čierna diera, ktorá milióny rokov požiera všetky hviezdy, ktoré ju obklopujú; zlúčený zhluk čiernych dier; kolosálny oblak plynu, ktorý sa zrútil priamo do čiernej diery. Tieto čierne diery patria medzi energeticky najaktívnejšie objekty vo vesmíre. Nachádzajú sa v centrách mnohých galaxií, ak nie všetkých. Takúto čiernu dieru má aj naša Galaxia. Niekedy v dôsledku prítomnosti takejto čiernej diery sa jadrá týchto galaxií stanú veľmi jasnými. Galaxie s čiernymi dierami v strede, obklopené veľkým množstvom padajúcej hmoty, a preto schopné produkovať obrovské množstvo energie, sa nazývajú „aktívne“ a ich jadrá sa nazývajú „aktívne galaktické jadrá“ (AGN). Napríklad kvazary (od nás najvzdialenejšie vesmírne objekty dostupné pre naše pozorovanie) sú aktívne galaxie, v ktorých vidíme len veľmi jasné jadro.
Stredné a "mini"
Ďalšou záhadou zostávajú stredne ťažké čierne diery, ktoré sa podľa nedávnych štúdií môžu nachádzať v strede niektorých guľových hviezdokôp, ako napríklad M13 a NCC 6388. Mnohí astronómovia sú voči týmto objektom skeptickí, no niektoré nedávne výskumy naznačujú prítomnosť tzv. čierne diery.stredne veľké aj neďaleko od stredu našej Galaxie. Anglický fyzik Stephen Hawking tiež predložil teoretický predpoklad o existencii štvrtého typu čiernej diery – „minidiery“ s hmotnosťou len miliardy ton (čo sa približne rovná hmotnosti veľkej hory). Hovoríme o primárnych objektoch, teda o tých, ktoré sa objavili v prvých okamihoch života Vesmíru, keď bol tlak ešte veľmi vysoký. Zatiaľ však nebola objavená žiadna stopa po ich existencii.
Ako nájsť čiernu dieru
Len pred pár rokmi sa nad čiernymi dierami rozsvietilo svetlo. Vďaka neustále sa zdokonaľujúcim prístrojom a technológiám (pozemským aj vesmírnym) sú tieto objekty čoraz menej tajomné; presnejšie povedané, priestor okolo nich sa stáva menej tajomným. Keďže čierna diera samotná je neviditeľná, dokážeme ju rozpoznať iba vtedy, ak je obklopená dostatkom hmoty (hviezd a horúceho plynu), ktorá okolo nej obieha v malej vzdialenosti.
Sledovanie dvojitých systémov
Niektoré hviezdne čierne diery boli objavené pozorovaním orbitálneho pohybu hviezdy okolo neviditeľného binárneho spoločníka. Blízke binárne sústavy (teda pozostávajúce z dvoch hviezd veľmi blízko seba), v ktorých je jeden zo spoločníkov neviditeľný, sú obľúbeným objektom pozorovania astrofyzikov hľadajúcich čierne diery.
Náznakom prítomnosti čiernej diery (alebo neutrónovej hviezdy) je silná emisia röntgenového žiarenia, spôsobená zložitým mechanizmom, ktorý možno schematicky opísať nasledovne. Vďaka svojej silnej gravitácii môže čierna diera vytrhnúť hmotu zo sprievodnej hviezdy; tento plyn je distribuovaný vo forme plochého disku a padá v špirále do čiernej diery. Trenie spôsobené zrážkami častíc padajúceho plynu zahrieva vnútorné vrstvy disku na niekoľko miliónov stupňov, čo spôsobuje silné röntgenové žiarenie.
Röntgenové pozorovania
Pozorovania v röntgenových lúčoch objektov v našej Galaxii a susedných galaxiách, ktoré sa uskutočňujú už niekoľko desaťročí, umožnili odhaliť kompaktné binárne zdroje, z ktorých asi tucet sú systémy obsahujúce kandidátov na čierne diery. Hlavným problémom je určiť hmotnosť neviditeľného nebeského telesa. Hodnota hmotnosti (aj keď nie veľmi presná) sa dá zistiť štúdiom pohybu spoločníka alebo, čo je oveľa ťažšie, meraním intenzity röntgenového žiarenia dopadajúcej hmoty. Táto intenzita je spojená rovnicou s hmotnosťou telesa, na ktoré táto látka dopadá.
Kandidát na Nobelovu cenu
Niečo podobné možno povedať o supermasívnych čiernych dierach pozorovaných v jadrách mnohých galaxií, ktorých hmotnosti sa odhadujú meraním orbitálnych rýchlostí plynu dopadajúceho do čiernej diery. V tomto prípade, spôsobeným silným gravitačným poľom veľmi veľkého objektu, je pozorovaním v rádiovom dosahu, ako aj v optických lúčoch odhalený rýchly nárast rýchlosti oblakov plynu obiehajúcich v strede galaxií. Pozorovania v oblasti röntgenového žiarenia môžu potvrdiť zvýšené uvoľňovanie energie spôsobené pádom hmoty do čiernej diery. Výskum röntgenového žiarenia na začiatku 60. rokov začal Talian Riccardo Giacconi, ktorý pôsobil v USA. V roku 2002 mu bola udelená Nobelova cena ako uznanie za jeho „prelomové príspevky k astrofyzike, ktoré viedli k objavu röntgenových zdrojov vo vesmíre“.
Cygnus X-1: prvý kandidát
Naša Galaxia nie je imúnna voči prítomnosti objektov kandidátov na čierne diery. Našťastie žiadny z týchto objektov nie je tak blízko k nám, aby predstavoval nebezpečenstvo pre existenciu Zeme alebo slnečnej sústavy. Napriek veľkému počtu zaznamenaných kompaktných röntgenových zdrojov (a to sú najpravdepodobnejšie kandidáti na nájdenie čiernych dier), nie sme si istí, či skutočne obsahujú čierne diery. Jediný z týchto zdrojov, ktorý nemá alternatívnu verziu, je blízka dvojhviezda Cygnus X-1, teda najjasnejší zdroj röntgenového žiarenia v súhvezdí Labuť.
masívne hviezdy
Tento systém s obežnou dobou 5,6 dňa pozostáva z veľmi jasnej modrej hviezdy veľkej veľkosti (jej priemer je 20-krát väčší ako Slnko a jej hmotnosť je asi 30-krát), ľahko rozlíšiteľnej aj vo vašom teleskope. neviditeľná druhá hviezda, ktorej hmotnosť sa odhaduje na niekoľko hmotností Slnka (do 10). Druhá hviezda, ktorá sa nachádza vo vzdialenosti 6500 svetelných rokov od nás, by bola dokonale viditeľná, keby to bola obyčajná hviezda. Jeho neviditeľnosť, silné röntgenové lúče systému a napokon aj odhad hmotnosti vedú väčšinu astronómov k presvedčeniu, že ide o prvý potvrdený objav hviezdnej čiernej diery.
Pochybnosti
Nájdu sa však aj skeptici. Medzi nimi je aj jeden z najväčších výskumníkov čiernych dier, fyzik Stephen Hawking. Dokonca sa stavil so svojím americkým kolegom Keelom Thornom, silným zástancom klasifikácie Cygnus X-1 ako čiernej diery.
Spor o povahu objektu Cygnus X-1 nie je jedinou Hawkingovou stávkou. Po tom, čo sa niekoľko desaťročí venoval teoretickým štúdiám o čiernych dierach, presvedčil sa o klamnosti svojich predchádzajúcich predstáv o týchto záhadných objektoch. Predovšetkým Hawking predpokladal, že hmota po páde do čiernej diery navždy zmizne a spolu s ňou zmizne aj všetka jej informačná batožina. . Bol si tým taký istý, že sa na túto tému v roku 1997 stavil so svojím americkým kolegom Johnom Preskillom.
Priznanie chyby
21. júla 2004 Hawking vo svojom prejave na Kongrese relativity v Dubline priznal, že Preskill mal pravdu. Čierne diery nevedú k úplnému zmiznutiu hmoty. Navyše majú určitý druh „pamäte“. V ich vnútri môžu byť uložené stopy toho, čo absorbovali. Takže „vyparovaním“ (teda pomalým vyžarovaním žiarenia v dôsledku kvantového efektu) môžu túto informáciu vrátiť nášmu Vesmíru.
Čierne diery v galaxii
Astronómovia majú stále veľa pochybností o prítomnosti hviezdnych čiernych dier v našej Galaxii (ako tá, ktorá patrí do binárneho systému Cygnus X-1); ale o supermasívnych čiernych dierach sa pochybuje oveľa menej.
V centre
V našej Galaxii je minimálne jedna supermasívna čierna diera. Jeho zdroj, známy ako Sagittarius A*, sa nachádza presne v strede roviny Mliečnej dráhy. Jeho názov sa vysvetľuje tým, že ide o najsilnejší rádiový zdroj v súhvezdí Strelca. V tomto smere sa nachádzajú geometrické aj fyzické centrá nášho galaktického systému. Supermasívna čierna diera spojená so zdrojom rádiových vĺn, Sagittarius A*, sa nachádza vo vzdialenosti asi 26 000 svetelných rokov od nás a má hmotnosť odhadovanú na približne 4 milióny slnečných hmôt, ktorá je uzavretá v priestore, ktorého objem je porovnateľný s objem slnečnej sústavy. Jeho relatívna blízkosť k nám (táto supermasívna čierna diera je nepochybne najbližšie k Zemi) spôsobila, že objekt sa v posledných rokoch dostal pod obzvlášť hlbokú kontrolu vesmírneho observatória Chandra. Ukázalo sa najmä, že je to aj silný zdroj röntgenového žiarenia (nie však taký silný ako zdroje v aktívnych galaktických jadrách). Sagittarius A* môže byť spiacim zvyškom toho, čo bolo pred miliónmi alebo miliardami rokov aktívnym jadrom našej Galaxie.
Druhá čierna diera?
Niektorí astronómovia sa však domnievajú, že v našej Galaxii je ešte jedno prekvapenie. Hovoríme o druhej čiernej diere s priemernou hmotnosťou, ktorá drží pohromade zhluk mladých hviezd a nedovoľuje im spadnúť do supermasívnej čiernej diery nachádzajúcej sa v strede samotnej Galaxie. Ako je možné, že vo vzdialenosti menšej ako jeden svetelný rok od nej môže byť hviezdokopa s vekom, ktorý sotva dosiahol 10 miliónov rokov, teda podľa astronomických štandardov veľmi mladý? Odpoveď podľa vedcov spočíva v tom, že hviezdokopa sa tam nezrodila (prostredie okolo centrálnej čiernej diery je príliš nepriateľské pre vznik hviezd), ale bola tam „nakreslená“ existenciou druhej čiernej diery vo vnútri. to, ktorý má množstvo priemerných hodnôt.
Na obežnej dráhe
Jednotlivé hviezdy zhluku priťahované supermasívnou čiernou dierou sa začali posúvať smerom ku galaktickému stredu. Avšak namiesto toho, aby boli rozptýlené do vesmíru, zostávajú spolu kvôli príťažlivosti druhej čiernej diery umiestnenej v strede zhluku. Hmotnosť tejto čiernej diery sa dá odhadnúť podľa jej schopnosti udržať celú hviezdokopu „na reťazi“. Zdá sa, že stredne veľká čierna diera sa otočí okolo centrálnej čiernej diery asi za 100 rokov. To znamená, že dlhodobé pozorovania počas mnohých rokov nám umožnia „vidieť“.
Aby sa vytvorila čierna diera, je potrebné stlačiť teleso na určitú kritickú hustotu, aby sa polomer stlačeného telesa rovnal jeho gravitačnému polomeru. Hodnota tejto kritickej hustoty je nepriamo úmerná druhej mocnine hmotnosti čiernej diery.
Pre typickú čiernu dieru s hviezdnou hmotnosťou ( M=10M Slnko) gravitačný polomer je 30 km a kritická hustota je 2,10 14 g/cm 3 , teda dvesto miliónov ton na centimeter kubický. Táto hustota je veľmi vysoká v porovnaní s priemernou hustotou Zeme (5,5 g/cm3), rovná sa hustote látky atómového jadra.
Pre čiernu dieru v jadre galaxie ( M=10 10 M Slnko) gravitačný polomer je 3 10 15 cm = 200 AU, čo je päťnásobok vzdialenosti od Slnka po Pluto (1 astronomická jednotka - priemerná vzdialenosť od Zeme k Slnku - sa rovná 150 miliónom km alebo 1,5 10 13 cm). Kritická hustota sa v tomto prípade rovná 0,2·10-3 g/cm3, čo je niekoľkonásobne menej ako hustota vzduchu, ktorá sa rovná 1,3-10-3 g/cm3 (!).
Pre Zem ( M= 3 10 –6 M slnko) je gravitačný polomer blízky 9 mm a zodpovedajúca kritická hustota je obludne vysoká: ρ cr = 2·10 27 g/cm 3 , čo je o 13 rádov viac ako hustota atómového jadra.
Ak vezmeme nejaký pomyselný guľový lis a stlačíme Zem, pričom si zachováme jej hmotnosť, potom keď štvornásobne zmenšíme polomer Zeme (6370 km), jej druhá úniková rýchlosť sa zdvojnásobí a bude sa rovnať 22,4 km/s. Ak stlačíme Zem tak, že jej polomer bude približne 9 mm, potom druhá kozmická rýchlosť nadobudne hodnotu rovnajúcu sa rýchlosti svetla c= 300 000 km/s.
Ďalej nebude potrebný lis - Zem stlačená do takýchto rozmerov sa už sama zmrští. Nakoniec na mieste Zeme vznikne čierna diera, ktorej polomer horizontu udalostí sa bude blížiť k 9 mm (ak zanedbáme rotáciu vzniknutej čiernej diery). V reálnych podmienkach samozrejme žiadny supervýkonný lis neexistuje – gravitácia „funguje“. To je dôvod, prečo sa čierne diery môžu tvoriť len vtedy, keď sa zrútia vnútro veľmi hmotných hviezd, v ktorých je gravitácia dostatočne silná na to, aby stlačila hmotu na kritickú hustotu.
Evolúcia hviezd
Čierne diery vznikajú v záverečných fázach vývoja masívnych hviezd. V hĺbkach obyčajných hviezd prebiehajú termonukleárne reakcie, uvoľňuje sa obrovská energia a udržiava sa vysoká teplota (desiatky a stovky miliónov stupňov). Gravitačné sily majú tendenciu hviezdu stláčať a tlakové sily horúceho plynu a žiarenia bránia tejto kompresii. Preto je hviezda v hydrostatickej rovnováhe.
Okrem toho môže byť hviezda v tepelnej rovnováhe, keď sa energia uvoľnená v dôsledku termonukleárnych reakcií v jej strede presne rovná výkonu, ktorý hviezda vyžaruje z povrchu. Keď sa hviezda zmršťuje a rozširuje, tepelná rovnováha je narušená. Ak je hviezda nehybná, potom sa jej rovnováha nastaví tak, že negatívna potenciálna energia hviezdy (energia gravitačnej kontrakcie) je vždy dvojnásobkom tepelnej energie v absolútnej hodnote. Z tohto dôvodu má hviezda úžasnú vlastnosť - negatívnu tepelnú kapacitu. Obyčajné telesá majú pozitívnu tepelnú kapacitu: zahriaty kus železa, ktorý sa ochladzuje, teda stráca energiu, znižuje jeho teplotu. U hviezdy je to naopak: čím viac energie stratí vo forme žiarenia, tým vyššia bude teplota v jej strede.
Táto na prvý pohľad zvláštna vlastnosť má jednoduché vysvetlenie: hviezda, ktorá vyžaruje, sa pomaly zmenšuje. Pri stlačení sa potenciálna energia premieňa na kinetickú energiu padajúcich vrstiev hviezdy a jej vnútro sa zahrieva. Navyše tepelná energia získaná hviezdou v dôsledku kompresie je dvakrát vyššia ako energia, ktorá sa stráca vo forme žiarenia. V dôsledku toho teplota vo vnútri hviezdy stúpa a prebieha nepretržitá termonukleárna syntéza chemických prvkov. Napríklad reakcia premeny vodíka na hélium v súčasnom Slnku prebieha pri teplote 15 miliónov stupňov. Keď sa po 4 miliardách rokov všetok vodík v strede Slnka premení na hélium, ďalšia syntéza atómov uhlíka z atómov hélia bude vyžadovať oveľa vyššiu teplotu, asi 100 miliónov stupňov (elektrický náboj jadier hélia je dvakrát vyšší ako vo vodíku). jadrá, a aby sa jadrá priblížili k sebe, hélium na vzdialenosť 10–13 cm vyžaduje oveľa vyššiu teplotu). Práve túto teplotu zabezpečí negatívna tepelná kapacita Slnka pri vznietení termonukleárnej reakcie premeny hélia na uhlík v jeho hĺbke.
bielych trpaslíkov
Ak je hmotnosť hviezdy malá, takže hmotnosť jej jadra ovplyvneného termonukleárnymi premenami je menšia ako 1,4 M Slnko, termonukleárna fúzia chemických prvkov sa môže zastaviť v dôsledku takzvanej degenerácie elektrónového plynu v jadre hviezdy. Najmä tlak degenerovaného plynu závisí od hustoty, ale nezávisí od teploty, pretože energia kvantových pohybov elektrónov je oveľa väčšia ako energia ich tepelného pohybu.
Vysoký tlak degenerovaného elektrónového plynu účinne pôsobí proti silám gravitačnej kontrakcie. Keďže tlak nezávisí od teploty, strata energie hviezdy vo forme žiarenia nevedie ku kompresii jej jadra. Preto sa gravitačná energia neuvoľňuje ako dodatočné teplo. Preto sa teplota vo vyvíjajúcom sa degenerovanom jadre nezvyšuje, čo vedie k prerušeniu reťazca termonukleárnych reakcií.
Vonkajší vodíkový obal, ktorý nie je ovplyvnený termonukleárnymi reakciami, sa oddeľuje od jadra hviezdy a vytvára planetárnu hmlovinu, žiariacu v emisných čiarach vodíka, hélia a ďalších prvkov. Centrálnym kompaktným a relatívne horúcim jadrom vyvinutej hviezdy malej hmotnosti je biely trpaslík - objekt s polomerom rádovo polomeru Zeme (~ 10 4 km), s hmotnosťou menšou ako 1,4. M slnko a priemerná hustota rádovo tona na centimeter kubický. Bieli trpaslíci sú pozorovaní vo veľkom počte. Ich celkový počet v Galaxii dosahuje 10 10, teda asi 10 % z celkovej hmotnosti pozorovanej hmoty v Galaxii.
Termonukleárne spaľovanie v degenerovanom bielom trpaslíkovi môže byť nestabilné a viesť k jadrovému výbuchu pomerne masívneho bieleho trpaslíka s hmotnosťou blízkou takzvanému Chandrasekharovmu limitu (1,4 M slnko). Takéto výbuchy vyzerajú ako výbuchy supernov typu I, ktoré nemajú v spektre žiadne vodíkové čiary, ale iba čiary hélia, uhlíka, kyslíka a iných ťažkých prvkov.
neutrónové hviezdy
Ak je jadro hviezdy degenerované, potom keď sa jej hmotnosť blíži k hranici 1,4 M slnko obvyklú degeneráciu elektrónového plynu v jadre nahrádza takzvaná relativistická degenerácia.
Kvantové pohyby degenerovaných elektrónov sú také rýchle, že ich rýchlosť sa blíži rýchlosti svetla. V tomto prípade klesá elasticita plynu, znižuje sa jeho schopnosť odolávať silám gravitácie a hviezda zažíva gravitačný kolaps. Počas kolapsu sú elektróny zachytené protónmi a hmota je neutronizovaná. To vedie k vytvoreniu neutrónovej hviezdy z masívneho degenerovaného jadra.
Ak počiatočná hmotnosť jadra hviezdy presiahne 1,4 M slnko , potom sa v jadre dosiahne vysoká teplota a počas jeho vývoja nedochádza k degenerácii elektrónov. V tomto prípade funguje negatívna tepelná kapacita: ako hviezda stráca energiu vo forme žiarenia, teplota v jej vnútri stúpa a prebieha nepretržitý reťazec termonukleárnych reakcií, ktoré premieňajú vodík na hélium, hélium na uhlík, uhlík na kyslík, a tak ďalej, až po prvky skupiny železa. Reakcia termonukleárnej fúzie jadier prvkov ťažších ako železo už nie je s uvoľňovaním, ale s absorpciou energie. Ak teda hmotnosť jadra hviezdy, pozostávajúceho hlavne z prvkov skupiny železa, prekročí Chandrasekharovu hranicu 1,4 M slnko , ale menej ako takzvaný Oppenheimer-Volkov limit ~3 M slnko, potom na konci jadrovej evolúcie hviezdy dôjde ku gravitačnému kolapsu jadra, v dôsledku čoho dôjde k odhodeniu vonkajšieho vodíkového obalu hviezdy, čo je pozorované ako výbuch supernovy II. spektra, z ktorých sú pozorované silné vodíkové čiary.
Kolaps železného jadra vedie k vytvoreniu neutrónovej hviezdy.
Keď sa masívne jadro hviezdy, ktorá sa dostala do neskorého štádia vývoja, stlačí, teplota stúpne na gigantické hodnoty rádovo miliardy stupňov, keď sa jadrá atómov začnú rozpadať na neutróny a protóny. Protóny absorbujú elektróny, menia sa na neutróny a emitujú neutrína. Neutróny sa podľa Pauliho kvantového mechanického princípu pri silnom stlačení začnú navzájom účinne odpudzovať.
Keď je hmotnosť kolabujúceho jadra menšia ako 3 M Slnko, rýchlosti neutrónov sú oveľa menšie ako rýchlosť svetla a elasticita hmoty vďaka účinnému odpudzovaniu neutrónov môže vyrovnávať gravitačné sily a viesť k vytvoreniu stabilnej neutrónovej hviezdy.
Prvýkrát možnosť existencie neutrónových hviezd predpovedal v roku 1932 vynikajúci sovietsky fyzik Landau hneď po objavení neutrónu v laboratórnych experimentoch. Polomer neutrónovej hviezdy sa blíži k 10 km, jej priemerná hustota je stovky miliónov ton na centimeter kubický.
Keď je hmotnosť kolabujúceho jadra hviezdy väčšia ako 3 M Slnko, potom podľa existujúcich predstáv výsledná neutrónová hviezda, ochladzujúca sa, skolabuje do čiernej diery. Kolaps neutrónovej hviezdy do čiernej diery je tiež uľahčený spätným pádom časti obalu hviezdy odhodenej počas výbuchu supernovy.
Neutrónová hviezda má tendenciu rýchlo rotovať, pretože normálna hviezda, ktorá ju zrodila, môže mať významný moment hybnosti. Keď sa jadro hviezdy zrúti na neutrónovú hviezdu, charakteristické rozmery hviezdy sa zmenšia R= 10 5 – 10 6 km do R≈ 10 km. S klesajúcou veľkosťou hviezdy sa zmenšuje jej moment zotrvačnosti. Na udržanie momentu hybnosti sa musí rýchlosť axiálnej rotácie prudko zvýšiť. Napríklad, ak sa Slnko, ktoré rotuje s periódou asi mesiaca, stlačí na veľkosť neutrónovej hviezdy, potom sa perióda rotácie skráti na 10 -3 sekúnd.
Jednotlivé neutrónové hviezdy so silným magnetickým poľom sa prejavujú ako rádiové pulzary – zdroje striktne periodických rádiových emisných impulzov, ktoré vznikajú, keď sa energia rýchlej rotácie neutrónovej hviezdy premení na riadenú rádiovú emisiu. V binárnych systémoch vykazujú pribúdajúce neutrónové hviezdy fenomén röntgenového pulzaru a röntgenového bursteru typu 1.
Od čiernej diery nemožno očakávať striktne periodické pulzácie žiarenia, pretože čierna diera nemá žiadny pozorovateľný povrch a žiadne magnetické pole. Ako sa fyzici často vyjadrujú, čierne diery nemajú „vlasy“ – všetky polia a všetky nehomogenity v blízkosti horizontu udalostí sú pri vzniku čiernej diery vyžarované z kolabujúcej hmoty vo forme prúdu gravitačných vĺn. Výsledkom je, že vytvorená čierna diera má iba tri charakteristiky: hmotnosť, moment hybnosti a elektrický náboj. Všetky jednotlivé vlastnosti kolabujúcej hmoty počas formovania čiernej diery sú zabudnuté: napríklad čierne diery vytvorené zo železa a z vody majú rovnaké vlastnosti, pričom ostatné veci sú rovnaké.
Ako predpovedá Všeobecná relativita (GR), hviezdy, ktorých hmotnosť železného jadra na konci ich vývoja presahuje 3 M slnko, zažijete neobmedzenú kompresiu (relativistický kolaps) s vytvorením čiernej diery. Vysvetľuje to skutočnosť, že vo všeobecnej teórii relativity sú gravitačné sily, ktoré majú tendenciu stláčať hviezdu, určené hustotou energie a pri obrovských hustotách hmoty dosiahnutých stláčaním tak masívneho jadra hviezdy sa hlavný príspevok k hustote energie nevytvára. pokojovou energiou častíc, ale energiou ich pohybu a interakcie . Ukazuje sa, že vo všeobecnej teórii relativity sa zdá, že tlak hmoty pri veľmi vysokých hustotách sám seba „váži“: čím väčší je tlak, tým väčšia je hustota energie a následne tým väčšie sú gravitačné sily, ktoré majú tendenciu hmotu stláčať. Navyše, pod silnými gravitačnými poľami nadobúdajú zásadný význam efekty časopriestorového zakrivenia, ktoré tiež prispievajú k neobmedzenému stláčaniu jadra hviezdy a jeho premene na čiernu dieru (obr. 3).
Na záver poznamenávame, že čierne diery, ktoré vznikli v našej dobe (napríklad čierna diera v systéme Cygnus X-1), prísne vzaté, nie sú stopercentne čiernymi dierami, pretože v dôsledku relativistického spomalenia času pre vzdialeného pozorovateľa, ich horizonty udalostí sa ešte nevytvorili. Povrchy takýchto kolabujúcich hviezd vyzerajú pre pozemského pozorovateľa ako zamrznuté a približujú sa k horizontom udalostí na nekonečne dlhý čas.
Aby z takýchto kolabujúcich objektov konečne vznikli čierne diery, musíme počkať celý nekonečne dlhý čas existencie nášho Vesmíru. Treba však zdôrazniť, že už v prvých sekundách relativistického kolapsu sa povrch kolabujúcej hviezdy pre pozorovateľa zo Zeme priblíži veľmi blízko k horizontu udalostí a všetky procesy na tomto povrchu sa nekonečne spomaľujú.
« Sci-fi môže byť užitočné – podnecuje predstavivosť a zbavuje strachu z budúcnosti. Vedecké fakty však môžu byť oveľa pozoruhodnejšie. Sci-fi si ani nepredstavovala veci ako čierne diery.»
Stephen Hawking
V hlbinách vesmíru pre človeka leží nespočetné množstvo záhad a záhad. Jednou z nich sú čierne diery – objekty, ktorým ani ten najväčší rozum ľudstva nedokáže porozumieť. Stovky astrofyzikov sa snažia objaviť podstatu čiernych dier, no v tejto fáze sme ich existenciu ani v praxi nepreukázali.
Filmoví režiséri im venujú svoje filmy a medzi obyčajnými ľuďmi sa čierne diery stali takým kultovým fenoménom, že sa stotožňujú s koncom sveta a blízkou smrťou. Sú obávaní a nenávidení, no zároveň sú zbožňovaní a skláňajú sa pred neznámom, ktorým sú tieto podivné fragmenty vesmíru plné. Súhlasíte, nechať sa pohltiť čiernou dierou je taká romantika. S ich pomocou je to možné a môžu sa nám stať aj sprievodcami v.
Žltá tlač často špekuluje o popularite čiernych dier. Nájsť v novinách titulky súvisiace s koncom sveta na planéte v dôsledku ďalšej kolízie so supermasívnou čiernou dierou nie je problém. Oveľa horšie je, že negramotná časť populácie berie všetko vážne a vyvoláva poriadnu paniku. Aby sme vniesli trochu jasnosti, vydáme sa na cestu k počiatkom objavu čiernych dier a pokúsime sa pochopiť, čo to je a ako sa k tomu postaviť.
neviditeľné hviezdy
Tak sa stalo, že moderní fyzici opísali štruktúru nášho vesmíru pomocou teórie relativity, ktorú Einstein starostlivo poskytol ľudstvu na začiatku 20. storočia. O to záhadnejšie sú čierne diery, na horizonte udalostí, ktorých prestávajú fungovať všetky nám známe fyzikálne zákony, vrátane Einsteinovej teórie. Nie je to úžasné? Navyše, dohady o existencii čiernych dier boli vyslovené dávno pred narodením samotného Einsteina.
V roku 1783 došlo v Anglicku k výraznému nárastu vedeckej činnosti. V tých časoch išla veda bok po boku s náboženstvom, dobre spolu vychádzali a vedci už neboli považovaní za kacírov. Okrem toho sa kňazi venovali vedeckému výskumu. Jedným z týchto Božích služobníkov bol anglický pastor John Michell, ktorý si kládol nielen otázky života, ale aj celkom vedecké úlohy. Michell bol uznávaným vedcom: spočiatku bol učiteľom matematiky a starovekej lingvistiky na jednej z vysokých škôl a potom bol prijatý do Kráľovskej spoločnosti v Londýne kvôli mnohým objavom.
John Michell sa zaoberal seizmológiou, no vo voľnom čase rád premýšľal o večnom a kozme. Takto prišiel na myšlienku, že niekde v hlbinách Vesmíru môžu existovať superhmotné telesá s takou mohutnou gravitáciou, že na prekonanie gravitačnej sily takéhoto telesa je potrebné pohybovať sa rýchlosťou rovnajúcou sa resp. vyššia ako rýchlosť svetla. Ak takúto teóriu prijmeme za pravdivú, potom ani svetlo nebude schopné vyvinúť druhú kozmickú rýchlosť (rýchlosť nevyhnutnú na prekonanie gravitačnej príťažlivosti opúšťajúceho telesa), takže takéto teleso zostane voľným okom neviditeľné.
Michell nazval svoju novú teóriu „temné hviezdy“ a zároveň sa pokúsil vypočítať hmotnosť takýchto objektov. Svoje myšlienky o tejto záležitosti vyjadril v otvorenom liste Kráľovskej spoločnosti v Londýne. Žiaľ, v tých časoch takýto výskum nemal pre vedu mimoriadnu hodnotu, a tak bol Michellov list odoslaný do archívu. Len o dvesto rokov neskôr, v druhej polovici 20. storočia, sa našla medzi tisíckami iných záznamov starostlivo uložených v starobylej knižnici.
Prvý vedecký dôkaz o existencii čiernych dier
Po vydaní Einsteinovej Všeobecnej teórie relativity sa matematici a fyzici vážne pustili do riešenia rovníc prezentovaných nemeckým vedcom, ktoré nám mali veľa povedať o štruktúre vesmíru. Nemecký astronóm, fyzik Karl Schwarzschild sa v roku 1916 rozhodol urobiť to isté.
Vedec pomocou svojich výpočtov dospel k záveru, že existencia čiernych dier je možná. Bol tiež prvým, kto opísal to, čo sa neskôr nazývalo romantickou frázou „horizont udalostí“ – pomyselná hranica časopriestoru pri čiernej diere, po prekročení ktorej prichádza bod, odkiaľ niet návratu. Nič neunikne z horizontu udalostí, dokonca ani svetlo. Až za horizontom udalostí dochádza k takzvanej „singularite“, kde nám známe fyzikálne zákony prestávajú fungovať.
Schwarzschild, ktorý pokračoval vo vývoji svojej teórie a riešení rovníc, objavil pre seba a svet nové tajomstvá čiernych dier. Takže bol schopný vypočítať, iba na papieri, vzdialenosť od stredu čiernej diery, kde je sústredená jej hmotnosť, k horizontu udalostí. Schwarzschild túto vzdialenosť nazval gravitačný polomer.
Napriek tomu, že matematicky Schwarzschildove riešenia boli výnimočne správne a nedali sa vyvrátiť, vedecká komunita na začiatku 20. storočia nemohla okamžite prijať takýto šokujúci objav a existencia čiernych dier bola odpísaná ako fantázia, ktorá sa tu a tam sa prejavil v teórii relativity. Ďalších pätnásť rokov bolo štúdium priestoru na prítomnosť čiernych dier pomalé a zaoberalo sa ním len niekoľko prívržencov teórie nemeckého fyzika.
Hviezdy, ktoré rodia temnotu
Po rozobratí Einsteinových rovníc nastal čas použiť vyvodené závery na pochopenie štruktúry vesmíru. Najmä v teórii vývoja hviezd. Nie je žiadnym tajomstvom, že nič v našom svete netrvá večne. Aj hviezdy majú svoj vlastný cyklus života, aj keď dlhší ako človek.
Jedným z prvých vedcov, ktorí sa začali vážne zaujímať o hviezdny vývoj, bol mladý astrofyzik Subramanyan Chandrasekhar, rodák z Indie. V roku 1930 publikoval vedeckú prácu, ktorá opísala údajnú vnútornú štruktúru hviezd, ako aj ich životné cykly.
Už na začiatku 20. storočia vedci hádali o takom jave, ako je gravitačná kontrakcia (gravitačný kolaps). V určitom bode svojho života sa hviezda pod vplyvom gravitačných síl začne sťahovať obrovskou rýchlosťou. Spravidla sa to deje v okamihu smrti hviezdy, avšak pri gravitačnom kolapse existuje niekoľko spôsobov ďalšej existencie rozžeravenej gule.
Chandrasekharov nadriadený Ralph Fowler, svojho času uznávaný teoretický fyzik, navrhol, že počas gravitačného kolapsu sa každá hviezda zmení na menšiu a teplejšiu – bieleho trpaslíka. No ukázalo sa, že študent „prelomil“ učiteľskú teóriu, ktorú začiatkom minulého storočia zdieľala väčšina fyzikov. Podľa práce mladého hinduistu smrť hviezdy závisí od jej počiatočnej hmotnosti. Napríklad bielymi trpaslíkmi sa môžu stať len tie hviezdy, ktorých hmotnosť nepresahuje 1,44-násobok hmotnosti Slnka. Toto číslo sa nazýva Chandrasekharov limit. Ak hmotnosť hviezdy prekročila túto hranicu, potom zahynie úplne iným spôsobom. Za určitých podmienok sa takáto hviezda v čase smrti môže znovuzrodiť na novú, neutrónovú hviezdu - ďalšie tajomstvo moderného vesmíru. Teória relativity nám na druhej strane hovorí ešte jednu možnosť – stlačenie hviezdy na ultramalé hodnoty a tu začína to najzaujímavejšie.
V roku 1932 sa v jednom z vedeckých časopisov objavil článok, v ktorom geniálny fyzik zo ZSSR Lev Landau navrhol, že počas kolapsu sa supermasívna hviezda stlačí do bodu s nekonečne malým polomerom a nekonečnou hmotnosťou. Napriek tomu, že takéto podujatie je z pohľadu nepripraveného človeka len veľmi ťažko predstaviteľné, Landau nebol ďaleko od pravdy. Fyzik tiež naznačil, že podľa teórie relativity by gravitácia v takom bode bola taká veľká, že by začala deformovať časopriestor.
Astrofyzikom sa Landauova teória páčila a naďalej ju rozvíjali. V roku 1939 sa v Amerike vďaka úsiliu dvoch fyzikov - Roberta Oppenheimera a Hartlanda Sneijdera - objavila teória, ktorá podrobne opisuje supermasívnu hviezdu v čase kolapsu. V dôsledku takejto udalosti sa mala objaviť skutočná čierna diera. Napriek presvedčivosti argumentov vedci naďalej popierali možnosť existencie takýchto telies, ako aj premenu hviezd na ne. Dokonca aj Einstein sa od tejto myšlienky dištancoval, pretože veril, že hviezda nie je schopná takýchto fenomenálnych premien. Iní fyzici neboli vo svojich vyjadreniach skúpi, pričom možnosť takýchto udalostí označili za smiešnu.
Veda však vždy dospeje k pravde, stačí si trochu počkať. A tak sa aj stalo.
Najjasnejšie objekty vo vesmíre
Náš svet je zbierkou paradoxov. Občas v nej koexistujú veci, ktorých spolužitie sa vymyká akejkoľvek logike. Napríklad výraz „čierna diera“ by sa u normálneho človeka nespájal s výrazom „neuveriteľne jasný“, ale objav zo začiatku 60. rokov minulého storočia vedcom umožnil považovať toto tvrdenie za nesprávne.
Astrofyzikom sa pomocou ďalekohľadov podarilo odhaliť doposiaľ neznáme objekty na hviezdnej oblohe, ktoré sa správali dosť zvláštne napriek tomu, že vyzerali ako obyčajné hviezdy. Americký vedec Martin Schmidt pri štúdiu týchto podivných svietidiel upozornil na ich spektrografiu, ktorej údaje ukázali výsledky odlišné od skenovania iných hviezd. Jednoducho povedané, tieto hviezdy neboli ako ostatné, na ktoré sme zvyknutí.
Schmidtovi zrazu svitlo a upozornil na posun spektra v červenej oblasti. Ukázalo sa, že tieto objekty sú od nás oveľa ďalej ako hviezdy, ktoré sme zvyknutí vidieť na oblohe. Napríklad objekt, ktorý pozoroval Schmidt, sa nachádzal dve a pol miliardy svetelných rokov od našej planéty, no žiaril tak jasne ako hviezda vzdialená asi sto svetelných rokov. Ukazuje sa, že svetlo z jedného takéhoto objektu je porovnateľné s jasnosťou celej galaxie. Tento objav bol skutočným prielomom v astrofyzike. Vedec nazval tieto objekty „kvázi-hviezdne“ alebo jednoducho „kvasar“.
Martin Schmidt pokračoval v štúdiu nových objektov a zistil, že takú jasnú žiaru môže spôsobiť len jeden dôvod – narastanie. Akrécia je proces absorpcie okolitej hmoty superhmotným telesom pomocou gravitácie. Vedec dospel k záveru, že v strede kvazarov sa nachádza obrovská čierna diera, ktorá neuveriteľnou silou vťahuje do seba hmotu, ktorá ju obklopuje vo vesmíre. V procese absorpcie hmoty dierou sa častice zrýchlia na obrovské rýchlosti a začnú žiariť. Zvláštna svetelná kupola okolo čiernej diery sa nazýva akrečný disk. Jeho vizualizácia bola dobre demonštrovaná vo filme Christophera Nolana „Interstellar“, ktorý vyvolal mnoho otázok „ako môže čierna diera žiariť?“.
Vedci dodnes našli na hviezdnej oblohe tisíce kvazarov. Tieto zvláštne, neuveriteľne jasné objekty sa nazývajú majáky vesmíru. Umožňujú nám trochu lepšie predstaviť si štruktúru kozmu a priblížiť sa k momentu, od ktorého to všetko začalo.
Napriek tomu, že astrofyzici dlhé roky získavali nepriame dôkazy o existencii supermasívnych neviditeľných objektov vo vesmíre, pojem „čierna diera“ do roku 1967 neexistoval. Aby sa predišlo komplikovaným menám, americký fyzik John Archibald Wheeler navrhol nazvať takéto objekty „čierne diery“. Prečo nie? Do istej miery sú čierne, pretože ich nevidíme. Navyše priťahujú všetko, dá sa do nich spadnúť, ako do skutočnej diery. A dostať sa z takého miesta podľa moderných fyzikálnych zákonov je jednoducho nemožné. Stephen Hawking však tvrdí, že pri cestovaní čiernou dierou sa môžete dostať do iného Vesmíru, iného sveta, a to je nádej.
Strach z nekonečna
Vďaka prílišnej záhadnosti a romantizácii čiernych dier sa tieto predmety stali medzi ľuďmi skutočným hororovým príbehom. Žltá tlač rada špekuluje o negramotnosti obyvateľstva a vydáva úžasné príbehy o tom, ako sa k našej Zemi pohybuje obrovská čierna diera, ktorá v priebehu niekoľkých hodín pohltí slnečnú sústavu, alebo jednoducho vypustí vlny toxického plynu smerom k našej Zemi. planéta.
Obzvlášť populárna je téma ničenia planéty pomocou Veľkého hadrónového urýchľovača, ktorý bol v Európe vybudovaný v roku 2006 na území Európskej rady pre jadrový výskum (CERN). Vlna paniky začala ako niečí hlúpy vtip, no rástla ako snehová guľa. Niekto začal povrávať, že v urýchľovači častíc v urýchľovači by sa mohla vytvoriť čierna diera, ktorá by celú našu planétu pohltila. Samozrejme, rozhorčení ľudia začali požadovať zákaz experimentov na LHC v obave z takéhoto výsledku. Na Európsky súd začali prichádzať žaloby požadujúce zatvorenie zrážača a vedcov, ktorí ho vytvorili, potrestať v plnom rozsahu zákona.
Fyzici v skutočnosti nepopierajú, že keď sa častice zrazia vo Veľkom hadrónovom urýchľovači, môžu sa objaviť objekty s podobnými vlastnosťami ako čierne diery, ale ich veľkosť je na úrovni veľkosti elementárnych častíc a takéto „diery“ existujú tak krátky čas. že ich výskyt nemôžeme ani zaznamenať.
Jedným z hlavných odborníkov, ktorí sa snažia pred ľuďmi rozohnať vlnu nevedomosti, je Stephen Hawking – slávny teoretický fyzik, ktorý je navyše považovaný za skutočného „guru“ v súvislosti s čiernymi dierami. Hawking dokázal, že čierne diery nie vždy pohlcujú svetlo, ktoré sa objavuje v akrečných diskoch, a časť z neho je rozptýlená do vesmíru. Tento jav sa nazýva Hawkingovo žiarenie alebo vyparovanie čiernej diery. Hawking tiež stanovil vzťah medzi veľkosťou čiernej diery a rýchlosťou jej „vyparovania“ – čím je menšia, tým menej v čase existuje. A to znamená, že všetci odporcovia Veľkého hadrónového urýchľovača by sa nemali obávať: čierne diery v ňom nebudú môcť existovať ani na milióntinu sekundy.
Teória neoverená v praxi
Bohužiaľ, technológie ľudstva v tomto štádiu vývoja nám neumožňujú testovať väčšinu teórií vyvinutých astrofyzikmi a inými vedcami. Na jednej strane je existencia čiernych dier celkom presvedčivo dokázaná na papieri a odvodená pomocou vzorcov, v ktorých všetko konvergovalo s každou premennou. Na druhej strane sa nám v praxi zatiaľ nepodarilo vidieť skutočnú čiernu dieru na vlastné oči.
Napriek všetkým nezhodám fyzici naznačujú, že v strede každej z galaxií sa nachádza supermasívna čierna diera, ktorá svojou gravitáciou zhromažďuje hviezdy do zhlukov a núti vás cestovať po vesmíre vo veľkej a priateľskej spoločnosti. V našej galaxii Mliečna dráha je podľa rôznych odhadov 200 až 400 miliárd hviezd. Všetky tieto hviezdy sa točia okolo niečoho, čo má obrovskú hmotnosť, okolo niečoho, čo ďalekohľadom nevidíme. S najväčšou pravdepodobnosťou ide o čiernu dieru. Mala by sa báť? - Nie, aspoň nie v najbližších miliardách rokov, ale môžeme o nej nakrútiť ďalší zaujímavý film.