Lỗ đen: bên trong có gì? Sự thật và nghiên cứu thú vị. "Hố đen" là gì?

Ngày 24 tháng 1 năm 2013

Trong số tất cả các vật thể giả định trong Vũ trụ được các lý thuyết khoa học dự đoán, lỗ đen gây ấn tượng kỳ lạ nhất. Và, mặc dù những gợi ý về sự tồn tại của chúng đã bắt đầu được đưa ra gần một thế kỷ rưỡi trước khi Einstein công bố thuyết tương đối rộng, nhưng chỉ mới có được bằng chứng thuyết phục về sự tồn tại của chúng gần đây.

Hãy bắt đầu với cách thuyết tương đối tổng quát giải quyết câu hỏi về bản chất của lực hấp dẫn. Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton phát biểu rằng một lực hút lẫn nhau tác dụng giữa hai vật thể có khối lượng bất kỳ trong Vũ trụ. Do lực hấp dẫn này mà Trái đất quay quanh Mặt trời. Thuyết tương đối rộng buộc chúng ta phải nhìn hệ Mặt Trời-Trái Đất theo một cách khác. Theo lý thuyết này, với sự hiện diện của một thiên thể khổng lồ như Mặt trời, không-thời gian dường như sụp đổ dưới sức nặng của nó, và tính đồng nhất của kết cấu của nó bị phá vỡ. Hãy tưởng tượng một tấm bạt lò xo đàn hồi có một quả bóng nặng (như quả bóng bowling) trên đó. Vải bị kéo căng uốn cong dưới sức nặng của nó, tạo ra chân không xung quanh nó. Theo cách tương tự, Mặt trời đẩy không-thời gian xung quanh nó.

Theo bức tranh này, Trái đất chỉ đơn giản lăn quanh phễu thu được (ngoại trừ việc một quả bóng nhỏ lăn quanh một quả nặng trên tấm bạt lò xo chắc chắn sẽ mất tốc độ và chuyển động xoắn ốc gần quả bóng lớn hơn). Và cái mà chúng ta thường coi là lực hấp dẫn trong cuộc sống hàng ngày cũng không gì khác hơn là một sự thay đổi trong hình học của không-thời gian, chứ không phải là lực theo cách hiểu của Newton. Ngày nay, một lời giải thích thành công hơn về bản chất của lực hấp dẫn so với lý thuyết tương đối tổng quát mang lại cho chúng ta vẫn chưa được phát minh ra.

Bây giờ hãy tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta, trong khuôn khổ bức tranh đề xuất, tăng và tăng khối lượng của một quả bóng nặng mà không làm tăng kích thước vật lý của nó? Hoàn toàn đàn hồi, cái phễu sẽ sâu hơn cho đến khi các cạnh trên của nó hội tụ ở một nơi nào đó cao phía trên quả bóng hoàn toàn nặng, và sau đó nó sẽ đơn giản không còn tồn tại khi nhìn từ bề mặt. Trong Vũ trụ thực, khi đã tích lũy đủ khối lượng và mật độ vật chất, một vật thể sẽ đóng sập một cái bẫy không-thời gian xung quanh nó, kết cấu của không-thời gian đóng lại và nó mất liên lạc với phần còn lại của Vũ trụ, trở nên vô hình đối với nó. Đây là cách một lỗ đen xuất hiện.

Schwarzschild và những người cùng thời với ông tin rằng những vật thể không gian kỳ lạ như vậy không tồn tại trong tự nhiên. Bản thân Einstein không chỉ tuân thủ quan điểm này mà còn lầm tưởng rằng ông đã thành công trong việc chứng minh quan điểm của mình về mặt toán học.

Vào những năm 1930, nhà vật lý thiên văn trẻ người Ấn Độ Chandrasekhar đã chứng minh rằng một ngôi sao tiêu thụ nhiên liệu hạt nhân sẽ bong ra lớp vỏ và biến thành một sao lùn trắng nguội dần chỉ khi khối lượng của nó nhỏ hơn 1,4 khối lượng Mặt Trời. Chẳng bao lâu sau, Fritz Zwicky người Mỹ đã nhận ra rằng các vụ nổ siêu tân tinh tạo ra các khối vật chất neutron cực kỳ dày đặc; Sau đó, Lev Landau cũng đi đến kết luận tương tự. Sau công trình của Chandrasekhar, rõ ràng là chỉ những ngôi sao có khối lượng lớn hơn 1,4 khối lượng mặt trời mới có thể trải qua quá trình tiến hóa như vậy. Vì vậy, một câu hỏi tự nhiên được đặt ra: liệu có giới hạn trên cho khối lượng siêu tân tinh mà sao neutron để lại không?

Vào cuối những năm 30, cha đẻ tương lai của bom nguyên tử Mỹ, Robert Oppenheimer, đã xác định rằng giới hạn đó thực sự tồn tại và không vượt quá vài khối lượng mặt trời. Khi đó không thể đưa ra đánh giá chính xác hơn; Ngày nay người ta biết rằng khối lượng của sao neutron phải nằm trong khoảng 1,5-3 Ms. Nhưng ngay cả từ những tính toán sơ bộ của Oppenheimer và sinh viên tốt nghiệp của ông, George ROLow, cũng cho thấy hậu duệ nặng nhất của siêu tân tinh không trở thành sao neutron mà biến đổi thành một trạng thái khác. Năm 1939, Oppenheimer và Hartland Snyder sử dụng một mô hình lý tưởng hóa để chứng minh rằng một ngôi sao khổng lồ đang co lại theo bán kính hấp dẫn của nó. Từ công thức của họ, thực tế cho thấy ngôi sao không dừng lại ở đó, nhưng các đồng tác giả đã kiềm chế đưa ra kết luận căn bản như vậy.

09.07.1911 - 13.04.2008

Câu trả lời cuối cùng được tìm thấy vào nửa sau thế kỷ 20 nhờ nỗ lực của cả một thiên hà các nhà vật lý lý thuyết lỗi lạc, trong đó có cả những người Liên Xô. Hóa ra sự sụp đổ như vậy luôn nén ngôi sao “bằng mọi cách”, phá hủy hoàn toàn vật chất của nó. Kết quả là, một điểm kỳ dị xuất hiện, một “siêu tập trung” của trường hấp dẫn, khép kín trong một thể tích vô cùng nhỏ. Đối với lỗ đứng yên thì đây là một điểm, đối với lỗ quay là một vòng. Độ cong của không-thời gian và do đó lực hấp dẫn ở gần điểm kỳ dị có xu hướng tiến tới vô cùng. Vào cuối năm 1967, nhà vật lý người Mỹ John Archibald Wheeler là người đầu tiên gọi sự sụp đổ của sao cuối cùng như vậy là một lỗ đen. Thuật ngữ mới được các nhà vật lý yêu thích và các nhà báo thích thú, họ đã truyền bá nó ra khắp thế giới (mặc dù ban đầu người Pháp không thích nó, vì cách diễn đạt trou noir gợi ý những liên tưởng đáng ngờ).

Đặc tính quan trọng nhất của lỗ đen là bất cứ thứ gì rơi vào nó sẽ không quay trở lại. Điều này thậm chí còn áp dụng cho ánh sáng, đó là lý do tại sao lỗ đen có tên như vậy: một vật thể hấp thụ tất cả ánh sáng chiếu vào nó và không phát ra bất kỳ ánh sáng nào của chính nó sẽ trông hoàn toàn đen. Theo thuyết tương đối rộng, nếu một vật thể tiến đến tâm lỗ đen ở một khoảng cách tới hạn—khoảng cách này được gọi là bán kính Schwarzschild—thì nó không bao giờ có thể quay trở lại. (Nhà thiên văn học người Đức Karl Schwarzschild (1873-1916) trong những năm cuối đời, sử dụng các phương trình của thuyết tương đối rộng của Einstein, đã tính ra trường hấp dẫn xung quanh một khối lượng có thể tích bằng 0.) Đối với khối lượng của Mặt trời, bán kính Schwarzschild là 3 km, tức là để biến Mặt trời của chúng ta thành một lỗ đen, bạn cần nén toàn bộ khối lượng của nó bằng kích thước của một thị trấn nhỏ!

Bên trong bán kính Schwarzschild, lý thuyết này dự đoán những hiện tượng thậm chí còn kỳ lạ hơn: tất cả vật chất trong lỗ đen tập hợp thành một điểm cực nhỏ có mật độ vô hạn ở chính tâm của nó - các nhà toán học gọi vật thể đó là nhiễu loạn kỳ dị. Ở mật độ vô hạn, bất kỳ khối lượng hữu hạn nào của vật chất, nói về mặt toán học, đều chiếm thể tích không gian bằng không. Đương nhiên, chúng ta không thể xác minh bằng thực nghiệm liệu hiện tượng này có thực sự xảy ra bên trong lỗ đen hay không, vì mọi thứ rơi vào bên trong bán kính Schwarzschild đều không quay trở lại.

Do đó, dù không thể “nhìn” một lỗ đen theo nghĩa truyền thống của từ “nhìn”, chúng ta vẫn có thể phát hiện sự hiện diện của nó bằng các dấu hiệu gián tiếp về ảnh hưởng của trường hấp dẫn siêu mạnh và hoàn toàn bất thường của nó lên vật chất xung quanh. Nó.

Lỗ đen siêu lớn

Ở trung tâm Dải Ngân hà của chúng ta và các thiên hà khác có một lỗ đen cực lớn nặng gấp hàng triệu lần Mặt trời. Những lỗ đen siêu lớn này (như chúng được đặt tên) được phát hiện từ các quan sát về bản chất chuyển động của khí giữa các vì sao gần trung tâm các thiên hà. Các chất khí, đánh giá bằng các quan sát, quay ở một khoảng cách gần so với vật thể siêu lớn và các phép tính đơn giản sử dụng định luật cơ học của Newton cho thấy vật thể thu hút chúng, với đường kính cực nhỏ, có khối lượng khổng lồ. Chỉ có lỗ đen mới có thể xoáy khí liên sao ở trung tâm thiên hà theo cách này. Trên thực tế, các nhà vật lý thiên văn đã tìm thấy hàng chục lỗ đen khổng lồ như vậy ở trung tâm các thiên hà lân cận với chúng ta và họ hết sức nghi ngờ rằng trung tâm của bất kỳ thiên hà nào cũng là một lỗ đen.

Lỗ đen có khối lượng sao

Theo hiểu biết hiện tại của chúng ta về quá trình tiến hóa sao, khi một ngôi sao có khối lượng vượt quá 30 lần khối lượng Mặt Trời chết trong một vụ nổ siêu tân tinh, lớp vỏ bên ngoài của nó sẽ phân tán và các lớp bên trong nhanh chóng sụp đổ về phía trung tâm và tạo thành một lỗ đen ở vị trí của ngôi sao. ngôi sao đã sử dụng hết nhiên liệu dự trữ của nó. Một lỗ đen có nguồn gốc này bị cô lập trong không gian giữa các vì sao hầu như không thể phát hiện được, vì nó nằm trong chân không hiếm gặp và không biểu hiện dưới bất kỳ hình thức nào về tương tác hấp dẫn. Tuy nhiên, nếu một lỗ như vậy là một phần của hệ sao đôi (hai ngôi sao nóng quay quanh tâm khối lượng của chúng), thì lỗ đen vẫn sẽ tác động lực hấp dẫn lên ngôi sao đôi của nó. Các nhà thiên văn học ngày nay có hơn chục ứng cử viên cho vai trò của các hệ sao thuộc loại này, mặc dù chưa thu được bằng chứng chắc chắn nào cho bất kỳ hệ sao nào trong số đó.

Trong một hệ thống đôi có lỗ đen trong thành phần của nó, vật chất của ngôi sao “sống” chắc chắn sẽ “chảy” theo hướng của lỗ đen. Còn chất bị lỗ đen hút ra sẽ quay theo hình xoắn ốc khi rơi vào lỗ đen, biến mất khi đi qua bán kính Schwarzschild. Tuy nhiên, khi đến gần ranh giới chết người, vật chất bị hút vào phễu của lỗ đen chắc chắn sẽ trở nên đậm đặc hơn và nóng lên do tần số va chạm giữa các hạt bị lỗ đen hấp thụ tăng lên, cho đến khi nó nóng lên đến mức năng lượng phát xạ của sóng trong lỗ đen. Phạm vi tia X của phổ bức xạ điện từ. Các nhà thiên văn học có thể đo tính chu kỳ của những thay đổi về cường độ bức xạ tia X thuộc loại này và tính toán, bằng cách so sánh nó với các dữ liệu sẵn có khác, khối lượng gần đúng của vật thể “kéo” vật chất về phía chính nó. Nếu khối lượng của một vật thể vượt quá giới hạn Chandrasekhar (1,4 khối lượng mặt trời), thì vật thể đó không thể là một sao lùn trắng mà ngôi sao của chúng ta sẽ bị thoái hóa. Trong hầu hết các quan sát được xác định về các sao đôi tia X như vậy, vật thể có khối lượng lớn là sao neutron. Tuy nhiên, đã có hơn chục trường hợp mà lời giải thích hợp lý duy nhất là sự hiện diện của lỗ đen trong hệ sao đôi.

Tất cả các loại lỗ đen khác đều mang tính suy đoán nhiều hơn và chỉ dựa trên nghiên cứu lý thuyết - không có bằng chứng thực nghiệm nào về sự tồn tại của chúng. Đầu tiên, đây là những lỗ đen mini có khối lượng tương đương với khối lượng của một ngọn núi và bị nén đến bán kính của một proton. Ý tưởng về nguồn gốc của chúng ở giai đoạn đầu hình thành Vũ trụ ngay sau Vụ nổ lớn được nhà vũ trụ học người Anh Stephen Hawking bày tỏ (xem Nguyên lý ẩn giấu về tính không thể đảo ngược của thời gian). Hawking cho rằng các vụ nổ lỗ nhỏ có thể giải thích hiện tượng thực sự bí ẩn về các vụ nổ tia gamma xác định trong Vũ trụ. Thứ hai, một số lý thuyết về các hạt cơ bản dự đoán sự tồn tại trong Vũ trụ - ở cấp độ vi mô - của một sàng lỗ đen thực sự, là một loại bọt từ rác thải của vũ trụ. Đường kính của những lỗ siêu nhỏ như vậy được cho là khoảng 10-33 cm - chúng nhỏ hơn một proton hàng tỷ lần. Hiện tại, chúng ta không có hy vọng xác minh bằng thực nghiệm ngay cả sự tồn tại của các hạt lỗ đen như vậy, chưa kể bằng cách nào đó khám phá các đặc tính của chúng.

Và điều gì sẽ xảy ra với người quan sát nếu anh ta đột nhiên thấy mình ở phía bên kia bán kính hấp dẫn, hay còn gọi là chân trời sự kiện. Đây là nơi bắt đầu tính chất tuyệt vời nhất của lỗ đen. Không phải vô cớ mà khi nói về lỗ đen, chúng ta luôn nhắc đến thời gian, hay chính xác hơn là không-thời gian. Theo thuyết tương đối của Einstein, một vật chuyển động càng nhanh thì khối lượng của nó càng lớn, nhưng thời gian bắt đầu trôi qua càng chậm! Ở tốc độ thấp trong điều kiện bình thường, hiệu ứng này không đáng chú ý, nhưng nếu một vật thể (tàu vũ trụ) chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng thì khối lượng của nó tăng lên và thời gian chậm lại! Khi tốc độ của cơ thể bằng tốc độ ánh sáng, khối lượng sẽ tiến tới vô cùng và thời gian dừng lại! Các công thức toán học nghiêm ngặt nói về điều này. Hãy quay trở lại lỗ đen. Hãy tưởng tượng một tình huống tuyệt vời khi một con tàu vũ trụ với các phi hành gia trên tàu tiếp cận bán kính hấp dẫn hoặc chân trời sự kiện. Rõ ràng là chân trời sự kiện được đặt tên như vậy bởi vì chúng ta chỉ có thể quan sát bất kỳ sự kiện nào (quan sát bất cứ thứ gì) ở giới hạn này. Rằng chúng ta không thể quan sát ngoài biên giới này. Tuy nhiên, khi ở bên trong con tàu tiếp cận lỗ đen, các phi hành gia sẽ có cảm giác giống như trước, bởi vì... Theo đồng hồ của họ, thời gian sẽ chạy “bình thường”. Phi thuyền sẽ bình tĩnh vượt qua chân trời sự kiện và đi tiếp. Nhưng vì tốc độ của nó sẽ gần bằng tốc độ ánh sáng nên tàu vũ trụ sẽ đến trung tâm lỗ đen ngay lập tức.

Và đối với người quan sát bên ngoài, tàu vũ trụ sẽ chỉ dừng lại ở chân trời sự kiện và sẽ ở đó gần như mãi mãi! Đây là nghịch lý về lực hấp dẫn khổng lồ của lỗ đen. Câu hỏi đương nhiên là liệu các phi hành gia đang đi vào vô cực theo đồng hồ của người quan sát bên ngoài có còn sống hay không. KHÔNG. Và vấn đề hoàn toàn không nằm ở lực hấp dẫn khổng lồ, mà là ở lực thủy triều, lực mà đối với một vật thể nhỏ và to như vậy thay đổi rất nhiều trong khoảng cách ngắn. Với chiều cao của một phi hành gia là 1 m 70 cm, lực thủy triều ở đầu anh ta sẽ nhỏ hơn nhiều so với dưới chân anh ta và anh ta sẽ đơn giản bị xé nát ở chân trời sự kiện. Vì vậy, chúng ta đã tìm ra một cách tổng quát lỗ đen là gì, nhưng cho đến nay chúng ta vẫn đang nói về lỗ đen có khối lượng sao. Hiện nay, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra những lỗ đen siêu lớn có khối lượng có thể bằng cả tỷ mặt trời! Các lỗ đen siêu lớn không có đặc tính khác biệt so với các lỗ đen nhỏ hơn của chúng. Chúng chỉ nặng hơn nhiều và theo quy luật, chúng nằm ở trung tâm các thiên hà - các hòn đảo sao của Vũ trụ. Ở trung tâm Thiên hà của chúng ta (Dải Ngân hà) cũng có một lỗ đen siêu lớn. Khối lượng khổng lồ của các lỗ đen như vậy sẽ giúp chúng ta có thể tìm kiếm chúng không chỉ trong Thiên hà của chúng ta mà còn ở trung tâm của các thiên hà xa xôi nằm cách Trái đất và Mặt trời hàng triệu tỷ năm ánh sáng. Các nhà khoa học châu Âu và Mỹ đã tiến hành một cuộc tìm kiếm toàn cầu về các lỗ đen siêu lớn, theo tính toán lý thuyết hiện đại, lỗ đen này phải nằm ở trung tâm của mọi thiên hà.

Các công nghệ hiện đại có thể phát hiện sự hiện diện của các thiên hà sụp đổ này ở các thiên hà lân cận, nhưng rất ít trong số chúng đã được phát hiện. Điều này có nghĩa là hoặc các lỗ đen chỉ đơn giản là ẩn trong các đám mây khí và bụi dày đặc ở phần trung tâm của các thiên hà, hoặc chúng nằm ở những góc xa hơn của Vũ trụ. Vì vậy, các lỗ đen có thể được phát hiện bằng bức xạ tia X phát ra trong quá trình bồi tụ vật chất lên chúng và để thực hiện một cuộc điều tra dân số về các nguồn như vậy, các vệ tinh có kính viễn vọng tia X trên tàu đã được phóng vào không gian vũ trụ gần Trái đất. Trong khi tìm kiếm nguồn tia X, các đài quan sát không gian Chandra và Rossi phát hiện ra rằng bầu trời chứa đầy bức xạ tia X nền sáng hơn hàng triệu lần so với bức xạ khả kiến. Phần lớn bức xạ tia X nền này từ bầu trời phải đến từ các lỗ đen. Thông thường trong thiên văn học có ba loại lỗ đen. Đầu tiên là các lỗ đen có khối lượng sao (khoảng 10 lần khối lượng mặt trời). Chúng hình thành từ những ngôi sao lớn khi hết nhiên liệu nhiệt hạch. Thứ hai là các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm các thiên hà (khối lượng hàng triệu đến hàng tỷ mặt trời). Và cuối cùng, các lỗ đen cơ bản, được hình thành khi bắt đầu cuộc sống của Vũ trụ, có khối lượng nhỏ (theo khối lượng của một tiểu hành tinh lớn). Do đó, một lượng lớn khối lượng lỗ đen có thể có vẫn chưa được lấp đầy. Nhưng những cái lỗ này ở đâu? Tuy nhiên, lấp đầy không gian bằng tia X, họ không muốn lộ “bộ mặt” thật của mình. Nhưng để xây dựng một lý thuyết rõ ràng về mối liên hệ giữa bức xạ nền tia X và lỗ đen, cần phải biết số lượng của chúng. Hiện tại, các kính viễn vọng không gian chỉ có thể phát hiện được một số lượng nhỏ các lỗ đen siêu lớn, sự tồn tại của chúng có thể được coi là đã được chứng minh. Các dấu hiệu gián tiếp giúp tăng số lượng lỗ đen được quan sát chịu trách nhiệm về bức xạ nền lên 15%. Chúng ta phải giả định rằng các lỗ đen siêu lớn còn lại chỉ đơn giản là ẩn sau một lớp mây bụi dày chỉ truyền tia X năng lượng cao hoặc ở quá xa để có thể phát hiện được bằng các phương tiện quan sát hiện đại.

Lỗ đen siêu lớn (xung quanh) ở trung tâm thiên hà M87 (ảnh tia X). Có thể nhìn thấy tia phóng ra (máy bay phản lực) từ chân trời sự kiện. Hình ảnh từ www.college.ru/astronomy

Tìm kiếm các lỗ đen ẩn giấu là một trong những nhiệm vụ chính của thiên văn học tia X hiện đại. Tuy nhiên, những đột phá gần đây trong lĩnh vực này, liên quan đến nghiên cứu sử dụng kính thiên văn Chandra và Rossi, chỉ bao gồm phạm vi năng lượng thấp của bức xạ tia X - khoảng 2000-20.000 electron volt (để so sánh, năng lượng của bức xạ quang học là khoảng 2 electron) .vôn). Những sửa đổi đáng kể cho những nghiên cứu này có thể được thực hiện bởi Kính viễn vọng không gian Châu Âu Integral, có khả năng thâm nhập vào vùng bức xạ tia X vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ với năng lượng 20.000-300.000 electron volt. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu loại tia X này là mặc dù nền tia X của bầu trời có năng lượng thấp nhưng nhiều đỉnh (điểm) bức xạ có năng lượng khoảng 30.000 electron-volt xuất hiện trên nền này. Các nhà khoa học vẫn đang tìm hiểu nguyên nhân tạo ra những đỉnh này và Integral là kính thiên văn đầu tiên đủ nhạy để phát hiện các nguồn tia X như vậy. Theo các nhà thiên văn học, các tia năng lượng cao tạo ra cái gọi là vật thể dày Compton, tức là các lỗ đen siêu lớn được bao bọc trong lớp vỏ bụi. Các vật thể Compton chịu trách nhiệm cho các đỉnh tia X 30.000 volt trong trường bức xạ nền.

Tuy nhiên, khi tiếp tục nghiên cứu, các nhà khoa học đã đi đến kết luận rằng các vật thể Compton chỉ chiếm 10% số lượng lỗ đen lẽ ra sẽ tạo ra các đỉnh năng lượng cao. Đây là một trở ngại nghiêm trọng cho sự phát triển hơn nữa của lý thuyết. Vậy, lượng tia X bị thiếu không phải do các lỗ đen siêu nặng thông thường cung cấp mà là do các lỗ đen siêu lớn thông thường? Vậy còn rèm bụi cho tia X năng lượng thấp thì sao? Câu trả lời dường như nằm ở chỗ nhiều lỗ đen (vật thể Compton) có đủ thời gian để hấp thụ toàn bộ khí và bụi bao bọc chúng, nhưng trước đó chúng đã có cơ hội bộc lộ mình bằng tia X năng lượng cao. Sau khi tiêu thụ hết vật chất, những lỗ đen như vậy không còn khả năng tạo ra tia X ở chân trời sự kiện nữa. Rõ ràng là tại sao những lỗ đen này không thể được phát hiện và có thể quy các nguồn bức xạ nền bị thiếu cho chúng, vì mặc dù lỗ đen không còn phát ra nữa nhưng bức xạ mà nó tạo ra trước đó vẫn tiếp tục truyền qua Vũ trụ. Tuy nhiên, có thể các lỗ đen còn thiếu được ẩn giấu nhiều hơn những gì các nhà thiên văn học nhận ra, nghĩa là việc chúng ta không nhìn thấy chúng không có nghĩa là chúng không ở đó. Chúng ta chưa có đủ khả năng quan sát để nhìn thấy chúng. Trong khi đó, các nhà khoa học của NASA có kế hoạch mở rộng việc tìm kiếm các lỗ đen ẩn sâu hơn nữa trong Vũ trụ. Họ tin rằng đây chính là nơi chứa phần dưới nước của tảng băng trôi. Trong vài tháng, nghiên cứu sẽ được thực hiện như một phần của sứ mệnh Swift. Việc thâm nhập vào sâu trong Vũ trụ sẽ làm lộ ra các lỗ đen ẩn giấu, tìm ra mối liên hệ còn thiếu với bức xạ nền và làm sáng tỏ hoạt động của chúng trong thời kỳ sơ khai của Vũ trụ.

Một số lỗ đen được cho là hoạt động mạnh hơn những người hàng xóm yên tĩnh của chúng. Các lỗ đen đang hoạt động hấp thụ vật chất xung quanh, và nếu một ngôi sao “bất cẩn” bay ngang qua bị cuốn theo đường bay của trọng lực, chắc chắn nó sẽ bị “ăn thịt” một cách dã man nhất (xé thành từng mảnh). Vật chất bị hấp thụ khi rơi vào lỗ đen sẽ bị nung nóng đến nhiệt độ cực lớn và phát ra tia gamma, tia X và tia cực tím. Ngoài ra còn có một lỗ đen siêu lớn ở trung tâm Dải Ngân hà, nhưng nó khó nghiên cứu hơn các lỗ đen ở các thiên hà lân cận hoặc thậm chí xa xôi. Điều này là do bức tường khí và bụi dày đặc cản đường trung tâm Thiên hà của chúng ta, bởi vì Hệ Mặt trời nằm gần như ở rìa của đĩa thiên hà. Do đó, việc quan sát hoạt động của lỗ đen sẽ hiệu quả hơn nhiều ở những thiên hà có lõi có thể nhìn thấy rõ ràng. Khi quan sát một trong những thiên hà xa xôi, nằm trong chòm sao Boötes ở khoảng cách 4 tỷ năm ánh sáng, các nhà thiên văn học lần đầu tiên có thể theo dõi từ đầu đến cuối quá trình hấp thụ một ngôi sao bởi một lỗ đen siêu lớn. . Trong hàng nghìn năm, ngôi sao sụp đổ khổng lồ này đã yên nghỉ lặng lẽ và yên bình ở trung tâm của một thiên hà hình elip không tên, cho đến khi một trong những ngôi sao dám đến đủ gần nó.

Lực hấp dẫn mạnh mẽ của lỗ đen xé nát ngôi sao. Các khối vật chất bắt đầu rơi vào lỗ đen và khi chạm tới chân trời sự kiện, chúng bùng lên rực rỡ trong vùng tử ngoại. Những ngọn lửa này được ghi lại bởi kính viễn vọng không gian Galaxy Evolution Explorer mới của NASA, nơi nghiên cứu bầu trời dưới ánh sáng cực tím. Kính thiên văn tiếp tục quan sát hành vi của vật thể nổi bật ngày nay, bởi vì Bữa ăn của lỗ đen vẫn chưa kết thúc, tàn tích của ngôi sao tiếp tục rơi vào vực thẳm thời gian và không gian. Việc quan sát các quá trình như vậy cuối cùng sẽ giúp hiểu rõ hơn về cách các lỗ đen tiến hóa cùng với các thiên hà chủ của chúng (hoặc ngược lại, các thiên hà tiến hóa cùng với lỗ đen mẹ). Những quan sát trước đây cho thấy những sự dư thừa như vậy không phải là hiếm trong Vũ trụ. Các nhà khoa học đã tính toán rằng, trung bình cứ 10.000 năm lại có một ngôi sao bị lỗ đen siêu lớn tiêu thụ trong một thiên hà điển hình, nhưng vì có một số lượng lớn các thiên hà nên sự hấp thụ của sao có thể được quan sát thường xuyên hơn nhiều.

nguồn

Lỗ đen là một trong những hiện tượng kỳ lạ nhất trong Vũ trụ. Dù thế nào đi nữa, ở giai đoạn phát triển này của con người. Đây là một vật thể có khối lượng và mật độ vô hạn, và do đó có lực hút, ngoài lực đó thì ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra - do đó lỗ có màu đen. Một lỗ đen siêu lớn có thể hút toàn bộ thiên hà mà không bị nghẹt thở, và bên ngoài chân trời sự kiện, vật lý thông thường bắt đầu rít lên và xoắn lại thành một nút thắt. Mặt khác, các lỗ đen có thể trở thành các “lỗ” chuyển tiếp tiềm năng từ nút không gian này sang nút không gian khác. Câu hỏi đặt ra là chúng ta có thể đến gần lỗ đen đến mức nào và liệu có hậu quả gì không?

Lỗ đen siêu lớn Sagittarius A*, nằm ở trung tâm thiên hà của chúng ta, không chỉ hút các vật thể ở gần mà còn phát ra bức xạ vô tuyến mạnh mẽ. Các nhà khoa học từ lâu đã cố gắng phân biệt những tia này nhưng chúng bị cản trở bởi ánh sáng tán xạ xung quanh lỗ. Cuối cùng, họ đã có thể loại bỏ tiếng ồn ánh sáng bằng cách sử dụng 13 kính viễn vọng được kết hợp thành một hệ thống mạnh mẽ duy nhất. Sau đó, họ phát hiện ra những thông tin thú vị về những tia sáng bí ẩn trước đó.

Cách đây vài ngày, vào ngày 14 tháng 3, một trong những nhà vật lý xuất sắc nhất của thời đại chúng ta đã rời bỏ thế giới này,

Lỗ đen là một vùng đặc biệt trong không gian. Đây là sự tích tụ nhất định của vật chất đen, có khả năng hút vào chính nó và hấp thụ các vật thể khác trong không gian. Hiện tượng hố đen vẫn chưa có. Mọi dữ liệu có được chỉ là lý thuyết và giả định của các nhà khoa học thiên văn học.

Cái tên "lỗ đen" do nhà khoa học J.A. Wheeler vào năm 1968 tại Đại học Princeton.

Có giả thuyết cho rằng lỗ đen là những ngôi sao, nhưng là những ngôi sao khác thường, giống như neutron. Một lỗ đen - - bởi vì nó có mật độ phát quang rất cao và hoàn toàn không phát ra bức xạ. Do đó, nó không thể nhìn thấy được trong tia hồng ngoại, tia X cũng như tia vô tuyến.

Nhà thiên văn học người Pháp P. Laplace đã phát hiện ra tình huống này 150 năm trước các lỗ đen. Theo lập luận của ông, nếu nó có mật độ bằng mật độ Trái đất và đường kính lớn hơn 250 lần đường kính Mặt trời, thì nó không cho phép các tia sáng lan truyền khắp Vũ trụ do lực hấp dẫn của nó, và do đó vẫn còn vô hình. Vì vậy, người ta cho rằng lỗ đen là vật thể phát xạ mạnh nhất trong Vũ trụ nhưng chúng không có bề mặt rắn.

Tính chất của lỗ đen

Tất cả các đặc tính được cho là của lỗ đen đều dựa trên thuyết tương đối, được A. Einstein đưa ra vào thế kỷ 20. Bất kỳ cách tiếp cận truyền thống nào để nghiên cứu hiện tượng này đều không đưa ra được lời giải thích thuyết phục nào về hiện tượng lỗ đen.

Thuộc tính chính của lỗ đen là khả năng bẻ cong thời gian và không gian. Bất kỳ vật thể chuyển động nào bị vướng vào trường hấp dẫn của nó chắc chắn sẽ bị hút vào, bởi vì... trong trường hợp này, một xoáy hấp dẫn dày đặc, một loại phễu, xuất hiện xung quanh vật thể. Đồng thời, khái niệm về thời gian được chuyển đổi. Các nhà khoa học, bằng tính toán, vẫn có xu hướng kết luận rằng lỗ đen không phải là thiên thể theo nghĩa được chấp nhận rộng rãi. Đây thực sự là một số loại lỗ, lỗ sâu trong thời gian và không gian, có khả năng thay đổi và nén nó lại.

Lỗ đen là một vùng không gian khép kín trong đó vật chất bị nén vào đó và không có gì có thể thoát ra khỏi đó, kể cả ánh sáng.

Theo tính toán của các nhà thiên văn học, với trường hấp dẫn cực mạnh tồn tại bên trong lỗ đen, không một vật thể nào có thể nguyên vẹn. Nó sẽ ngay lập tức bị xé thành hàng tỷ mảnh trước khi lọt vào bên trong. Tuy nhiên, điều này không loại trừ khả năng trao đổi các hạt và thông tin với sự trợ giúp của chúng. Và nếu một lỗ đen có khối lượng lớn hơn khối lượng Mặt trời (siêu lớn) ít nhất một tỷ lần, thì về mặt lý thuyết, các vật thể có thể di chuyển qua nó mà không bị lực hấp dẫn xé nát.

Tất nhiên, đây chỉ là lý thuyết, bởi nghiên cứu của các nhà khoa học vẫn còn quá xa để hiểu được lỗ đen ẩn chứa những quá trình và khả năng gì. Rất có thể điều tương tự sẽ xảy ra trong tương lai.

Lỗ đen có lẽ là vật thể thiên văn bí ẩn và khó hiểu nhất trong Vũ trụ của chúng ta; kể từ khi được phát hiện, chúng đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học và kích thích trí tưởng tượng của các nhà văn khoa học viễn tưởng. Lỗ đen là gì và chúng đại diện cho điều gì? Lỗ đen là những ngôi sao đã tuyệt chủng, do đặc điểm vật lý của chúng, chúng có mật độ cao và lực hấp dẫn mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra ngoài chúng.

Lịch sử phát hiện lỗ đen

Lần đầu tiên, sự tồn tại về mặt lý thuyết của các lỗ đen, rất lâu trước khi chúng được phát hiện thực sự, đã được đề xuất bởi D. Michel (một linh mục người Anh đến từ Yorkshire, người quan tâm đến thiên văn học khi rảnh rỗi) vào năm 1783. Theo tính toán của ông, nếu chúng ta lấy của mình và nén nó (theo ngôn ngữ máy tính hiện đại, lưu trữ nó) đến bán kính 3 km, thì một lực hấp dẫn lớn (đơn giản là cực lớn) sẽ được hình thành đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể rời khỏi nó. . Đây là cách mà khái niệm "lỗ đen" xuất hiện, mặc dù trên thực tế nó không hề đen chút nào; theo chúng tôi, thuật ngữ "lỗ tối" sẽ phù hợp hơn, bởi vì chính xác là sự vắng mặt của ánh sáng đã xảy ra.

Sau này, vào năm 1918, nhà khoa học vĩ đại Albert Einstein đã viết về vấn đề lỗ đen trong bối cảnh thuyết tương đối. Nhưng chỉ đến năm 1967, nhờ nỗ lực của nhà vật lý thiên văn người Mỹ John Wheeler, khái niệm về lỗ đen cuối cùng mới giành được một vị trí trong giới học thuật.

Dù vậy, D. Michel, Albert Einstein và John Wheeler trong các tác phẩm của họ chỉ giả định sự tồn tại về mặt lý thuyết của những thiên thể bí ẩn này trong không gian bên ngoài, nhưng việc khám phá thực sự về các lỗ đen diễn ra vào năm 1971, đó là lúc họ lần đầu tiên được chú ý qua kính thiên văn.

Đây là hình dáng của một lỗ đen.

Lỗ đen hình thành như thế nào trong không gian

Như chúng ta biết từ vật lý thiên văn, tất cả các ngôi sao (bao gồm cả Mặt trời của chúng ta) đều có nguồn cung cấp nhiên liệu hạn chế. Và mặc dù tuổi thọ của một ngôi sao có thể kéo dài hàng tỷ năm ánh sáng, nhưng sớm hay muộn nguồn cung cấp nhiên liệu có điều kiện này cũng cạn kiệt và ngôi sao “tắt nguồn”. Quá trình “mờ dần” của một ngôi sao đi kèm với các phản ứng mãnh liệt, trong đó ngôi sao trải qua một sự biến đổi đáng kể và tùy thuộc vào kích thước của nó, có thể biến thành sao lùn trắng, sao neutron hoặc lỗ đen. Hơn nữa, những ngôi sao lớn nhất, với kích thước cực kỳ ấn tượng, thường biến thành lỗ đen - do bị nén bởi những kích thước đáng kinh ngạc nhất này, khối lượng và lực hấp dẫn của lỗ đen mới hình thành tăng gấp bội, biến thành một loại máy hút bụi thiên hà - hút mọi thứ và mọi người xung quanh nó.

Một lỗ đen nuốt chửng một ngôi sao.

Một lưu ý nhỏ - Mặt trời của chúng ta, theo tiêu chuẩn thiên hà, hoàn toàn không phải là một ngôi sao lớn và sau khi tuyệt chủng, điều này sẽ xảy ra trong khoảng vài tỷ năm nữa, rất có thể nó sẽ không biến thành lỗ đen.

Nhưng hãy thành thật với bạn - ngày nay, các nhà khoa học vẫn chưa biết hết sự phức tạp của sự hình thành lỗ đen; chắc chắn, đây là một quá trình vật lý thiên văn cực kỳ phức tạp, bản thân nó có thể kéo dài hàng triệu năm ánh sáng. Mặc dù có thể tiến lên theo hướng này nhưng có thể là việc khám phá và nghiên cứu tiếp theo về cái gọi là lỗ đen trung gian, tức là các ngôi sao đang ở trạng thái tuyệt chủng, trong đó quá trình hình thành lỗ đen tích cực đang diễn ra. Nhân tiện, một ngôi sao tương tự đã được các nhà thiên văn học phát hiện vào năm 2014 trong nhánh của một thiên hà xoắn ốc.

Có bao nhiêu lỗ đen trong vũ trụ?

Theo lý thuyết của các nhà khoa học hiện đại, có thể có tới hàng trăm triệu lỗ đen trong dải Ngân hà của chúng ta. Có thể có không ít chúng trong thiên hà lân cận của chúng ta, nơi không có gì có thể bay đến từ Dải Ngân hà của chúng ta - 2,5 triệu năm ánh sáng.

Lý thuyết lỗ đen

Bất chấp khối lượng khổng lồ (lớn hơn hàng trăm nghìn lần khối lượng Mặt trời của chúng ta) và cường độ hấp dẫn đáng kinh ngạc, việc nhìn thấy các lỗ đen qua kính viễn vọng không phải là điều dễ dàng, vì chúng hoàn toàn không phát ra ánh sáng. Các nhà khoa học chỉ chú ý đến lỗ đen vào thời điểm "bữa ăn" của nó - sự hấp thụ của một ngôi sao khác, lúc này bức xạ đặc trưng xuất hiện, điều này đã có thể được quan sát thấy. Như vậy, lý thuyết lỗ đen đã tìm được sự xác nhận thực sự.

Tính chất của lỗ đen

Đặc tính chính của lỗ đen là trường hấp dẫn đáng kinh ngạc của nó, không cho phép không gian và thời gian xung quanh duy trì trạng thái thông thường. Vâng, bạn đã nghe đúng, thời gian bên trong lỗ đen trôi chậm hơn bình thường rất nhiều lần, và nếu bạn ở đó, thì khi bạn quay trở lại (tất nhiên là nếu bạn may mắn như vậy), bạn sẽ ngạc nhiên khi nhận ra rằng hàng thế kỷ đã trôi qua trên Trái đất và bạn thậm chí còn chưa già đi kịp thời. Mặc dù hãy thành thật mà nói, nếu bạn ở bên trong một lỗ đen, bạn sẽ khó có thể sống sót, vì lực hấp dẫn ở đó mạnh đến mức bất kỳ vật thể vật chất nào cũng sẽ bị xé nát, thậm chí không thành từng mảnh, thành nguyên tử.

Nhưng nếu bạn thậm chí ở gần một lỗ đen, dưới ảnh hưởng của trường hấp dẫn của nó, bạn cũng sẽ gặp khó khăn, vì bạn càng chống lại lực hấp dẫn của nó, cố gắng bay đi thì bạn càng rơi vào đó nhanh hơn. Nguyên nhân của điều dường như nghịch lý này là do trường xoáy hấp dẫn mà tất cả các lỗ đen đều sở hữu.

Điều gì sẽ xảy ra nếu một người rơi vào lỗ đen

Sự bay hơi của lỗ đen

Nhà thiên văn học người Anh S. Hawking đã phát hiện ra một sự thật thú vị: các lỗ đen dường như cũng phát ra sự bốc hơi. Đúng, điều này chỉ áp dụng cho các lỗ có khối lượng tương đối nhỏ. Lực hấp dẫn cực mạnh xung quanh chúng sinh ra các cặp hạt và phản hạt, một trong cặp hạt bị lỗ hút vào, còn hạt thứ hai bị đẩy ra ngoài. Do đó, lỗ đen phát ra phản hạt cứng và tia gamma. Sự bay hơi hoặc bức xạ từ lỗ đen này được đặt theo tên của nhà khoa học đã phát hiện ra nó - “Bức xạ Hawking”.

Lỗ đen lớn nhất

Theo lý thuyết lỗ đen, ở trung tâm của hầu hết các thiên hà đều có những lỗ đen khổng lồ với khối lượng từ vài triệu đến vài tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Và gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra hai lỗ đen lớn nhất được biết đến cho đến nay; chúng nằm ở hai thiên hà gần đó: NGC 3842 và NGC 4849.

NGC 3842 là thiên hà sáng nhất trong chòm sao Sư Tử, nằm cách chúng ta 320 triệu năm ánh sáng. Ở trung tâm của nó có một lỗ đen khổng lồ nặng 9,7 tỷ khối lượng mặt trời.

NGC 4849, một thiên hà trong cụm Coma, cách chúng ta 335 triệu năm ánh sáng, tự hào có một lỗ đen ấn tượng không kém.

Trường hấp dẫn của những lỗ đen khổng lồ này, hay theo thuật ngữ học thuật, chân trời sự kiện của chúng, gấp khoảng 5 lần khoảng cách từ Mặt trời đến ! Một lỗ đen như vậy sẽ ăn thịt hệ mặt trời của chúng ta và thậm chí không bị nghẹt thở.

Lỗ đen nhỏ nhất

Nhưng trong đại gia đình lỗ đen cũng có những đại diện rất nhỏ. Như vậy, lỗ đen lùn nhất được các nhà khoa học phát hiện cho đến nay chỉ có khối lượng gấp 3 lần Mặt trời của chúng ta. Trên thực tế, đây là mức tối thiểu về mặt lý thuyết cần thiết để hình thành lỗ đen; nếu ngôi sao đó nhỏ hơn một chút thì lỗ đen sẽ không hình thành.

Lỗ đen là kẻ ăn thịt người

Đúng, có một hiện tượng như vậy, như chúng tôi đã viết ở trên, lỗ đen là một loại “máy hút bụi thiên hà” hút mọi thứ xung quanh chúng, kể cả… những lỗ đen khác. Gần đây, các nhà thiên văn học phát hiện ra rằng một lỗ đen từ một thiên hà đang bị ăn thịt bởi một kẻ háu ăn thậm chí còn lớn hơn từ một thiên hà khác.

• Theo giả thuyết của một số nhà khoa học, lỗ đen không chỉ là máy hút bụi thiên hà, hút mọi thứ vào trong mình mà trong một số trường hợp nhất định, chúng có thể tự sinh ra những vũ trụ mới.
• Lỗ đen có thể bốc hơi theo thời gian. Ở trên chúng tôi đã viết rằng nhà khoa học người Anh Stephen Hawking đã phát hiện ra rằng lỗ đen có đặc tính của bức xạ và sau một thời gian rất dài, khi không còn gì để hấp thụ xung quanh, lỗ đen sẽ bắt đầu bốc hơi nhiều hơn, cho đến khi theo thời gian nó thoát ra. dồn toàn bộ khối lượng của nó vào không gian xung quanh. Mặc dù đây chỉ là một giả định, một giả thuyết.
• Lỗ đen làm chậm thời gian và bẻ cong không gian. Chúng ta đã viết về sự giãn nở thời gian, nhưng không gian trong điều kiện của lỗ đen cũng sẽ bị cong hoàn toàn.
• Lỗ đen giới hạn số lượng sao trong vũ trụ. Cụ thể, trường hấp dẫn của chúng ngăn cản sự nguội đi của các đám mây khí trong không gian, từ đó các ngôi sao mới được sinh ra.

Lỗ đen trên Kênh Discovery, video

Và để kết luận, chúng tôi cung cấp cho bạn một bộ phim tài liệu khoa học thú vị về các lỗ đen từ Kênh Discovery

Lỗ đen trong vật lý được định nghĩa là một vùng trong không-thời gian có lực hấp dẫn mạnh đến mức ngay cả những vật thể chuyển động với tốc độ ánh sáng, bao gồm cả lượng tử ánh sáng, cũng không thể rời khỏi nó. Ranh giới của khu vực này được gọi là chân trời sự kiện và kích thước đặc trưng của nó là bán kính hấp dẫn, được gọi là bán kính Rừng Đen. Lỗ đen là vật thể bí ẩn nhất trong vũ trụ. Họ nợ nhà vật lý thiên văn người Mỹ John Wheeler cái tên không may mắn của mình. Chính ông, trong bài giảng nổi tiếng “Vũ trụ của chúng ta: Đã biết và chưa biết” năm 1967, đã gọi những lỗ vật thể siêu đặc này. Trước đây, những vật thể như vậy được gọi là “sao sụp đổ” hoặc “sao sụp đổ”. Nhưng thuật ngữ "lỗ đen" đã bén rễ và việc thay đổi nó trở nên đơn giản là không thể. Có hai loại lỗ đen trong Vũ trụ: 1 – lỗ đen siêu lớn, khối lượng của chúng lớn gấp hàng triệu lần khối lượng Mặt trời (những vật thể như vậy được cho là nằm ở trung tâm các thiên hà); 2 – các lỗ đen có khối lượng nhỏ hơn phát sinh do sự nén của các ngôi sao khổng lồ sắp chết, khối lượng của chúng lớn hơn ba lần khối lượng Mặt Trời; Khi ngôi sao co lại, vật chất ngày càng trở nên đặc hơn và kết quả là lực hấp dẫn của vật thể tăng đến mức ánh sáng không thể vượt qua được. Cả bức xạ và vật chất đều không thể thoát khỏi lỗ đen. Lỗ đen là lực hấp dẫn siêu mạnh.

Bán kính mà một ngôi sao phải co lại để trở thành lỗ đen được gọi là bán kính hấp dẫn. Đối với các lỗ đen hình thành từ các ngôi sao thì chỉ cách vài chục km. Ở một số cặp sao đôi, một trong số chúng không thể nhìn thấy được trong kính thiên văn mạnh nhất, nhưng khối lượng của thành phần vô hình trong một hệ hấp dẫn như vậy lại cực kỳ lớn. Nhiều khả năng những vật thể như vậy là sao neutron hoặc lỗ đen. Đôi khi các thành phần vô hình trong các cặp như vậy tước đi vật chất của một ngôi sao bình thường. Trong trường hợp này, khí được tách ra khỏi lớp bên ngoài của ngôi sao nhìn thấy được và rơi vào một nơi không xác định - vào một lỗ đen vô hình. Nhưng trước khi rơi vào lỗ, chất khí này phát ra các sóng điện từ có độ dài rất khác nhau, kể cả sóng tia X rất ngắn. Hơn nữa, ở gần một ngôi sao neutron hoặc lỗ đen, khí trở nên rất nóng và trở thành nguồn bức xạ điện từ năng lượng cao, mạnh mẽ trong phạm vi tia X và tia gamma. Bức xạ như vậy không đi qua bầu khí quyển trái đất nhưng có thể được quan sát bằng kính viễn vọng không gian. Một trong những ứng cử viên có khả năng trở thành lỗ đen là nguồn tia X cực mạnh trong chòm sao Cygnus.