Hipotezu o postojanju crnih rupa prvi je iznio engleski astronom J. Michell 1783. godine na osnovu korpuskularne teorije svjetlosti i Newtonove teorije gravitacije. Tada su Hajgensova talasna teorija i njegov čuveni talasni princip bili jednostavno zaboravljeni. Talasnoj teoriji nije pomogla podrška nekih uglednih naučnika, posebno poznatih peterburških akademika M.V. Lomonosov i L. Euler. Logika rasuđivanja koja je Michella dovela do koncepta crne rupe je vrlo jednostavna: ako se svjetlost sastoji od čestica-teleša luminifernog etra, tada bi te čestice trebale iskusiti, kao i druga tijela, privlačenje iz gravitacionog polja. Posljedično, što je zvijezda (ili planeta) masivnija, to bi tijelo trebalo iskusiti veće privlačenje sa svoje strane i teže je svjetlosti da napusti površinu takvog tijela.
Dalja logika sugerira da u prirodi mogu postojati tako masivne zvijezde, čiju gravitaciju korpuskule više ne mogu savladati, i uvijek će izgledati crne vanjskom promatraču, iako i same mogu blistati blistavim sjajem, poput Sunca. Fizički, to znači da druga izlazna brzina na površini takve zvijezde ne bi trebala biti manja od brzine svjetlosti. Michell-ovi proračuni pokazuju da svjetlost nikada neće napustiti zvijezdu ako je njen polumjer pri prosječnoj sunčevoj gustini jednak 500 solarnih. Ova vrsta zvijezde se već može nazvati crnom rupom.
Nakon 13 godina, francuski matematičar i astronom P.S. Laplace je, najvjerovatnije, nezavisno od Michella, iznio sličnu hipotezu o postojanju takvih egzotičnih objekata. Koristeći glomaznu metodu proračuna, Laplace je pronašao polumjer lopte za datu gustoću, na čijoj je površini parabolična brzina jednaka brzini svjetlosti. Prema Laplaceu, čestice svjetlosti, budući da su gravitirajuće čestice, trebale bi biti odgođene masivnim zvijezdama koje emituju svjetlost, koje imaju gustinu jednaku Zemljinoj, a radijus 250 puta veći od Sunčevog.
Ova Laplasova teorija je uključena samo u prva dva doživotna izdanja njegove čuvene knjige „Izlaganje svetskog sistema“, objavljene 1796. i 1799. godine. Da, možda se austrijski astronom F. K. von Zach zainteresirao za Laplaceovu teoriju, objavivši je 1798. pod naslovom „Dokaz teoreme da gravitacijska sila teškog tijela može biti tolika da svjetlost ne može istjecati iz njega“.
U ovom trenutku, istorija istraživanja crnih rupa zastala je više od 100 godina. Čini se da je sam Laplace tiho napustio tako ekstravagantnu hipotezu, budući da ju je isključio iz svih ostalih doživotnih izdanja svoje knjige, koja je objavljena 1808., 1813. i 1824. godine. Možda Laplace nije želio dalje replicirati gotovo fantastičnu hipotezu o kolosalnim zvijezdama koje ne oslobađaju svjetlost. Možda su ga zaustavili novi astronomski podaci o nepromjenjivosti veličine aberacije svjetlosti u različitim zvijezdama, što je bilo u suprotnosti sa nekim zaključcima njegove teorije, na osnovu kojih je zasnivao svoje proračune. Ali najvjerovatniji razlog zbog kojeg su svi zaboravili na misteriozne hipotetičke objekte Michell-Laplacea je trijumf talasne teorije svjetlosti, čiji je trijumfalni pohod započeo u prvim godinama 19. stoljeća.
Ovaj trijumf je započeo Bookerovim predavanjem engleskog fizičara T. Younga "Teorija svjetlosti i boje", objavljenim 1801., gdje je Young hrabro, suprotno Newtonu i drugim poznatim pristalicama korpuskularne teorije (uključujući Laplacea), iznio suštinu talasne teorije svetlosti, govoreći da se emitovana svetlost sastoji od talasastih kretanja svetlosnog etra. Laplace je, inspiriran otkrićem polarizacije svjetlosti, počeo da "spašava" korpuskule konstruirajući teoriju dvostrukog prelamanja svjetlosti u kristalima zasnovanu na dvostrukom djelovanju kristalnih molekula na svjetlosne čestice. Ali kasniji radovi fizičara O.Zh. Fresnel, F.D. Aragon, J. Fraunhofer i drugi nisu ostavili kamen na kamenu od korpuskularne teorije, koja je ozbiljno zapamćena tek vek kasnije, nakon otkrića kvanta. Sve rasprave o crnim rupama u okviru talasne teorije svjetlosti tada su izgledale smiješno.
Nisu se odmah sjetili crnih rupa ni nakon „rehabilitacije“ korpuskularne teorije svjetlosti, kada su o tome počeli govoriti na novom kvalitativnom nivou zahvaljujući hipotezi o kvantama (1900) i fotonima (1905). Crne rupe su ponovo otkrivene po drugi put tek nakon stvaranja Opće relativnosti 1916. godine, kada ih je njemački teorijski fizičar i astronom K. Schwarzschild, nekoliko mjeseci nakon objavljivanja Ajnštajnovih jednačina, koristio za proučavanje strukture zakrivljenog prostor-vremena. u blizini Sunca. Na kraju je ponovo otkrio fenomen crnih rupa, ali na dubljem nivou.
Konačno teorijsko otkriće crnih rupa došlo je 1939. godine, kada su Oppenheimer i Snyder napravili prvo eksplicitno rješenje Ajnštajnovih jednačina da opisuju formiranje crne rupe iz oblaka prašine koji se urušava. Sam termin "crna rupa" prvi je u nauku uveo američki fizičar J. Wheeler 1968. godine, tokom godina naglog oživljavanja interesovanja za opštu relativnost, kosmologiju i astrofiziku, izazvanog dostignućima ekstra-atmosferskih (posebno, X-ray) astronomija, otkriće kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja, pulsara i kvazara.
Crne rupe su možda najmisteriozniji i najzagonetniji astronomski objekti u našem svemiru; od svog otkrića, privukle su pažnju naučnika i uzbuđuju maštu pisaca naučne fantastike. Šta su crne rupe i šta predstavljaju? Crne rupe su izumrle zvijezde koje zbog svojih fizičkih karakteristika imaju tako veliku gustoću i tako snažnu gravitaciju da čak ni svjetlost ne može pobjeći izvan njih.
Istorija otkrića crnih rupa
Po prvi put, teorijsko postojanje crnih rupa, mnogo prije njihovog stvarnog otkrića, sugerirao je izvjesni D. Michel (engleski svećenik iz Jorkšira, koji se u slobodno vrijeme zanima za astronomiju) još 1783. godine. Prema njegovim proračunima, ako uzmemo našu i sabijemo je (modernim kompjuterskim jezikom, arhiviramo) na radijus od 3 km, formiraće se tako velika (jednostavno ogromna) gravitaciona sila da je čak ni svjetlost neće moći napustiti. . Tako se pojavio koncept “crne rupe”, iako ona zapravo uopće nije crna; po našem mišljenju, termin “tamna rupa” bi bio prikladniji, jer se javlja upravo odsustvo svjetlosti.
Kasnije, 1918. godine, veliki naučnik Albert Ajnštajn pisao je o pitanju crnih rupa u kontekstu. Ali tek 1967. godine, uz napore američkog astrofizičara Johna Wheelera, koncept crnih rupa je konačno osvojio mjesto u akademskim krugovima.
Kako god bilo, D. Michel, Albert Einstein i John Wheeler su u svojim radovima pretpostavljali samo teorijsko postojanje ovih misterioznih nebeskih objekata u svemiru, ali pravo otkriće crnih rupa dogodilo se 1971. godine, tada su prvi put primećeni u teleskopu.
Ovako izgleda crna rupa.
Kako nastaju crne rupe u svemiru
Kao što znamo iz astrofizike, sve zvijezde (uključujući naše Sunce) imaju ograničenu količinu goriva. I iako život zvijezde može trajati milijarde godina, prije ili kasnije ovom uslovnom zalihu goriva dolazi kraj i zvijezda se „ugasi“. Proces "blijedinja" zvijezde praćen je intenzivnim reakcijama, tokom kojih zvijezda prolazi kroz značajnu transformaciju i, ovisno o svojoj veličini, može se pretvoriti u bijelog patuljka, neutronsku zvijezdu ili crnu rupu. Štoviše, najveće zvijezde, nevjerovatno impresivnih veličina, obično se pretvaraju u crnu rupu - zbog kompresije ovih najnevjerovatnijih veličina dolazi do višestrukog povećanja mase i gravitacijske sile novonastale crne rupe, koja se pretvara u crnu rupu. neka vrsta galaktičkog usisivača - upija sve i svakoga oko sebe.
Crna rupa proguta zvijezdu.
Mala napomena - naše Sunce, po galaktičkim standardima, nije nimalo velika zvijezda i nakon njegovog izumiranja, koje će se dogoditi za oko nekoliko milijardi godina, najvjerovatnije se neće pretvoriti u crnu rupu.
Ali budimo iskreni - danas naučnici još ne znaju sve zamršenosti formiranja crne rupe; nesumnjivo je riječ o izuzetno složenom astrofizičkom procesu, koji sam po sebi može trajati milionima godina. Iako je moguće napredovati u ovom pravcu, moglo bi biti otkriće i naknadno proučavanje takozvanih srednjih crnih rupa, odnosno zvijezda u stanju izumiranja, u kojima se odvija aktivni proces stvaranja crnih rupa. Inače, sličnu zvijezdu su astronomi otkrili 2014. godine u kraku spiralne galaksije.
Koliko crnih rupa ima u svemiru?
Prema teorijama modernih naučnika, u našoj galaksiji Mliječni put može postojati i do stotine miliona crnih rupa. Možda ih nema manje ni u našoj susjednoj galaksiji, do koje nema šta da leti iz našeg Mliječnog puta - 2,5 miliona svjetlosnih godina.
Teorija crne rupe
Uprkos ogromnoj masi (koja je stotine hiljada puta veća od mase našeg Sunca) i neverovatnoj snazi gravitacije, nije bilo lako videti crne rupe kroz teleskop, jer one uopšte ne emituju svetlost. Naučnici su uspjeli primijetiti crnu rupu tek u trenutku njenog "obroka" - apsorpcije druge zvijezde, u ovom trenutku se pojavljuje karakteristično zračenje koje se već može primijetiti. Tako je teorija crne rupe našla stvarnu potvrdu.
Svojstva crnih rupa
Glavno svojstvo crne rupe su njena nevjerovatna gravitacijska polja, koja ne dozvoljavaju okolnom prostoru i vremenu da ostanu u svom uobičajenom stanju. Da, dobro ste čuli, vrijeme unutar crne rupe prolazi mnogo puta sporije nego inače, a da ste tamo, onda kada se vratite nazad (da ste imali sreće, naravno), iznenadili biste se kada biste primijetili da su stoljeći prošli na Zemlji, a nisi čak ni ostario i stigao na vrijeme. Iako, budimo iskreni, da ste u crnoj rupi, teško biste preživjeli, jer je tamo sila gravitacije takva da bi se bilo koji materijalni objekt jednostavno raspao, čak ni na komadiće, na atome.
Ali da ste čak i blizu crne rupe, pod uticajem njenog gravitacionog polja, i vama bi bilo teško, jer što se više opirete njenoj gravitaciji, pokušavajući da odletite, brže biste upali u nju. Razlog za ovaj naizgled paradoks je gravitaciono vrtložno polje koje posjeduju sve crne rupe.
Šta ako osoba upadne u crnu rupu
Isparavanje crnih rupa
Engleski astronom S. Hawking otkrio je zanimljivu činjenicu: crne rupe također emituju . Istina, ovo se odnosi samo na rupe relativno male mase. Snažna gravitacija oko njih rađa parove čestica i antičestica, jednu od njih rupa uvlači, a drugu izbacuje. Dakle, crna rupa emituje tvrde antičestice i gama-zrake. Ovo isparavanje ili zračenje iz crne rupe nazvano je po naučniku koji ga je otkrio - "Hawkingovo zračenje".
Najveća crna rupa
Prema teoriji crne rupe, u centru gotovo svih galaksija nalaze se ogromne crne rupe s masama od nekoliko miliona do nekoliko milijardi solarnih masa. I relativno nedavno, naučnici su otkrili dvije najveće crne rupe poznate do danas; one se nalaze u dvije obližnje galaksije: NGC 3842 i NGC 4849.
NGC 3842 je najsjajnija galaksija u sazvežđu Lava, udaljena 320 miliona svetlosnih godina od nas. U njegovom središtu nalazi se ogromna crna rupa teška 9,7 milijardi solarnih masa.
NGC 4849, galaksija u jatu Koma, udaljena 335 miliona svjetlosnih godina, može se pohvaliti jednako impresivnom crnom rupom.
Gravitaciono polje ovih džinovskih crnih rupa, ili akademskim terminima, njihov horizont događaja je otprilike 5 puta veće od udaljenosti od Sunca do ! Takva crna rupa bi pojela naš solarni sistem i čak se ne bi ugušila.
Najmanja crna rupa
Ali u velikoj porodici crnih rupa postoje i vrlo mali predstavnici. Dakle, najveća patuljasta crna rupa koju su naučnici otkrili do danas je samo 3 puta veća od mase našeg Sunca. Zapravo, ovo je teoretski minimum potreban za formiranje crne rupe; da je ta zvijezda nešto manja, rupa se ne bi formirala.
Crne rupe su kanibali
Da, postoji takav fenomen, kao što smo pisali gore, crne rupe su neka vrsta “galaktičkih usisivača” koji upijaju sve oko sebe, uključujući... druge crne rupe. Nedavno su astronomi otkrili da crnu rupu iz jedne galaksije jede još veći crni proždrljivac iz druge galaksije.
- Prema hipotezama nekih naučnika, crne rupe nisu samo galaktički usisivači koji usisavaju sve u sebe, već pod određenim okolnostima i same mogu izroditi nove svemire.
- Crne rupe mogu ispariti tokom vremena. Gore smo pisali da je engleski naučnik Stephen Hawking otkrio da crne rupe imaju svojstvo zračenja i da nakon nekog veoma dugog vremenskog perioda, kada više nema šta da apsorbuje okolo, crna rupa će početi više da isparava, dok vremenom ne da diže svu svoju masu u okolni prostor. Iako je ovo samo pretpostavka, hipoteza.
- Crne rupe usporavaju vrijeme i savijaju prostor. Već smo pisali o dilataciji vremena, ali će i prostor u uslovima crne rupe biti potpuno zakrivljen.
- Crne rupe ograničavaju broj zvijezda u svemiru. Naime, njihova gravitaciona polja sprečavaju hlađenje oblaka gasa u svemiru iz kojih se, kao što je poznato, rađaju nove zvezde.
Crne rupe na Discovery Channelu, video
I na kraju, nudimo vam zanimljiv naučni dokumentarac o crnim rupama sa Discovery Channela
Prilikom pisanja članka trudio sam se da bude što zanimljiviji, korisniji i kvalitetniji. Bio bih zahvalan za svaku povratnu informaciju i konstruktivnu kritiku u obliku komentara na članak. Također možete napisati svoju želju/pitanje/prijedlog na moj email. [email protected] ili na fejsu, iskreno autor.
Crne rupe, tamna materija, tamna materija... Ovo su nesumnjivo najčudniji i najmisteriozniji objekti u svemiru. Njihova bizarna svojstva mogu dovesti u pitanje zakone fizike Univerzuma, pa čak i prirodu postojeće stvarnosti. Da bi razumjeli šta su crne rupe, naučnici predlažu „promjenu fokusa“, učenje razmišljanja izvan okvira i korištenje malo mašte. Crne rupe su formirane iz jezgara supermasivnih zvijezda, koje se mogu opisati kao prostor u kojem je ogromna masa koncentrisana u praznini i ništa, čak ni svjetlost, ne može izbjeći gravitacijskom privlačenju tamo. Ovo je područje u kojem druga brzina bijega premašuje brzinu svjetlosti: I što je objekt kretanja masivniji, mora se brže kretati da bi se oslobodio sile svoje gravitacije. Ovo je poznato kao brzina bijega.
Collier's Encyclopedia crne rupe naziva područjem u svemiru koje nastaje kao rezultat potpunog gravitacionog kolapsa materije, u kojem je gravitacijsko privlačenje toliko snažno da ga ni materija, ni svjetlost, ni drugi nosioci informacija ne mogu napustiti. Stoga, unutrašnjost crne rupe nije uzročno povezana s ostatkom svemira; Fizički procesi koji se dešavaju unutar crne rupe ne mogu uticati na procese izvan nje. Crna rupa je okružena površinom sa svojstvom jednosmjerne membrane: materija i zračenje slobodno padaju kroz nju u crnu rupu, ali odatle ništa ne može pobjeći. Ova površina se zove "horizont događaja".
Istorija otkrića
Crne rupe, predviđene općom teorijom relativnosti (teorija gravitacije koju je predložio Ajnštajn 1915.) i druge, modernije teorije gravitacije, matematički su potkrijepili R. Oppenheimer i H. Snyder 1939. Ali svojstva prostora i vrijeme u blizini ovih objekata pokazalo se toliko neobično, da ih astronomi i fizičari nisu shvaćali ozbiljno 25 godina. Međutim, astronomska otkrića sredinom 1960-ih iznijela su crne rupe na površinu kao moguću fizičku stvarnost. Nova otkrića i studije mogu iz temelja promijeniti naše razumijevanje prostora i vremena, bacajući svjetlo na milijarde kosmičkih misterija.
Formiranje crnih rupa
Dok se termonuklearne reakcije odvijaju u utrobi zvijezde, one održavaju visoku temperaturu i pritisak, sprječavajući da se zvijezda sruši pod utjecajem vlastite gravitacije. Međutim, s vremenom se nuklearno gorivo iscrpljuje, a zvijezda počinje da se smanjuje. Proračuni pokazuju da ako masa zvijezde ne prelazi tri solarne mase, tada će pobijediti u "bitci s gravitacijom": njen gravitacijski kolaps će biti zaustavljen pritiskom "degenerirane" materije, a zvijezda će se zauvijek pretvoriti u bijeli patuljak ili neutronska zvijezda. Ali ako je masa zvijezde veća od tri solarna, onda ništa ne može zaustaviti njen katastrofalni kolaps i ona će brzo otići ispod horizonta događaja, postajući crna rupa.
Da li je crna rupa rupa od krofne?
Ono što ne emituje svetlost nije lako primetiti. Jedan od načina za traženje crne rupe je traženje regija u svemiru koje imaju veliku masu i koje se nalaze u mračnom prostoru. Prilikom traženja ovih vrsta objekata, astronomi su ih pronašli u dva glavna područja: u centrima galaksija i u dvostrukim zvjezdanim sistemima naše Galaksije. Ukupno, kako naučnici sugerišu, postoje desetine miliona takvih objekata.
Koncept crne rupe poznat je svima - od školaraca do starijih osoba, koristi se u naučnoj i fantastičkoj literaturi, u žutim medijima i na naučnim konferencijama. Ali šta su tačno takve rupe nije poznato svima.
Iz istorije crnih rupa
1783 Prvu hipotezu o postojanju takvog fenomena kao što je crna rupa iznio je 1783. engleski naučnik John Michell. U svojoj teoriji on je spojio dvije Newtonove kreacije - optiku i mehaniku. Michellova ideja je bila sljedeća: ako je svjetlost tok sićušnih čestica, tada bi, kao i sva druga tijela, čestice trebale iskusiti privlačenje gravitacionog polja. Ispostavilo se da što je zvijezda masivnija, svjetlosti je teže oduprijeti se njenoj privlačnosti. 13 godina nakon Michella, francuski astronom i matematičar Laplace iznio je (najvjerovatnije nezavisno od svog britanskog kolege) sličnu teoriju.
1915 Međutim, sva njihova djela ostala su nezatražena do početka 20. stoljeća. Godine 1915. Albert Ajnštajn je objavio Opću teoriju relativnosti i pokazao da je gravitacija zakrivljenost prostor-vremena uzrokovana materijom, a nekoliko mjeseci kasnije njemački astronom i teorijski fizičar Karl Schwarzschild ju je iskoristio za rješavanje specifičnog astronomskog problema. Istražio je strukturu zakrivljenog prostor-vremena oko Sunca i ponovo otkrio fenomen crnih rupa.
(John Wheeler je skovao termin "crne rupe")
1967 Američki fizičar John Wheeler ocrtao je prostor koji se može zgužvati, kao komad papira, u beskonačno malu tačku i označio ga terminom "Crna rupa".
1974 Britanski fizičar Stephen Hawking dokazao je da crne rupe, iako apsorbuju materiju bez povratka, mogu emitovati zračenje i na kraju ispariti. Ovaj fenomen se naziva "Hawkingovo zračenje".
2013 Najnovija istraživanja pulsara i kvazara, kao i otkriće kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja, konačno su omogućila da se opiše sam koncept crnih rupa. Godine 2013. plinski oblak G2 došao je vrlo blizu crnoj rupi i najvjerovatnije će biti apsorbiran njome, posmatrajući jedinstveni proces pruža ogromne mogućnosti za nova otkrića karakteristika crnih rupa.
(Masivni objekat Strelac A*, njegova masa je 4 miliona puta veća od Sunca, što implicira jato zvezda i formiranje crne rupe)
2017. Grupa naučnika iz višenacionalne saradnje Event Horizon Telescope, koja povezuje osam teleskopa sa različitih tačaka na Zemljinim kontinentima, primetila je crnu rupu, koja je supermasivni objekat koji se nalazi u galaksiji M87, sazvežđu Djevica. Masa objekta je 6,5 milijardi (!) solarnih masa, gigantski puta veća od masivnog objekta Strelac A*, za poređenje, sa prečnikom nešto manjim od udaljenosti od Sunca do Plutona.
Posmatranja su vršena u nekoliko etapa, počevši od proljeća 2017. godine i kroz periode 2018. godine. Količina informacija iznosila je petabajte, koje je potom trebalo dešifrirati i dobiti pravu sliku ultra-udaljenog objekta. Stoga je trebalo još dvije cijele godine da se svi podaci temeljito obrađuju i objedinjuju u jednu cjelinu.
2019 Podaci su uspješno dešifrovani i prikazani, stvarajući prvu ikada sliku crne rupe.
(Prva ikada slika crne rupe u galaksiji M87 u sazviježđu Djevica)
Rezolucija slike vam omogućava da vidite senku tačke bez povratka u centru objekta. Slika je dobijena kao rezultat ultra-dugih baznih interferometrijskih opservacija. To su takozvana sinhrona osmatranja jednog objekta sa više radioteleskopa međusobno povezanih mrežom i smještenih u različitim dijelovima zemaljske kugle, usmjerenih u istom smjeru.
Šta su crne rupe zapravo
Lakonično objašnjenje fenomena ide ovako.
Crna rupa je prostorno-vremenski region čija je gravitaciona privlačnost toliko jaka da nijedan objekat, uključujući i kvante svetlosti, ne može da je napusti.
Crna rupa je nekada bila ogromna zvijezda. Dokle god termonuklearne reakcije održavaju visok pritisak u svojim dubinama, sve ostaje normalno. Ali s vremenom se zalihe energije iscrpljuju i nebesko tijelo, pod utjecajem vlastite gravitacije, počinje da se smanjuje. Završna faza ovog procesa je kolaps zvjezdanog jezgra i formiranje crne rupe.
- 1. Crna rupa izbacuje mlaz velikom brzinom
- 2. Disk materije izrasta u crnu rupu
- 3. Crna rupa
- 4. Detaljan dijagram regije crne rupe
- 5. Veličina novih pronađenih zapažanja
Najčešća teorija je da slični fenomeni postoje u svakoj galaksiji, uključujući centar našeg Mliječnog puta. Ogromna gravitaciona sila rupe je sposobna da zadrži nekoliko galaksija oko sebe, sprečavajući ih da se udalje jedna od druge. “Površina pokrivenosti” može biti različita, sve zavisi od mase zvijezde koja se pretvorila u crnu rupu, a može biti i hiljadama svjetlosnih godina.
Schwarzschildov radijus
Glavno svojstvo crne rupe je da se bilo koja supstanca koja upadne u nju nikada ne može vratiti. Isto važi i za svetlost. U svojoj osnovi, rupe su tijela koja u potpunosti apsorbiraju svu svjetlost koja pada na njih i ne emituju ništa od sebe. Takvi objekti mogu vizualno izgledati kao ugrušci apsolutne tame.
- 1. Kretanje materije upola manjom brzinom svjetlosti
- 2. Fotonski prsten
- 3. Unutrašnji fotonski prsten
- 4. Horizont događaja u crnoj rupi
Na osnovu Ajnštajnove opšte teorije relativnosti, ako se telo približi kritičnoj udaljenosti od centra rupe, ono više neće moći da se vrati. Ova udaljenost se naziva Schwarzschildov radijus. Šta se tačno dešava unutar ovog radijusa nije poznato sa sigurnošću, ali postoji najčešća teorija. Vjeruje se da je sva materija crne rupe koncentrisana u beskonačno maloj tački, a u njenom središtu se nalazi objekat beskonačne gustine, koji naučnici nazivaju singularnom perturbacijom.
Kako dolazi do pada u crnu rupu?
(Na slici crna rupa Strijelac A* izgleda kao izuzetno svijetlo jato svjetlosti)
Ne tako davno, 2011. godine, naučnici su otkrili oblak gasa, dajući mu jednostavno ime G2, koji emituje neobičnu svjetlost. Ovaj sjaj može biti uzrokovan trenjem u plinu i prašini uzrokovanom crnom rupom Strijelca A*, koja kruži oko nje kao akrecijski disk. Tako postajemo posmatrači nevjerovatnog fenomena apsorpcije oblaka plina supermasivnom crnom rupom.
Prema nedavnim studijama, najbliži pristup crnoj rupi dogodit će se u martu 2014. Možemo ponovo stvoriti sliku kako će se ovaj uzbudljivi spektakl odvijati.
- 1. Kada se prvi put pojavi u podacima, oblak gasa podseća na ogromnu loptu gasa i prašine.
- 2. Sada, od juna 2013. godine, oblak je desetinama milijardi kilometara udaljen od crne rupe. U njega pada brzinom od 2500 km/s.
- 3. Očekuje se da će oblak proći pored crne rupe, ali plimne sile uzrokovane razlikom u gravitaciji koje djeluju na prednju i stražnju ivicu oblaka dovešće do toga da on poprimi sve izduženiji oblik.
- 4. Nakon što se oblak razbije, većina će se najvjerovatnije sliti u akrecijski disk oko Strijelca A*, stvarajući u njemu udarne talase. Temperatura će skočiti na nekoliko miliona stepeni.
- 5. Dio oblaka će pasti direktno u crnu rupu. Niko ne zna tačno šta će se sledeće desiti sa ovom supstancom, ali se očekuje da će kako padne emitovati snažne tokove rendgenskih zraka i da se više nikada neće videti.
Video: crna rupa proguta oblak gasa
(Kompjuterska simulacija koliko bi oblaka gasa G2 uništila i potrošila crna rupa Sagittarius A*)
Šta je unutar crne rupe
Postoji teorija koja kaže da je crna rupa iznutra praktično prazna, a sva njena masa koncentrisana je u neverovatno maloj tački koja se nalazi u samom njenom centru - singularitetu.
Prema drugoj teoriji, koja postoji već pola veka, sve što upadne u crnu rupu prelazi u drugi univerzum koji se nalazi u samoj crnoj rupi. Sada ova teorija nije glavna.
A postoji i treća, najmodernija i najžilavija teorija, prema kojoj se sve što upadne u crnu rupu rastvara u vibracijama žica na njenoj površini, koja je označena kao horizont događaja.
Dakle, šta je horizont događaja? Nemoguće je pogledati u crnu rupu čak ni super-moćnim teleskopom, jer čak i svjetlost, koja ulazi u džinovski kosmički lijevak, nema šanse da se vrati. Sve što se može bar nekako razmotriti nalazi se u njegovoj neposrednoj blizini.
Horizont događaja je konvencionalna površinska linija ispod koje ništa (ni plin, ni prašina, ni zvijezde, ni svjetlost) ne može pobjeći. A ovo je vrlo misteriozna tačka bez povratka u crne rupe Univerzuma.
Naučno mišljenje ponekad konstruiše objekte sa takvim paradoksalnim svojstvima da čak i najpronicljiviji naučnici u početku odbijaju da ih prepoznaju. Najočigledniji primjer u istoriji moderne fizike je dugotrajno nezainteresovanost za crne rupe, ekstremna stanja gravitacionog polja predviđena prije skoro 90 godina. Dugo su se smatrali čisto teorijskom apstrakcijom, a tek su 1960-ih i 70-ih ljudi vjerovali u njihovu stvarnost. Međutim, osnovna jednadžba teorije crne rupe izvedena je prije više od dvije stotine godina.
Uvid Johna Michella
Ime Džona Mičela, fizičara, astronoma i geologa, profesora na Univerzitetu Kembridž i pastora Anglikanske crkve, potpuno je nezasluženo izgubljeno među zvezdama engleske nauke 18. veka. Michell je postavio temelje seizmologije - nauke o potresima, sproveo izvrsna istraživanja magnetizma i mnogo prije Coulomba izumio torzionu vagu koju je koristio za gravimetrijska mjerenja. 1783. pokušao je spojiti dvije velike Njutnove kreacije - mehaniku i optiku. Newton je svjetlost smatrao strujom sićušnih čestica. Michell je sugerirao da se svjetlosna tijela, poput obične materije, pokoravaju zakonima mehanike. Posljedica ove hipoteze pokazala se vrlo netrivijalnom - nebeska tijela mogu se pretvoriti u zamke za svjetlost.
Kako je Michell zaključio? Topovska kugla ispaljena sa površine planete će u potpunosti savladati njenu gravitaciju samo ako njena početna brzina premašuje ono što se sada naziva drugom brzinom bijega. Ako je gravitacija planete toliko jaka da brzina bijega premašuje brzinu svjetlosti, svjetlosna tijela oslobođena u zenitu neće moći ići u beskonačnost. Isto će se desiti i sa reflektovanom svetlošću. Shodno tome, planeta će biti nevidljiva za veoma udaljenog posmatrača. Michell je izračunao kritičnu vrijednost radijusa takve planete R cr u zavisnosti od njene mase M svedene na masu našeg Sunca M s: R cr = 3 km x M/M s.
John Michell je vjerovao u njegove formule i pretpostavio je da dubine svemira kriju mnoge zvijezde koje se sa Zemlje ne mogu vidjeti nikakvim teleskopom. Kasnije je do istog zaključka došao veliki francuski matematičar, astronom i fizičar Pjer Simon Laplas, koji ga je uključio i u prvo (1796.) i drugo (1799.) izdanje svog „Izlaganja svetskog sistema“. Ali treće izdanje objavljeno je 1808. godine, kada je većina fizičara već smatrala svjetlost vibracijama etra. Postojanje “nevidljivih” zvijezda bilo je u suprotnosti s valovnom teorijom svjetlosti, a Laplace je smatrao da je najbolje da ih jednostavno ne spominje. U kasnijim vremenima ova ideja se smatrala kuriozitetom, vrednom predstavljanja samo u radovima iz istorije fizike.
Schwarzschild model
U novembru 1915. Albert Ajnštajn je objavio teoriju gravitacije, koju je nazvao opšta teorija relativnosti (GR). Ovo djelo je odmah pronašlo zahvalnog čitaoca u liku njegovog kolege s Berlinske akademije nauka, Karla Schwarzschilda. Schwarzschild je bio prvi u svijetu koji je koristio opštu relativnost za rješavanje specifičnog astrofizičkog problema, računajući prostorno-vremensku metriku izvan i unutar nerotirajućeg sfernog tijela (za specifičnost, nazvat ćemo ga zvijezdom).
Iz Schwarzschildovih proračuna slijedi da gravitacija zvijezde ne iskrivljuje previše Njutnovsku strukturu prostora i vremena samo ako je njen polumjer mnogo veći od same vrijednosti koju je izračunao John Michell! Ovaj parametar je prvo nazvan Schwarzschildov radijus, a sada se naziva gravitacijski radijus. Prema općoj relativnosti, gravitacija ne utječe na brzinu svjetlosti, ali smanjuje frekvenciju svjetlosnih vibracija u istom omjeru kao što usporava vrijeme. Ako je polumjer zvijezde 4 puta veći od gravitacionog radijusa, tada se tok vremena na njenoj površini usporava za 15%, a prostor dobiva primjetnu zakrivljenost. Kada se prekorači dva puta, jače se savija, a vrijeme se usporava za 41%. Kada se dostigne gravitacijski radijus, vrijeme na površini zvijezde potpuno prestaje (sve frekvencije idu na nulu, zračenje se smrzava, a zvijezda se gasi), ali je zakrivljenost prostora tamo i dalje konačna. Daleko od zvijezde, geometrija i dalje ostaje euklidska, a vrijeme ne mijenja svoju brzinu.
Unatoč činjenici da se vrijednosti gravitacionog radijusa Michell-a i Schwarzschilda poklapaju, sami modeli nemaju ništa zajedničko. Za Michella se prostor i vrijeme ne mijenjaju, ali se svjetlost usporava. Zvezda čije su dimenzije manje od njenog gravitacionog radijusa nastavlja da sija, ali je vidljiva samo ne tako udaljenom posmatraču. Za Schwarzschilda je brzina svjetlosti apsolutna, ali struktura prostora i vremena ovisi o gravitaciji. Zvijezda koja je pala pod gravitacijski radijus nestaje za svakog posmatrača, bez obzira gdje se nalazi (tačnije, može se otkriti gravitacijskim efektima, ali ne i zračenjem).
Od neverice do potvrde
Schwarzschild i njegovi suvremenici vjerovali su da takvi čudni svemirski objekti ne postoje u prirodi. Sam Ajnštajn ne samo da se držao ove tačke gledišta, već je i pogrešno verovao da je uspeo da svoje mišljenje potkrepi matematički.
1930-ih, mladi indijski astrofizičar Chandrasekhar dokazao je da zvijezda koja je potrošila svoje nuklearno gorivo odbacuje svoju školjku i pretvara se u bijelog patuljka koji se polako hladi samo ako je njena masa manja od 1,4 solarne mase. Ubrzo je Amerikanac Fritz Zwicky shvatio da eksplozije supernove proizvode izuzetno gusta tijela neutronske materije; Kasnije je Lev Landau došao do istog zaključka. Nakon Chandrasekharovog rada, bilo je očigledno da samo zvijezde s masom većom od 1,4 solarne mase mogu proći takvu evoluciju. Stoga se postavilo prirodno pitanje: postoji li gornja granica mase supernove koju neutronske zvijezde ostavljaju za sobom?
Krajem 30-ih, budući otac američke atomske bombe, Robert Openheimer, ustanovio je da takva granica zapravo postoji i da ne prelazi nekoliko solarnih masa. Tada nije bilo moguće dati precizniju procjenu; Sada je poznato da mase neutronskih zvijezda moraju biti u rasponu od 1,5-3 M s. Ali čak i iz grubih proračuna Openheimera i njegovog diplomiranog studenta Georgea Volkowa, proizilazilo je da najmasovniji potomci supernova ne postaju neutronske zvijezde, već se pretvaraju u neko drugo stanje. Godine 1939. Oppenheimer i Hartland Snyder su koristili idealizirani model kako bi dokazali da je masivna zvijezda u kolapsu skupljena na svoj gravitacijski radijus. Iz njihovih formula zapravo proizlazi da zvijezda tu ne staje, ali su se koautori suzdržali od tako radikalnog zaključka.
Konačan odgovor nađen je u drugoj polovini 20. vijeka trudom čitave plejade briljantnih teorijskih fizičara, uključujući i sovjetske. Ispostavilo se da je takav kolaps Uvijek stisne zvijezdu "do kraja", potpuno uništavajući njenu materiju. Kao rezultat, javlja se singularitet, "superkoncentrat" gravitacionog polja, zatvoren u beskonačno malom volumenu. Za stacionarnu rupu ovo je točka, za rotirajuću rupu to je prsten. Zakrivljenost prostor-vremena i, prema tome, sila gravitacije u blizini singulariteta teži beskonačnosti. Krajem 1967. američki fizičar John Archibald Wheeler bio je prvi koji je takav konačni kolaps zvijezde nazvao crnom rupom. Novi termin zavoljeli su fizičari i oduševili novinare, koji su ga proširili svijetom (iako se Francuzima u početku nije svidio, jer je izraz trou noir upućivao na sumnjive asocijacije).
Tamo, iza horizonta
Crna rupa nije ni materija ni radijacija. Uz određenu figurativnost, možemo reći da je ovo samoodrživo gravitacijsko polje koncentrisano u visoko zakrivljenom području prostor-vremena. Njegova vanjska granica definirana je zatvorenom površinom, horizontom događaja. Ako se zvijezda nije rotirala prije kolapsa, ispada da je ova površina pravilna sfera, čiji se radijus poklapa sa Schwarzschildovim polumjerom.
Fizičko značenje horizonta je vrlo jasno. Svjetlosni signal poslan iz njegove vanjske blizine može putovati na beskonačno veliku udaljenost. Ali signali koji se šalju iz unutrašnjeg regiona ne samo da neće preći horizont, već će neizbežno „pasti“ u singularnost. Horizont je prostorna granica između događaja koji mogu postati poznati zemaljskim (i bilo kojim drugim) astronomima i događaja o kojima informacije ni pod kojim okolnostima neće izaći.
Kako se i očekivalo "prema Schwarzschildu", daleko od horizonta privlačenje rupe je obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti, pa se za udaljenog posmatrača manifestira kao obično teško tijelo. Osim mase, rupa nasljeđuje moment inercije kolapsirane zvijezde i njen električni naboj. A sve ostale karakteristike zvijezde prethodnice (struktura, sastav, spektralna klasa, itd.) blijede u zaborav.
Pošaljimo sondu do rupe sa radio stanicom koja šalje signal jednom u sekundi prema vremenu na brodu. Za udaljenog posmatrača, kako se sonda približava horizontu, vremenski intervali između signala će se povećavati - u principu, neograničeno. Čim brod pređe nevidljivi horizont, postat će potpuno tih za svijet “nad-rupa”. Međutim, ovaj nestanak neće ostati bez traga, jer će sonda predati svoju masu, naboj i moment rupi.
Zračenje crne rupe
Svi prethodni modeli izgrađeni su isključivo na bazi opšte teorije relativnosti. Međutim, našim svijetom upravljaju zakoni kvantne mehanike, koji ne zanemaruju crne rupe. Ovi zakoni nam ne dozvoljavaju da centralnu singularnost razmotrimo kao matematičku tačku. U kvantnom kontekstu, njegov prečnik je dat Planck-Wheeler-ovom dužinom, približno jednakim 10 -33 centimetra. U ovoj oblasti običan prostor prestaje da postoji. Općenito je prihvaćeno da je središte rupe ispunjeno raznim topološkim strukturama koje se pojavljuju i umiru u skladu s kvantnim vjerojatnostnim zakonima. Osobine takvog kvazi-prostora, koji je Wheeler nazvao kvantna pjena, još uvijek su slabo shvaćena.
Prisustvo kvantne singularnosti ima direktan uticaj na sudbinu materijalnih tijela koja padaju u dubine crne rupe. Kada se približi centru rupe, bilo koji predmet napravljen od trenutno poznatih materijala bit će zgnječen i rastrgan plimskim silama. Međutim, čak i ako budući inženjeri i tehnolozi stvore neke super-jake legure i kompozite sa trenutno neviđenim svojstvima, svi su oni i dalje osuđeni na nestanak: uostalom, u zoni singulariteta nema ni uobičajenog vremena ni uobičajenog prostora.
Pogledajmo sada horizont rupe kroz kvantno mehaničko sočivo. Prazan prostor – fizički vakuum – zapravo uopšte nije prazan. Zbog kvantnih fluktuacija različitih polja u vakuumu, mnoge virtuelne čestice se kontinuirano rađaju i umiru. Budući da je gravitacija blizu horizonta veoma jaka, njene fluktuacije stvaraju izuzetno jake gravitacione eksplozije. Kada se ubrzavaju u takvim poljima, novorođeni "virtuali" dobijaju dodatnu energiju i ponekad postaju normalne dugovječne čestice.
Virtuelne čestice se uvijek rađaju u parovima koji se kreću u suprotnim smjerovima (ovo zahtijeva zakon održanja impulsa). Ako gravitaciona fluktuacija izvuče par čestica iz vakuuma, može se dogoditi da se jedna od njih materijalizuje izvan horizonta, a druga (antičestica prve) unutra. “Unutrašnja” čestica će pasti u rupu, ali “spoljašnja” čestica može pobjeći pod povoljnim uvjetima. Kao rezultat, rupa postaje izvor zračenja i stoga gubi energiju, a time i masu. Stoga crne rupe u principu nisu stabilne.
Ovaj fenomen se zove Hawkingov efekat, po izvanrednom engleskom teoretskom fizičaru koji ga je otkrio sredinom 1970-ih. Stephen Hawking je posebno dokazao da horizont crne rupe emituje fotone na isti način kao apsolutno crno tijelo zagrijano na temperaturu od T = 0,5 x 10 -7 x M s /M. Iz toga slijedi da kako rupa postaje tanja, njena temperatura raste, a „isparavanje“ se prirodno pojačava. Ovaj proces je izuzetno spor, a životni vijek rupe mase M je oko 10 65 x (M/M s) 3 godine. Kada njena veličina postane jednaka dužini Planck-Wheeler-a, rupa gubi stabilnost i eksplodira, oslobađajući istu energiju kao i istovremena eksplozija milion hidrogenskih bombi od deset megatona. Zanimljivo je da je masa rupe u trenutku njenog nestanka još uvijek prilično velika, 22 mikrograma. Prema nekim modelima, rupa ne nestaje bez traga, već za sobom ostavlja stabilan relikt iste mase, takozvani maximon.
Maximon rođen je prije 40 godina - kao pojam i kao fizička ideja. Godine 1965. akademik M.A. Markov je sugerirao da postoji gornja granica mase elementarnih čestica. Predložio je da se ova granična vrijednost smatra dimenzijom mase, koja se može kombinirati iz tri fundamentalne fizičke konstante - Planckove konstante h, brzine svjetlosti C i gravitacijske konstante G (za one koji vole detalje: da biste to učinili, trebate da pomnožite h i C, podijelite rezultat sa G i izvucite kvadratni korijen). To je istih 22 mikrograma koji se spominju u članku; ova vrijednost se zove Planckova masa. Iz istih konstanti se može konstruisati veličina sa dimenzijom dužine (Planck-Wheeler dužina izlazi 10 -33 cm) i sa dimenzijom vremena (10 -43 sec).
Markov je otišao dalje u svom rasuđivanju. Prema njegovoj hipotezi, isparavanje crne rupe dovodi do stvaranja "suvog ostatka" - maksimona. Markov je takve strukture nazvao elementarnim crnim rupama. U kojoj mjeri ova teorija odgovara stvarnosti, još uvijek je otvoreno pitanje. U svakom slučaju, analozi Markovljevih maksimona oživljeni su u nekim modelima crnih rupa zasnovanim na teoriji superstruna.
Dubina prostora
Crne rupe nisu zabranjene zakonima fizike, ali postoje li u prirodi? Apsolutno rigorozni dokazi o prisutnosti barem jednog takvog objekta u svemiru još uvijek nisu pronađeni. Međutim, vrlo je vjerovatno da su u nekim binarnim sistemima izvori rendgenske emisije crne rupe zvjezdanog porijekla. Ovo zračenje bi trebalo nastati kao rezultat atmosfere obične zvijezde koju usisava gravitacijsko polje susjedne rupe. Kako se gas kreće prema horizontu događaja, postaje veoma vruć i emituje kvante rendgenskih zraka. Najmanje dva tuceta izvora rendgenskih zraka sada se smatraju pogodnim kandidatima za ulogu crnih rupa. Štaviše, zvjezdane statistike sugeriraju da samo u našoj galaksiji postoji oko deset miliona rupa zvjezdanog porijekla.
Crne rupe se takođe mogu formirati tokom gravitacione kondenzacije materije u galaktičkim jezgrama. Tako nastaju gigantske rupe sa masom od miliona i milijardi solarnih masa, koje, po svoj prilici, postoje u mnogim galaksijama. Očigledno, u centru Mliječnog puta, skrivena oblacima prašine, postoji rupa s masom od 3-4 miliona solarnih masa.
Stephen Hawking je došao do zaključka da su se crne rupe proizvoljne mase mogle roditi odmah nakon Velikog praska, koji je doveo do našeg Univerzuma. Primarne rupe teške i do milijardu tona su već isparile, ali one teže se još mogu sakriti u dubinama svemira i s vremenom pokrenuti kosmički vatromet u vidu snažnih rafala gama zračenja. Međutim, takve eksplozije do sada nikada nisu primijećene.
Fabrika crnih rupa
Da li je moguće ubrzati čestice u akceleratoru do tako velike energije da njihov sudar stvara crnu rupu? Na prvi pogled, ova ideja je jednostavno luda - eksplozija rupe uništit će sav život na Zemlji. Štaviše, to je tehnički neizvodljivo. Ako je minimalna masa rupe zaista 22 mikrograma, onda je u energetskim jedinicama 10 28 elektron-volti. Ovaj prag je 15 redova veličine veći od mogućnosti najmoćnijeg akceleratora na svijetu, Velikog hadronskog sudarača (LHC), koji će biti lansiran u CERN-u 2007. godine.
Međutim, moguće je da je standardna procjena minimalne mase rupe značajno precijenjena. U svakom slučaju, to kažu fizičari, razvijajući teoriju superstruna, koja uključuje kvantnu teoriju gravitacije (iako daleko od potpune). Prema ovoj teoriji, prostor nema tri dimenzije, već najmanje devet. Ne primjećujemo dodatne dimenzije jer su zapetljane na tako maloj skali da ih naši instrumenti ne percipiraju. Međutim, gravitacija je sveprisutna, ona prodire u skrivene dimenzije. U trodimenzionalnom prostoru, sila gravitacije je obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti, a u deveto dimenzionalnom prostoru proporcionalna je osmoj potenciji. Stoga, u multidimenzionalnom svijetu, intenzitet gravitacionog polja raste mnogo brže kako se udaljenost smanjuje nego u trodimenzionalnom svijetu. U ovom slučaju, Planckova dužina se povećava mnogo puta, a minimalna masa rupe naglo opada.
Teorija struna predviđa da se u devetodimenzionalnom prostoru može roditi crna rupa mase od samo 10 -20 g. Izračunata relativistička masa protona ubrzanih u Cern superakceleratoru je približno ista. Prema najoptimističnijem scenariju, moći će da proizvede jednu rupu svake sekunde, koja će živjeti oko 10 -26 sekundi. U procesu njegovog isparavanja rađaće se sve vrste elementarnih čestica koje neće biti teško registrovati. Nestanak rupe dovešće do oslobađanja energije, koja nije dovoljna ni za zagrevanje jednog mikrograma vode za hiljaditi deo stepena. Stoga postoji nada da će se LHC pretvoriti u fabriku bezopasnih crnih rupa. Ako su ovi modeli ispravni, tada će detektori orbitalnih kosmičkih zraka nove generacije moći detektirati takve rupe.
Sve navedeno se odnosi na stacionarne crne rupe. U međuvremenu, postoje i rotirajuće rupe koje imaju gomilu zanimljivih svojstava. Rezultati teorijske analize zračenja crne rupe doveli su i do ozbiljnog promišljanja pojma entropije, što takođe zaslužuje posebnu raspravu. Više o tome u sljedećem broju.