Dla współczesnych naukowców czarna dziura jest jednym z najbardziej tajemniczych zjawisk w naszym wszechświecie. Badanie takich obiektów jest trudne, nie można ich wypróbować „z doświadczenia”. Masa, gęstość substancji czarnej dziury, procesy powstawania tego obiektu, wymiary - wszystko to wzbudza zainteresowanie specjalistów, a czasem konsternację. Rozważmy ten temat bardziej szczegółowo. Najpierw przeanalizujmy, czym jest taki obiekt.
Informacje ogólne
Niesamowitą cechą obiektu kosmicznego jest połączenie małego promienia, dużej gęstości materii czarnej dziury i niewiarygodnie dużej masy. Wszystkie obecnie znane właściwości fizyczne takiego obiektu wydają się naukowcom dziwne, często niewytłumaczalne. Nawet najbardziej doświadczeni astrofizycy wciąż są zdumieni osobliwościami takich zjawisk. Główną cechą, która pozwala naukowcom zidentyfikować czarną dziurę, jest horyzont zdarzeń, czyli granica, dzięki którejnic nie wraca, łącznie ze światłem. Jeżeli strefa jest rozdzielona na stałe, granica separacji jest wyznaczana jako horyzont zdarzeń. Przy tymczasowej separacji ustalona jest obecność widocznego horyzontu. Czasem czasowość jest pojęciem bardzo luźnym, to znaczy, że region może być oddzielony na okres przekraczający obecny wiek wszechświata. Jeśli istnieje widoczny horyzont, który istnieje przez długi czas, trudno go odróżnić od horyzontu zdarzeń.
Pod wieloma względami właściwości czarnej dziury, gęstość substancji, która ją tworzy, wynikają z innych właściwości fizycznych, które działają w naszym świecie. Horyzont zdarzeń sferycznie symetrycznej czarnej dziury to kula, której średnica jest określona przez jej masę. Im większa masa wciągana do środka, tym większy otwór. A jednak pozostaje zaskakująco mały na tle gwiazd, ponieważ ciśnienie grawitacyjne ściska wszystko w środku. Jeśli wyobrazimy sobie dziurę, której masa odpowiada naszej planecie, to promień takiego obiektu nie przekroczy kilku milimetrów, czyli będzie o dziesięć miliardów mniejszy od Ziemi. Promień został nazwany na cześć Schwarzschilda, naukowca, który jako pierwszy wydedukował czarne dziury jako rozwiązanie ogólnej teorii względności Einsteina.
A w środku?
Po dostaniu się do takiego obiektu, osoba raczej nie zauważy na sobie ogromnego zagęszczenia. Właściwości czarnej dziury nie są dobrze poznane, aby mieć pewność, co się stanie, ale naukowcy uważają, że nic szczególnego nie może zostać ujawnione podczas przekraczania horyzontu. Wyjaśnia to odpowiednik Einsteinazasada, która wyjaśnia, dlaczego pole tworzące krzywiznę horyzontu i przyspieszenie właściwe płaszczyźnie nie różnią się dla obserwatora. Śledząc z daleka proces przechodzenia widać, że obiekt zaczyna zwalniać w pobliżu horyzontu, tak jakby czas w tym miejscu płynął powoli. Po pewnym czasie obiekt przekroczy horyzont, wpadnie w promień Schwarzschilda.
Gęstość materii w czarnej dziurze, masa obiektu, jego wymiary i siły pływowe oraz pole grawitacyjne są ze sobą ściśle powiązane. Im większy promień, tym mniejsza gęstość. Promień zwiększa się wraz z wagą. Siły pływowe są odwrotnie proporcjonalne do kwadratu wagi, co oznacza, że wraz ze wzrostem wymiarów i spadkiem gęstości siły pływowe obiektu maleją. Horyzont będzie można pokonać zanim zauważymy ten fakt, jeśli masa obiektu będzie bardzo duża. We wczesnych dniach ogólnej teorii względności wierzono, że na horyzoncie istnieje osobliwość, ale okazało się, że tak nie jest.
O gęstości
Jak wykazały badania, gęstość czarnej dziury, w zależności od masy, może być mniejsza lub większa. Dla różnych obiektów wskaźnik ten jest różny, ale zawsze maleje wraz ze wzrostem promienia. Mogą pojawić się supermasywne dziury, które powstają w sposób rozległy na skutek nagromadzenia materiału. Średnio gęstość takich obiektów, których masa odpowiada całkowitej masie kilku miliardów opraw w naszym układzie, jest mniejsza niż gęstość wody. Czasami jest porównywalny z poziomem gęstości gazu. Siła pływowa tego obiektu jest aktywowana już po przekroczeniu przez obserwatora horyzontuwydarzenia. Hipotetyczny odkrywca nie zostałby skrzywdzony, gdy zbliżyłby się do horyzontu i spadłby wiele tysięcy kilometrów, gdyby znalazł ochronę przed plazmą dysku. Jeśli obserwator nie obejrzy się, nie zauważy, że horyzont został przekroczony, a jeśli odwróci głowę, prawdopodobnie zobaczy zamrożone na horyzoncie promienie świetlne. Czas dla obserwatora będzie płynął bardzo wolno, będzie on mógł śledzić wydarzenia w pobliżu dziury aż do momentu śmierci - albo jej, albo Wszechświata.
Aby określić gęstość supermasywnej czarnej dziury, musisz znać jej masę. Znajdź wartość tej wielkości i objętość Schwarzschilda tkwiącą w obiekcie kosmicznym. Przeciętnie taki wskaźnik, zdaniem astrofizyków, jest wyjątkowo mały. W imponującym odsetku przypadków jest to mniej niż poziom gęstości powietrza. Zjawisko wyjaśniono w następujący sposób. Promień Schwarzschilda jest bezpośrednio związany z wagą, podczas gdy gęstość jest odwrotnie proporcjonalna do objętości, stąd promień Schwarzschilda. Objętość jest bezpośrednio związana z promieniem sześcianu. Masa wzrasta liniowo. W związku z tym objętość rośnie szybciej niż waga, a średnia gęstość staje się mniejsza, im większy jest promień badanego obiektu.
Ciekawe
Siła pływowa tkwiąca w otworze to gradient siły grawitacji, która na horyzoncie jest dość duża, więc nawet fotony nie mogą stąd uciec. Jednocześnie wzrost parametru następuje dość płynnie, co umożliwia obserwatorowi pokonanie horyzontu bez ryzyka dla siebie.
Badania gęstości czarnej dziury wcentrum obiektu jest nadal stosunkowo ograniczone. Astrofizycy ustalili, że im bliżej centralnej osobliwości, tym wyższy poziom gęstości. Wspomniany wcześniej mechanizm obliczeniowy pozwala uzyskać bardzo przeciętne pojęcie o tym, co się dzieje.
Naukowcy mają bardzo ograniczone wyobrażenia na temat tego, co dzieje się w dziurze, jej struktury. Według astrofizyków rozkład gęstości w otworze nie ma większego znaczenia dla zewnętrznego obserwatora, przynajmniej na obecnym poziomie. Dużo bardziej pouczająca specyfikacja wagi, wagi. Im większa masa, tym silniejszy środek, horyzont, są od siebie oddzielone. Są też takie założenia: tuż za horyzontem materii w zasadzie nie ma, można ją wykryć tylko w głębi obiektu.
Czy znane są jakieś liczby?
Naukowcy od dawna zastanawiali się nad gęstością czarnej dziury. Przeprowadzono pewne badania, podjęto próby kalkulacji. Oto jeden z nich.
Masa słoneczna wynosi 210^30 kg. W miejscu obiektu, który jest kilkakrotnie większy od Słońca, może powstać dziura. Gęstość najlżejszego otworu szacuje się na średnio 10^18 kg/m3. Jest to o rząd wielkości wyższy niż gęstość jądra atomu. W przybliżeniu taka sama różnica w stosunku do średniego poziomu gęstości charakterystycznego dla gwiazdy neutronowej.
Istnienie ultralekkich dziur jest możliwe, których wymiary odpowiadają cząsteczkom subjądrowym. W przypadku takich obiektów wskaźnik gęstości będzie zaporowo duży.
Jeśli nasza planeta stanie się dziurą, jej gęstość wyniesie około 210^30 kg/m3. Jednak naukowcy nie byli w stanieujawnić procesy, w wyniku których nasz kosmiczny dom może zostać przekształcony w czarną dziurę.
O liczbach bardziej szczegółowo
Gęstość czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej szacuje się na 1,1 miliona kg/m3. Masa tego obiektu odpowiada 4 milionom mas Słońca. Promień dziury szacowany jest na 12 mln km. Wskazana gęstość czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej daje wyobrażenie o fizycznych parametrach supermasywnych dziur.
Jeżeli waga jakiegoś obiektu wynosi 10^38 kg, to znaczy jest szacowana na około 100 milionów Słońc, wtedy gęstość obiektu astronomicznego będzie odpowiadać poziomowi gęstości granitu znajdującego się na naszej planecie.
Spośród wszystkich dziur znanych współczesnym astrofizykom, jedna z najcięższych została znaleziona w kwazarze OJ 287. Jej waga odpowiada 18 miliardom źródeł światła naszego układu. Jaka jest gęstość czarnej dziury, naukowcy obliczyli bez większych trudności. Wartość okazała się znikomo mała. To tylko 60 g/m3. Dla porównania: powietrze atmosferyczne naszej planety ma gęstość 1,29 mg/m3.
Skąd pochodzą dziury?
Naukowcy nie tylko prowadzili badania mające na celu wyznaczenie gęstości czarnej dziury w porównaniu z gwiazdą naszego układu czy innymi ciałami kosmicznymi, ale także próbowali ustalić skąd biorą się dziury, jakie są mechanizmy powstawania takich tajemnicze przedmioty. Teraz mamy pomysł na cztery sposoby na pojawienie się dziur. Najbardziej zrozumiałą opcją jest zapadnięcie się gwiazdy. Kiedy staje się duży, synteza w jądrze jest zakończona,ciśnienie znika, materia opada do środka ciężkości, więc pojawia się dziura. W miarę zbliżania się do centrum gęstość wzrasta. Prędzej czy później wskaźnik staje się tak istotny, że obiekty zewnętrzne nie są w stanie przezwyciężyć skutków grawitacji. Od tego momentu pojawia się nowa dziura. Ten typ jest bardziej powszechny niż inne i jest nazywany dziurami masy słonecznej.
Innym dość powszechnym typem dziury jest dziura supermasywna. Są one częściej obserwowane w centrach galaktycznych. Masa obiektu w porównaniu z opisaną powyżej dziurą masy Słońca jest miliardy razy większa. Naukowcy nie ustalili jeszcze procesów manifestacji takich obiektów. Zakłada się, że najpierw powstaje dziura zgodnie z opisanym powyżej mechanizmem, a następnie sąsiednie gwiazdy są pochłaniane, co prowadzi do wzrostu. Jest to możliwe, jeśli strefa galaktyki jest gęsto zaludniona. Absorpcja materii zachodzi szybciej, niż może wyjaśnić powyższy schemat, a naukowcy nie mogą jeszcze odgadnąć, jak przebiega absorpcja.
Założenia i pomysły
Bardzo trudnym tematem dla astrofizyków są pierwotne dziury. Takie prawdopodobnie pojawią się z dowolnej masy. Mogą tworzyć się w dużych wahaniach. Prawdopodobnie pojawienie się takich dziur miało miejsce we wczesnym Wszechświecie. Dotychczasowe badania poświęcone cechom, cechom (w tym gęstości) czarnych dziur, procesom ich pojawiania się nie pozwalają na wyznaczenie modelu, który wiernie odtwarza proces powstawania dziury pierwotnej. Obecnie znane modele są przeważnie takie, że gdyby zostały zaimplementowane w rzeczywistości,byłoby za dużo dziur.
Załóżmy, że Wielki Zderzacz Hadronów może stać się źródłem powstania dziury, której masa odpowiada bozonowi Higgsa. W związku z tym gęstość czarnej dziury będzie bardzo duża. Jeśli taka teoria zostanie potwierdzona, można ją uznać za pośredni dowód na obecność dodatkowych wymiarów. Obecnie ten spekulacyjny wniosek nie został jeszcze potwierdzony.
Promieniowanie z dziury
Emisja dziury jest wyjaśniona przez efekty kwantowe materii. Przestrzeń jest dynamiczna, więc cząstki tutaj są zupełnie inne niż te, do których jesteśmy przyzwyczajeni. W pobliżu dziury nie tylko czas jest zniekształcony; zrozumienie cząstki zależy w dużej mierze od tego, kto ją obserwuje. Jeśli ktoś wpadnie do dziury, wydaje mu się, że pogrąża się w próżni, a dla odległego obserwatora wygląda to jak strefa wypełniona cząsteczkami. Efekt tłumaczy się rozciąganiem czasu i przestrzeni. Promieniowanie z dziury zostało po raz pierwszy zidentyfikowane przez Hawkinga, którego nazwę nadano temu zjawisku. Promieniowanie ma temperaturę, która jest odwrotnie proporcjonalna do masy. Im niższa waga obiektu astronomicznego, tym wyższa temperatura (a także gęstość czarnej dziury). Jeśli dziura jest supermasywna lub ma masę porównywalną do gwiazdy, właściwa temperatura jej promieniowania będzie niższa niż mikrofalowe tło. Z tego powodu nie można jej obserwować.
To promieniowanie wyjaśnia utratę danych. To nazwa zjawiska termicznego, które ma jedną wyraźną cechę - temperaturę. Nie ma informacji o procesach powstawania dziur poprzez badanie, ale obiekt, który emituje takie promieniowanie jednocześnie traci masę (a więc rośniegęstość czarnej dziury) jest zmniejszona. Proces nie jest determinowany substancją, z której powstaje dziura, nie zależy od tego, co później zostało do niej zassane. Naukowcy nie potrafią powiedzieć, co stało się podstawą dziury. Co więcej, badania wykazały, że promieniowanie jest procesem nieodwracalnym, czyli takim, który po prostu nie może istnieć w mechanice kwantowej. Oznacza to, że promieniowania nie da się pogodzić z teorią kwantową, a niezgodność wymaga dalszych prac w tym kierunku. Chociaż naukowcy uważają, że promieniowanie Hawkinga powinno zawierać informacje, po prostu nie mamy jeszcze środków, możliwości, aby je wykryć.
Ciekawe: o gwiazdach neutronowych
Jeśli istnieje nadolbrzym, nie oznacza to, że takie ciało astronomiczne jest wieczne. Z biegiem czasu zmienia się, odrzuca warstwy zewnętrzne. Z szczątków mogą wyłonić się białe karły. Druga opcja to gwiazdy neutronowe. Specyficzne procesy są determinowane przez masę jądrową ciała pierwotnego. Jeśli szacuje się, że w granicach 1,4-3 słońca, zniszczeniu nadolbrzyma towarzyszy bardzo wysokie ciśnienie, dzięki któremu elektrony są niejako wciskane w protony. Prowadzi to do powstawania neutronów, emisji neutrin. W fizyce nazywa się to zdegenerowanym gazem neutronowym. Jej ciśnienie jest takie, że gwiazda nie może się dalej kurczyć.
Jednak, jak wykazały badania, prawdopodobnie nie wszystkie gwiazdy neutronowe pojawiły się w ten sposób. Niektóre z nich to pozostałości dużych, które eksplodowały jak druga supernowa.
Promień ciała Tomamniej niż więcej masy. Dla większości waha się od 10 do 100 km. Przeprowadzono badania w celu określenia gęstości czarnych dziur, gwiazd neutronowych. Po drugie, jak wykazały testy, parametr jest stosunkowo zbliżony do atomowego. Konkretne liczby ustalone przez astrofizyków: 10^10 g/cm3.
Ciekawe: teoria i praktyka
Gwiazdy neutronowe przewidywano teoretycznie w latach 60. i 70. ubiegłego wieku. Pulsary zostały odkryte jako pierwsze. Są to małe gwiazdy, których prędkość obrotowa jest bardzo wysoka, a pole magnetyczne jest naprawdę imponujące. Zakłada się, że pulsar dziedziczy te parametry z pierwotnej gwiazdy. Okres rotacji waha się od milisekund do kilku sekund. Pierwsze znane pulsary emitowały okresową emisję radiową. Dziś znane są pulsary o widmie rentgenowskim, promieniowanie gamma.
Opisany proces powstawania gwiazd neutronowych może być kontynuowany - nic nie może go powstrzymać. Jeśli masa jądrowa jest większa niż trzy masy Słońca, wówczas ciało punktowe jest bardzo zwarte, określa się je mianem dziur. Nie będzie możliwe określenie właściwości czarnej dziury o masie większej niż krytyczna. Jeśli część masy zostanie utracona z powodu promieniowania Hawkinga, promień jednocześnie zmniejszy się, więc wartość masy ponownie będzie mniejsza niż wartość krytyczna dla tego obiektu.
Czy dziura może umrzeć?
Naukowcy wysunęli założenia dotyczące istnienia procesów ze względu na udział cząstek i antycząstek. Fluktuacja elementów może spowodować scharakteryzowanie pustej przestrzenizerowy poziom energii, który (to paradoks!) nie będzie równy zeru. Jednocześnie horyzont zdarzeń tkwiący w ciele otrzyma niskoenergetyczne widmo właściwe absolutnemu ciału doskonale czarnemu. Takie promieniowanie spowoduje utratę masy. Horyzont nieznacznie się skurczy. Załóżmy, że istnieją dwie pary cząstki i jej antagonisty. Następuje anihilacja cząstki z jednej pary i jej antagonisty z drugiej. W konsekwencji z dziury wylatują fotony. Druga para proponowanych cząstek wpada do dziury, jednocześnie pochłaniając pewną ilość masy, energii. Stopniowo prowadzi to do śmierci czarnej dziury.
Na zakończenie
Według niektórych czarna dziura to rodzaj kosmicznego odkurzacza. Dziura może połknąć gwiazdę, może nawet „zjeść” galaktykę. Pod wieloma względami wyjaśnienie właściwości dziury, a także cechy jej powstawania, można znaleźć w teorii względności. Wiadomo z niego, że czas jest ciągły, podobnie jak przestrzeń. To wyjaśnia, dlaczego procesów kompresji nie można zatrzymać, są one nieograniczone i nieograniczone.
To są te tajemnicze czarne dziury, nad którymi astrofizycy zastanawiają się od ponad dekady.
