Hipotezu o postojanju crnih rupa prvi je iznio engleski astronom J. Michell 1783. godine na temelju korpuskularne teorije svjetlosti i Newtonove teorije gravitacije. U to su vrijeme jednostavno zaboravljeni Huygensova teorija valova i njegov slavni valni princip. Teoriji valova nije pomogla podrška nekih uglednih znanstvenika, posebno poznatog peterburškog akademika M.V. Lomonosov i L. Euler. Logika razmišljanja koja je dovela Michella do koncepta crne rupe vrlo je jednostavna: ako se svjetlost sastoji od čestica-korpuskula luminifernog etera, tada bi te čestice trebale doživjeti, kao i druga tijela, privlačnost gravitacijskog polja. Posljedično, što je zvijezda (ili planet) masivnija, to bi korpuskule trebale iskusiti veću privlačnost s njene strane i to je teže svjetlosti napustiti površinu takvog tijela.
Daljnja logika sugerira da u prirodi mogu postojati tako masivne zvijezde, čiju gravitaciju korpuskule više ne mogu nadvladati, te će vanjskom promatraču uvijek izgledati crne, iako same mogu sjajiti blistavim sjajem, poput Sunca. Fizički, to znači da druga brzina bijega na površini takve zvijezde ne bi trebala biti manja od brzine svjetlosti. Michellovi proračuni pokazuju da svjetlost nikada neće napustiti zvijezdu ako je njezin radijus pri prosječnoj solarnoj gustoći jednak 500 solarnih. Ovakva zvijezda već se može nazvati crnom rupom.
Nakon 13 godina, francuski matematičar i astronom P.S. Laplace je, najvjerojatnije, neovisno o Michellu, izrazio sličnu hipotezu o postojanju takvih egzotičnih predmeta. Koristeći glomaznu metodu izračuna, Laplace je pronašao polumjer lopte za danu gustoću, na čijoj je površini parabolična brzina jednaka brzini svjetlosti. Prema Laplaceu, korpuskule svjetlosti, kao gravitirajuće čestice, trebale bi biti odgođene masivnim zvijezdama koje emitiraju svjetlost, a imaju gustoću jednaku onoj Zemlje i radijus 250 puta veći od Sunčevog.
Ova Laplaceova teorija bila je uključena samo u prva dva doživotna izdanja njegove poznate knjige "Izlaganje svjetskog sustava", objavljene 1796. i 1799. godine. Da, možda se austrijski astronom F. K. von Zach zainteresirao za Laplaceovu teoriju, objavivši je 1798. pod naslovom “Dokaz teorema da gravitacijska sila teškog tijela može biti tolika da svjetlost ne može istjecati iz njega.”
U ovom trenutku, povijest istraživanja crnih rupa stala 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 ispuštaju svjetlost. Možda su ga zaustavili novi astronomski podaci o nepromjenjivosti veličine aberacije svjetlosti u različitim zvijezdama, koji su bili u suprotnosti s nekim zaključcima njegove teorije, na temelju kojih je temeljio svoje proračune. Ali najvjerojatniji razlog zašto su svi zaboravili na misteriozne hipotetske objekte Michell-Laplacea je trijumf valne teorije svjetlosti, čiji je trijumfalni marš započeo u prvim godinama 19. stoljeća.
Početak ovog trijumfa položilo je Bookerovo predavanje engleskog fizičara T. Younga “Teorija svjetla i boje”, objavljeno 1801., gdje Young hrabro, nasuprot Newtonu i drugim poznatim pristašama korpuskularne teorije (uključujući Laplacea) , iznio je bit valne teorije svjetlosti, rekavši da se emitirana svjetlost sastoji od valnih kretanja luminifernog etera. Laplace je, inspiriran otkrićem polarizacije svjetlosti, počeo “spašavati” korpuskule konstruirajući teoriju dvostrukog loma svjetlosti u kristalima koja se temelji na dvostrukom djelovanju kristalnih molekula na svjetlosne korpuskule. Ali kasniji radovi fizičara O.Zh. Fresnel, F.D. Aragon, J. Fraunhofer i drugi nisu ostavili ni kamen na kamenu od korpuskularne teorije, koje su se ozbiljnije sjetili tek stoljeće kasnije, nakon otkrića kvanta. Sve rasprave o crnim rupama u okviru valne teorije svjetlosti tada su izgledale smiješno.
Nisu se odmah sjetili crnih rupa ni nakon “rehabilitacije” korpuskularne teorije svjetlosti, kada se o njoj počelo govoriti na novoj kvalitativnoj razini zahvaljujući hipotezi o kvantima (1900.) i fotonima (1905.). Crne rupe su po drugi put ponovno otkrivene tek nakon stvaranja Opće teorije relativnosti 1916. godine, kada ih je njemački teorijski fizičar i astronom K. Schwarzschild, nekoliko mjeseci nakon objave Einsteinovih jednadžbi, upotrijebio za proučavanje strukture zakrivljenog prostor-vremena. u blizini Sunca. Na kraju je ponovno otkrio fenomen crnih rupa, ali na dubljoj razini.
Konačno teoretsko otkriće crnih rupa došlo je 1939. godine, kada su Oppenheimer i Snyder napravili prvo eksplicitno rješenje Einsteinovih jednadžbi za opis formiranja crne rupe iz oblaka prašine koji se urušava. Sam pojam “crna rupa” prvi je u znanost uveo američki fizičar J. Wheeler 1968. godine, u godinama brzog oživljavanja interesa za opću relativnost, kozmologiju i astrofiziku, izazvanog dostignućima izvanatmosferskih (osobito, X-ray) astronomija, otkriće kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, pulsara i kvazara.
Crne rupe su možda najmisteriozniji i najzagonetniji astronomski objekti u našem svemiru, od svog otkrića privlače pažnju znanstvenika i raspaljuju maštu pisaca znanstvene fantastike. Što su crne rupe i što one predstavljaju? Crne rupe su izumrle zvijezde koje zbog svojih fizičkih karakteristika imaju tako veliku gustoću i tako snažnu gravitaciju da ni svjetlost ne može pobjeći izvan njih.
Povijest otkrića crnih rupa
Prvi put je teoretsko postojanje crnih rupa, davno prije njihovog stvarnog otkrića, sugerirao izvjesni D. Michel (engleski svećenik iz Yorkshirea, koji se u slobodno vrijeme bavi astronomijom) davne 1783. godine. Prema njegovim proračunima, ako našu uzmemo i sabijemo (modernim računalnim jezikom, arhiviramo) na radijus od 3 km, stvorit će se tako velika (naprosto enormna) gravitacijska sila da je ni svjetlost neće moći napustiti . Tako se pojavio pojam “crna rupa”, iako ona zapravo uopće nije crna, po našem mišljenju bi prikladniji bio termin “tamna rupa” jer dolazi upravo do odsustva svjetlosti.
Kasnije, 1918., veliki znanstvenik Albert Einstein pisao je o problemu crnih rupa u kontekstu. Ali tek je 1967. godine, naporima američkog astrofizičara Johna Wheelera, koncept crnih rupa konačno osvojio mjesto u akademskim krugovima.
Bilo kako bilo, D. Michel, Albert Einstein i John Wheeler u svojim su radovima pretpostavljali samo teoretsko postojanje ovih tajanstvenih nebeskih objekata u svemiru, no pravo otkriće crnih rupa dogodilo se 1971. godine, tada su oni prvi put su primijećeni teleskopom.
Ovako izgleda crna rupa.
Kako nastaju crne rupe u svemiru
Kao što znamo iz astrofizike, sve zvijezde (uključujući naše Sunce) imaju ograničenu zalihu goriva. I premda život zvijezde može trajati milijardama godina, prije ili kasnije ova uvjetna opskrba gorivom dolazi kraju i zvijezda se "ugasi". Proces "blijeđenja" zvijezde popraćen je intenzivnim reakcijama, tijekom kojih zvijezda prolazi kroz značajnu transformaciju i, ovisno o veličini, može se pretvoriti u bijelog patuljka, neutronsku zvijezdu ili crnu rupu. Štoviše, najveće zvijezde, nevjerojatno impresivnih veličina, obično se pretvaraju u crnu rupu - zbog kompresije tih najnevjerojatnijih veličina, dolazi do višestrukog povećanja mase i gravitacijske sile novonastale crne rupe, koja se pretvara u vrsta galaktičkog usisavača - upija sve i svakoga oko sebe.
Crna rupa proguta zvijezdu.
Mala napomena - naše Sunce, prema galaktičkim standardima, uopće nije velika zvijezda i nakon njegovog izumiranja, koje će se dogoditi za otprilike nekoliko milijardi godina, najvjerojatnije se neće pretvoriti u crnu rupu.
Ali budimo iskreni s vama - danas znanstvenici još ne znaju sve zamršenosti nastanka crne rupe; bez sumnje, ovo je izuzetno složen astrofizički proces, koji sam po sebi može trajati milijunima godina. Iako je moguće napredovati u tom smjeru moglo bi biti otkriće i kasnije proučavanje takozvanih intermedijarnih crnih rupa, odnosno zvijezda u stanju izumiranja, u kojima se odvija aktivni proces stvaranja crnih rupa. Inače, sličnu zvijezdu astronomi su otkrili 2014. godine u kraku spiralne galaksije.
Koliko ima crnih rupa u svemiru?
Prema teorijama modernih znanstvenika, u našoj galaksiji Mliječni put moglo bi postojati do stotine milijuna crnih rupa. Možda ih nema ništa manje ni u susjednoj nam galaksiji, do koje se nema čime letjeti iz naše Mliječne staze - 2,5 milijuna svjetlosnih godina.
Teorija crne rupe
Unatoč enormnoj masi (koja je stotinama tisuća puta veća od mase našeg Sunca) i nevjerojatnoj snazi gravitacije, nije bilo lako vidjeti crne rupe kroz teleskop, jer one uopće ne emitiraju svjetlost. Znanstvenici su uspjeli primijetiti crnu rupu samo u trenutku njezina "obroka" - apsorpcije druge zvijezde, u ovom trenutku pojavljuje se karakteristično zračenje, koje se već može promatrati. Tako je teorija crne rupe našla stvarnu potvrdu.
Svojstva crnih rupa
Glavno svojstvo crne rupe su nevjerojatna gravitacijska polja koja ne dopuštaju okolnom prostoru i vremenu da ostanu u svom uobičajenom stanju. Da, dobro ste čuli, vrijeme unutar crne rupe prolazi višestruko sporije nego inače, a da ste bili tamo, onda biste se, kad biste se vratili (da ste imali sreće, naravno), iznenadili primijetivši da su prošla stoljeća na Zemlji, a nisi ni ostario uspio na vrijeme. Iako, budimo iskreni, da ste unutar crne rupe, teško da biste preživjeli, jer je tamo sila gravitacije tolika da bi bilo koji materijalni objekt jednostavno bio raskomadan, čak ni na komadiće, na atome.
Ali da ste čak i blizu crne rupe, pod utjecajem njezina gravitacijskog polja, također biste se teško snašli, jer što se više opirete njezinoj gravitaciji, pokušavajući odletjeti, to biste brže upali u nju. Razlog za ovaj naizgled paradoks je gravitacijsko vrtložno polje koje posjeduju sve crne rupe.
Što ako osoba upadne u crnu rupu
Isparavanje crnih rupa
Engleski astronom S. Hawking otkrio je zanimljivu činjenicu: čini se da i crne rupe emitiraju . Istina, ovo se odnosi samo na rupe relativno male mase. Snažna gravitacija oko njih rađa parove čestica i antičestica, jednu od para uvlači rupa, a drugu izbacuje van. Dakle, crna rupa emitira tvrde antičestice i gama-zrake. Ovo isparavanje ili zračenje crne rupe nazvano je po znanstveniku koji ju je otkrio - “Hawkingovo zračenje”.
Najveća crna rupa
Prema teoriji crnih rupa, u središtu gotovo svih galaksija nalaze se ogromne crne rupe s masama od nekoliko milijuna do nekoliko milijardi solarnih masa. I relativno nedavno, znanstvenici 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 zviježđu Lava, udaljena od nas 320 milijuna svjetlosnih godina. U središtu se nalazi ogromna crna rupa teška 9,7 milijardi solarnih masa.
NGC 4849, galaksija u skupu Coma, udaljena 335 milijuna svjetlosnih godina, može se pohvaliti jednako impresivnom crnom rupom.
Gravitacijsko polje ovih divovskih crnih rupa, ili akademskim rječnikom, njihov horizont događaja, približno je 5 puta udaljeniji od Sunca do ! Takva crna rupa bi pojela naš solarni sustav i ne bi se čak ni ugušila.
Najmanja crna rupa
Ali u ogromnoj obitelji crnih rupa postoje i vrlo mali predstavnici. Dakle, najveća patuljasta crna rupa koju su znanstvenici do sada otkrili ima samo 3 puta veću masu od našeg Sunca. Zapravo, to je teoretski minimum potreban za nastanak crne rupe; da je ta zvijezda malo manja, rupa ne bi nastala.
Crne rupe su kanibali
Da, postoji takav fenomen, kao što smo gore napisali, crne rupe su vrsta "galaktičkih usisavača" 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 znanstvenika, crne rupe nisu samo galaktički usisavači koji sve usisavaju u sebe, već pod određenim okolnostima i same mogu rađati nove svemire.
- Crne rupe mogu ispariti tijekom vremena. Gore smo napisali da je engleski znanstvenik Stephen Hawking otkrio da crne rupe imaju svojstvo zračenja i nakon nekog jako dugog vremenskog perioda, kada okolo više nema ništa što bi moglo apsorbirati, crna rupa će početi više isparavati, sve dok s vremenom ne počne svu svoju masu u okolni prostor. Iako je to samo pretpostavka, hipoteza.
- Crne rupe usporavaju vrijeme i savijaju prostor. Već smo pisali o vremenskoj dilataciji, ali i prostor će u uvjetima crne rupe biti potpuno zakrivljen.
- Crne rupe ograničavaju broj zvijezda u svemiru. Naime, njihova gravitacijska polja sprječavaju hlađenje oblaka plina u svemiru iz kojih se, kao što je poznato, rađaju nove zvijezde.
Crne rupe na Discovery Channelu, video
I za kraj, nudimo vam zanimljiv znanstveni dokumentarac o crnim rupama Discovery Channela
Prilikom pisanja članka nastojao sam ga učiniti što zanimljivijim, korisnijim i kvalitetnijim. Bio bih zahvalan na svakoj povratnoj informaciji i konstruktivnoj kritici u obliku komentara na članak. Svoju želju/pitanje/prijedlog možete napisati i na moj email. [e-mail zaštićen] ili na Facebooku, s poštovanjem autor.
Crne rupe, tamna tvar, tamna tvar... Ovo su nedvojbeno najčudniji i najmisteriozniji objekti u svemiru. Njihova bizarna svojstva mogu dovesti u pitanje zakone fizike svemira, pa čak i prirodu postojeće stvarnosti. Kako biste razumjeli što su crne rupe, znanstvenici predlažu da "promijenite fokus", naučite razmišljati izvan okvira i upotrijebite malo mašte. Crne rupe nastaju iz jezgri super masivnih zvijezda, koje se mogu opisati kao područje svemira u kojem je ogromna masa koncentrirana u praznini, a tamo ništa, čak ni svjetlost, ne može izbjeći gravitacijskom privlačenju. Ovo je područje gdje druga brzina bijega premašuje brzinu svjetlosti: A što je objekt gibanja masivniji, to se brže mora kretati kako bi se oslobodio sile svoje gravitacije. To je poznato kao brzina bijega.
Collier's Encyclopedia crnim rupama naziva područje u svemiru koje nastaje kao posljedica potpunog gravitacijskog kolapsa materije, u kojem je gravitacijska privlačnost toliko jaka da ga ni materija, ni svjetlost, ni drugi nositelji informacija ne mogu napustiti. Stoga unutrašnjost crne rupe nije uzročno povezana s ostatkom svemira; Fizički procesi koji se odvijaju unutar crne rupe ne mogu utjecati na procese izvan nje. Crna rupa okružena je površinom koja ima svojstvo jednosmjerne membrane: materija i zračenje slobodno padaju kroz nju u crnu rupu, ali odatle ništa ne može pobjeći. Ta se površina naziva "horizont događaja".
Povijest otkrića
Crne rupe, predviđene općom teorijom relativnosti (teorijom gravitacije koju je predložio Einstein 1915.) i drugim, modernijim teorijama gravitacije, matematički su potkrijepili R. Oppenheimer i H. Snyder 1939. Ali svojstva prostora i vrijeme u blizini ovih objekata pokazalo se toliko neobičnim, da ih astronomi i fizičari nisu ozbiljno shvaćali 25 godina. Međutim, astronomska otkrića sredinom 1960-ih iznijela su crne rupe na površinu kao moguću fizičku stvarnost. Nova otkrića i studije mogli bi iz temelja promijeniti naše razumijevanje prostora i vremena, bacajući svjetlo na milijarde kozmičkih misterija.
Nastanak crnih rupa
Dok se termonuklearne reakcije odvijaju u utrobi zvijezde, one održavaju visoku temperaturu i tlak, sprječavajući kolaps zvijezde pod utjecajem vlastite gravitacije. Međutim, s vremenom se nuklearno gorivo iscrpi i zvijezda se počne smanjivati. Proračuni pokazuju da ako masa zvijezde ne prelazi tri solarne mase, tada će ona dobiti "bitku s gravitacijom": njezin će gravitacijski kolaps zaustaviti pritisak "degenerirane" materije, a zvijezda će se zauvijek pretvoriti u bijeli patuljak ili neutronska zvijezda. Ali ako je masa zvijezde veća od tri solarna, tada ništa ne može zaustaviti njezin katastrofalni kolaps i brzo će otići ispod horizonta događaja, postajući crna rupa.
Je li crna rupa rupa od krafne?
Ono što ne emitira svjetlost nije lako primijetiti. Jedan od načina traženja crne rupe je traženje regija u svemiru koje imaju veliku masu i nalaze se u mračnom svemiru. Kada su tražili ove vrste objekata, astronomi su ih pronašli u dva glavna područja: u središtima galaksija i u sustavima dvostrukih zvijezda naše Galaksije. Ukupno, kako sugeriraju znanstvenici, postoje deseci milijuna takvih objekata.
Pojam crne rupe poznat je svima - od školaraca do starijih osoba, koristi se u znanstvenoj i fantastičnoj literaturi, u žutim medijima i na znanstvenim konferencijama. Ali što su točno takve rupe nije svima poznato.
Iz povijesti crnih rupa
1783. godine Prvu hipotezu o postojanju takvog fenomena kao što je crna rupa iznio je 1783. godine engleski znanstvenik John Michell. U svojoj teoriji spojio je dvije Newtonove tvorevine – optiku i mehaniku. Michellova ideja bila je sljedeća: ako je svjetlost tok sićušnih čestica, tada bi, kao i sva druga tijela, čestice trebale iskusiti privlačnost gravitacijskog polja. Ispostavilo se da što je zvijezda masivnija, to je svjetlosti teže odoljeti njezinoj privlačnosti. 13 godina nakon Michella, francuski astronom i matematičar Laplace iznio je (vjerojatno neovisno o britanskom kolegi) sličnu teoriju.
1915 Međutim, sva njihova djela ostala su nepotraživana sve do početka 20. stoljeća. Godine 1915. Albert Einstein objavio je Opću teoriju relativnosti i pokazao da je gravitacija zakrivljenost prostorvremena uzrokovana materijom, a nekoliko mjeseci kasnije njemački astronom i teorijski fizičar Karl Schwarzschild njome je riješio određeni astronomski problem. Istraživao je strukturu zakrivljenog prostor-vremena oko Sunca i ponovno otkrio fenomen crnih rupa.
(John Wheeler skovao je izraz "crne rupe")
1967. godine Američki fizičar John Wheeler ocrtao je prostor koji se može poput papira zgužvati u infinitezimalnu točku i označio ga pojmom “crna rupa”.
1974. godine Britanski fizičar Stephen Hawking dokazao je da crne rupe, iako upijaju materiju bez povratka, mogu emitirati zračenje i na kraju ispariti. Ovaj fenomen se naziva "Hawkingovo zračenje".
2013 Najnovija istraživanja pulsara i kvazara, kao i otkriće kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, konačno su omogućila opisivanje samog koncepta crnih rupa. Godine 2013. plinski oblak G2 približio se crnoj rupi i najvjerojatnije će ga ona apsorbirati, a promatranje jedinstvenog procesa pruža ogromne mogućnosti za nova otkrića karakteristika crnih rupa.
(Masivni objekt Strijelac A*, čija je masa 4 milijuna puta veća od Sunca, što implicira skup zvijezda i nastanak crne rupe)
2017. Grupa znanstvenika iz višedržavne kolaboracije Event Horizon Telescope, povezujući osam teleskopa s različitih točaka na Zemljinim kontinentima, promatrala je crnu rupu, koja je supermasivni objekt smješten u galaksiji M87, u zviježđu Djevice. Masa objekta je 6,5 milijardi (!) solarnih masa, gigantski puta veća od masivnog objekta Strijelac A*, za usporedbu, s promjerom nešto manjim od udaljenosti od Sunca do Plutona.
Promatranja su se provodila u nekoliko faza, počevši od proljeća 2017. godine i kroz sva razdoblja 2018. godine. Količina informacija iznosila je petabajte, koje je potom trebalo dešifrirati i dobiti pravu sliku ultra-udaljenog objekta. Stoga su bile potrebne još pune dvije godine da se svi podaci temeljito obrade i objedine u jednu cjelinu.
2019 Podaci su uspješno dešifrirani i prikazani, stvarajući prvu sliku crne rupe ikada.
(Prva slika crne rupe u galaksiji M87 u zviježđu Djevice)
Razlučivost slike omogućuje vam da vidite sjenu točke bez povratka u središtu objekta. Slika je dobivena kao rezultat ultradugih osnovnih interferometrijskih promatranja. Riječ je o takozvanim sinkronim promatranjima jednog objekta s više radioteleskopa koji su međusobno povezani mrežom i nalaze se na različitim dijelovima zemaljske kugle, usmjereni u istom smjeru.
Što su zapravo crne rupe
Lakonsko objašnjenje fenomena glasi ovako.
Crna rupa je prostorno-vremensko područje čija je gravitacijska privlačnost toliko jaka da je niti jedan objekt, uključujući kvante svjetlosti, ne može napustiti.
Crna rupa je nekoć bila masivna zvijezda. Sve dok termonuklearne reakcije održavaju visok tlak u njegovim dubinama, sve ostaje normalno. No, s vremenom se zaliha energije iscrpljuje i nebesko tijelo pod utjecajem vlastite gravitacije počinje se smanjivati. Završna faza ovog procesa je kolaps zvjezdane jezgre i formiranje crne rupe.
- 1. Crna rupa velikom brzinom izbacuje mlaz
- 2. Disk materije prerasta u crnu rupu
- 3. Crna rupa
- 4. Detaljan dijagram područja crne rupe
- 5. Veličina novih pronađenih opažanja
Najčešća teorija je da slični fenomeni postoje u svakoj galaksiji, uključujući središte našeg Mliječnog puta. Ogromna gravitacijska sila rupe može zadržati nekoliko galaksija oko sebe, sprječavajući ih da se udalje jedna od druge. “Područje pokrivenosti” može biti različito, sve ovisi o masi zvijezde koja se pretvorila u crnu rupu, a može iznositi tisuće svjetlosnih godina.
Schwarzschildov radijus
Glavno svojstvo crne rupe je da se svaka tvar koja upadne u nju nikada više ne može vratiti. Isto vrijedi i za svjetlo. U svojoj srži, rupe su tijela koja potpuno apsorbiraju svu svjetlost koja pada na njih i ne emitiraju vlastitu. Takvi objekti mogu vizualno izgledati kao ugrušci apsolutne tame.
- 1. Gibanje tvari upola manje od brzine svjetlosti
- 2. Fotonski prsten
- 3. Unutarnji fotonski prsten
- 4. Horizont događaja u crnoj rupi
Na temelju Einsteinove Opće teorije relativnosti, ako se tijelo približi kritičnoj udaljenosti od središta rupe, više se neće moći vratiti. Ta se udaljenost naziva Schwarzschildov radijus. Što se točno događa unutar tog radijusa nije pouzdano poznato, ali postoji najčešća teorija. Vjeruje se da je sva materija crne rupe koncentrirana u infinitezimalnoj točki, au njenom središtu se nalazi objekt beskonačne gustoće, što znanstvenici nazivaju singularna perturbacija.
Kako dolazi do pada u crnu rupu?
(Na slici crna rupa Sagittarius A* izgleda kao izuzetno svijetla nakupina svjetlosti)
Ne tako davno, 2011. godine, znanstvenici su otkrili oblak plina, dajući mu jednostavno ime G2, koji emitira neobičnu svjetlost. Ovaj sjaj može biti posljedica trenja u plinu i prašini uzrokovanog crnom rupom Sagittarius A*, koja oko nje kruži kao akrecijski disk. Tako postajemo promatrači nevjerojatnog fenomena apsorpcije oblaka plina od strane supermasivne crne rupe.
Prema nedavnim studijama, najbliži pristup crnoj rupi dogodit će se u ožujku 2014. Možemo ponovno stvoriti sliku kako će se ovaj uzbudljivi spektakl odvijati.
- 1. Kada se prvi put pojavi u podacima, oblak plina nalikuje golemoj kugli plina i prašine.
- 2. Sada, od lipnja 2013., oblak je desetke milijardi kilometara udaljen od crne rupe. U njega pada brzinom od 2500 km/s.
- 3. Očekuje se da će oblak proći pokraj crne rupe, ali plimne sile uzrokovane razlikom u gravitaciji koja djeluje na prednje i stražnje rubove oblaka uzrokovat će da poprima sve izduženiji oblik.
- 4. Nakon što se oblak rascijepi, većina će najvjerojatnije teći u akrecijski disk oko Strijelca A*, generirajući u njemu udarne valove. Temperatura će skočiti na nekoliko milijuna stupnjeva.
- 5. Dio oblaka će pasti izravno u crnu rupu. Nitko ne zna točno što će se sljedeće dogoditi s ovom tvari, ali očekuje se da će dok bude padala emitirati snažne struje X-zraka i da se više nikada neće vidjeti.
Video: crna rupa guta oblak plina
(Računalna simulacija koliko bi oblaka plina G2 uništila i potrošila crna rupa Sagittarius A*)
Što je unutar crne rupe
Postoji teorija koja kaže da je crna rupa iznutra praktički prazna, a sva njena masa koncentrirana je u nevjerojatno maloj točki koja se nalazi u njenom samom središtu – singularitetu.
Prema drugoj teoriji, koja postoji već pola stoljeća, sve što upadne u crnu rupu prelazi u drugi svemir 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 rastapa u vibracijama struna na njezinoj površini, koja se označava kao horizont događaja.
Dakle, što je horizont događaja? Nemoguće je pogledati unutar crne rupe čak ni sa super-snažnim teleskopom, jer čak ni svjetlost, koja ulazi u divovski kozmički lijevak, nema šanse da se vrati natrag. Sve što se može barem nekako uzeti u obzir 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. I to je vrlo misteriozna točka bez povratka u crnim rupama Svemira.
Znanstveno razmišljanje ponekad konstruira objekte s tako paradoksalnim svojstvima da ih čak i najpronicljiviji znanstvenici u početku odbijaju prepoznati. Najočitiji primjer u povijesti moderne fizike je dugogodišnji nedostatak interesa za crne rupe, ekstremna stanja gravitacijskog polja predviđena prije gotovo 90 godina. Dugo su ih smatrali čisto teoretskom apstrakcijom, a tek u 1960-ima i 70-ima ljudi su povjerovali u njihovu stvarnost. Međutim, osnovna jednadžba teorije crnih rupa izvedena je prije više od dvjesto godina.
Uvid Johna Michella
Ime Johna Michella, fizičara, astronoma i geologa, profesora na Sveučilištu Cambridge i pastora Anglikanske crkve, potpuno se nezasluženo izgubilo među zvijezdama engleske znanosti 18. stoljeća. Michell je postavio temelje seizmologije - znanosti o potresima, proveo izvrsna istraživanja magnetizma i, davno prije Coulomba, izumio torzijsku vagu koju je koristio za gravimetrijska mjerenja. Godine 1783. pokušao je spojiti dvije velike Newtonove tvorevine – mehaniku i optiku. Newton je svjetlost smatrao strujom sitnih čestica. Michell je predložio da se svjetlosne tvorevine, 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 razmišljao? Topovsko zrno ispaljeno s površine planeta u potpunosti će nadvladati njegovu gravitaciju samo ako njegova početna brzina premašuje ono što se sada zove druga izlazna brzina. Ako je gravitacija planeta toliko jaka da brzina bijega premašuje brzinu svjetlosti, svjetlosne tvorevine oslobođene u zenitu neće moći ići u beskonačnost. Isto će se dogoditi s reflektiranom svjetlošću. Posljedično, planet će biti nevidljiv vrlo udaljenom promatraču. Michell je izračunao kritičnu vrijednost polumjera takvog planeta R cr ovisno o njegovoj masi M svedenoj na masu našeg Sunca M s: R cr = 3 km x M/M s.
John Michell povjerovao je njegovim formulama i pretpostavio 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 Pierre Simon Laplace, koji ga je uključio i u prvo (1796.) i u drugo (1799.) izdanje svog “Izlaganja svjetskog sustava”. Ali treće izdanje objavljeno je 1808., kada je većina fizičara već smatrala svjetlost vibracijama etera. Postojanje "nevidljivih" zvijezda proturječilo je valnoj teoriji svjetlosti, a Laplace je smatrao da je najbolje jednostavno ih ne spominjati. U kasnijim vremenima ova se ideja smatrala kuriozitetom, dostojnim predstavljanja samo u djelima o povijesti fizike.
Schwarzschildov model
U studenom 1915. Albert Einstein objavio je teoriju gravitacije koju je nazvao Opća teorija relativnosti (GR). Ovo je djelo odmah pronašlo zahvalnog čitatelja u osobi njegovog kolege s Berlinske akademije znanosti, Karla Schwarzschilda. Upravo je Schwarzschild prvi u svijetu upotrijebio opću teoriju relativnosti za rješavanje specifičnog astrofizičkog problema, računajući metriku prostor-vrijeme izvan i unutar nerotirajućeg sferičnog tijela (radi specifičnosti nazvat ćemo ga zvijezda).
Iz Schwarzschildovih proračuna proizlazi da gravitacija zvijezde ne iskrivljuje previše Newtonovu strukturu prostora i vremena samo ako je njezin radijus mnogo veći od same vrijednosti koju je izračunao John Michell! Taj se parametar prvo nazivao Schwarzschildov radijus, a sada se naziva gravitacijski radijus. Prema općoj teoriji 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 gravitacijskog polumjera, tada se protok vremena na njezinoj površini usporava za 15%, a prostor dobiva primjetnu zakrivljenost. Kada se prekorači dvostruko, jače se savija, a vrijeme usporava za 41%. Kada se dosegne gravitacijski radijus, vrijeme na površini zvijezde potpuno se zaustavlja (sve frekvencije idu na nulu, zračenje se zamrzava, 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 gravitacijskih radijusa Michella i Schwarzschilda podudaraju, sami modeli nemaju ništa zajedničko. Za Michella se prostor i vrijeme ne mijenjaju, ali svjetlost usporava. Zvijezda čije su dimenzije manje od gravitacijskog radijusa nastavlja svijetliti, ali je vidljiva samo ne tako dalekom promatraču. Za Schwarzschilda je brzina svjetlosti apsolutna, ali struktura prostora i vremena ovisi o gravitaciji. Zvijezda koja je pala pod gravitacijski radijus nestaje za svakog promatrača, bez obzira gdje se on nalazi (točnije, može se otkriti gravitacijskim djelovanjem, ali ne i zračenjem).
Od nevjerice do afirmacije
Schwarzschild i njegovi suvremenici vjerovali su da takvi čudni svemirski objekti ne postoje u prirodi. I sam Einstein ne samo da se držao tog gledišta, već je i pogrešno vjerovao da je svoje mišljenje uspio matematički potkrijepiti.
Tridesetih godina prošlog stoljeća mladi indijski astrofizičar Chandrasekhar dokazao je da zvijezda koja je potrošila svoje nuklearno gorivo odbacuje svoj oklop i pretvara se u bijelog patuljka koji se polako hladi samo ako joj je masa manja od 1,4 Sunčeve mase. Ubrzo je Amerikanac Fritz Zwicky shvatio da eksplozije supernova proizvode iznimno gusta tijela neutronske materije; Kasnije je Lev Landau došao do istog zaključka. Nakon Chandrasekharovog rada, bilo je očito da samo zvijezde s masom većom od 1,4 solarne mase mogu doživjeti takvu evoluciju. Stoga se pojavilo prirodno pitanje: postoji li gornja granica mase supernova koje neutronske zvijezde ostavljaju za sobom?
Krajem 30-ih budući otac američke atomske bombe, Robert Oppenheimer, ustanovio je da takva granica zapravo postoji i da ne prelazi nekoliko solarnih masa. Tada nije bilo moguće dati točniju ocjenu; Sada je poznato da mase neutronskih zvijezda moraju biti u rasponu od 1,5-3 M s. Ali čak i iz grubih izračuna Oppenheimera i njegovog diplomskog studenta Georgea Volkowa, slijedilo je da najmasovniji potomci supernova ne postaju neutronske zvijezde, već se transformiraju u neko drugo stanje. Godine 1939. Oppenheimer i Hartland Snyder upotrijebili su idealizirani model kako bi dokazali da je masivna zvijezda u kolapsu stegnuta na svoj gravitacijski polumjer. Iz njihovih formula zapravo proizlazi da zvijezda tu ne staje, no koautori su se suzdržali od tako radikalnog zaključka.
Konačni odgovor pronađen je u drugoj polovici 20. stoljeća naporima cijele plejade briljantnih teorijskih fizičara, uključujući i sovjetske. Pokazalo se da takav kolaps Stalno sabija zvijezdu “do kraja”, potpuno uništavajući njenu materiju. Kao rezultat toga nastaje singularitet, "superkoncentrat" gravitacijskog polja, zatvoren u infinitezimalnom volumenu. Za stacionarnu rupu to 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 prvi je takav konačni kolaps zvijezda nazvao crnom rupom. Novi izraz zavoljeli su fizičari i oduševili novinare, koji su ga proširili svijetom (iako se Francuzima isprva nije svidio, jer je izraz trou noir sugerirao sumnjive asocijacije).
Tamo, iza horizonta
Crna rupa nije ni materija ni zračenje. Uz malo figurativnosti, možemo reći da se radi o samoodrživom gravitacijskom polju koncentriranom u visoko zakrivljenom području prostor-vremena. Njegovu vanjsku granicu definira zatvorena površina, horizont događaja. Ako zvijezda nije rotirala prije kolapsa, ispostavlja se da je ova površina pravilna kugla, čiji se radijus podudara sa Schwarzschildovim radijusom.
Fizičko značenje horizonta vrlo je jasno. Svjetlosni signal poslan iz njegove vanjske blizine može putovati beskonačno dugo. Ali signali poslani iz unutarnje regije ne samo da neće prijeći horizont, već će neizbježno "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 uvjetima neće izaći.
Očekivano “prema Schwarzschildu”, daleko od horizonta privlačnost rupe je obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti, pa se za udaljenog promatrača ona manifestira kao obično teško tijelo. Osim mase, rupa nasljeđuje moment tromosti kolabirane zvijezde i njen električni naboj. I sve druge karakteristike zvijezde prethodnice (struktura, sastav, spektralna klasa itd.) nestaju u zaboravu.
Pošaljimo sondu u rupu s radio stanicom koja šalje signal jednom u sekundi prema vremenu na brodu. Za udaljenog promatrača, kako se sonda približava horizontu, vremenski intervali između signala će se povećavati - u principu, neograničeno. Čim brod prijeđe nevidljivi horizont, za "prekorupni" svijet će postati potpuno tih. Međutim, ovaj nestanak neće biti bez traga, jer će sonda svoju masu, naboj i moment predati rupi.
Zračenje crne rupe
Svi dosadašnji modeli izgrađeni su isključivo na temelju opće relativnosti. Međutim, našim svijetom upravljaju zakoni kvantne mehanike, koji ne zanemaruju crne rupe. Ovi zakoni nam ne dopuštaju da središnju singularnost smatramo matematičkom točkom. U kvantnom kontekstu, njegov promjer je dan Planck-Wheelerovom duljinom, približno jednakom 10 -33 centimetra. U ovom prostoru običan prostor prestaje postojati. Opće je prihvaćeno da je središte rupe napunjeno raznim topološkim strukturama koje se pojavljuju i umiru u skladu s kvantno probabilističkim zakonima. Svojstva takvog pjenušavog kvaziprostora, koji je Wheeler nazvao kvantnom pjenom, još uvijek su slabo shvaćena.
Prisutnost kvantne singularnosti ima izravan utjecaj na sudbinu materijalnih tijela koja padaju u dubine crne rupe. Kada se približi središtu rupe, bilo koji predmet izrađen od trenutno poznatih materijala bit će zgnječen i rastrgan plimnim silama. Međutim, čak i ako budući inženjeri i tehnolozi stvore neke super-čvrste legure i kompozite sa trenutno neviđenim svojstvima, svi su oni još uvijek osuđeni na nestanak: naposljetku, u zoni singularnosti ne postoji ni uobičajeno vrijeme ni uobičajeni prostor.
Sada pogledajmo horizont rupe kroz kvantno mehaničku leću. Prazan prostor - fizički vakuum - zapravo uopće nije prazan. Zbog kvantnih fluktuacija raznih polja u vakuumu, mnoge se virtualne čestice kontinuirano rađaju i umiru. Budući da je gravitacija u blizini horizonta vrlo jaka, njezine fluktuacije stvaraju iznimno jake gravitacijske udare. Kada se ubrzavaju u takvim poljima, novorođene "virtuale" dobivaju dodatnu energiju i ponekad postaju normalne dugovječne čestice.
Virtualne čestice uvijek se rađaju u parovima koji se kreću u suprotnim smjerovima (to zahtijeva zakon očuvanja količine gibanja). Ako gravitacijska fluktuacija izvuče par čestica iz vakuuma, može se dogoditi da se jedna od njih materijalizira izvan horizonta, a druga (antičestica prve) unutar. "Unutarnja" čestica će pasti u rupu, ali "vanjska" čestica može pobjeći pod povoljnim uvjetima. Kao rezultat toga, rupa postaje izvor zračenja i stoga gubi energiju, a time i masu. Stoga crne rupe načelno nisu stabilne.
Taj se fenomen naziva Hawkingov efekt, prema izvanrednom engleskom teoretskom fizičaru koji ga je otkrio sredinom 1970-ih. Stephen Hawking je, naime, dokazao da horizont crne rupe emitira fotone na isti način kao i 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, njezina 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 njezina veličina postane jednaka Planck-Wheelerovoj duljini, rupa gubi stabilnost i eksplodira, oslobađajući istu energiju kao istovremena eksplozija milijun hidrogenskih bombi od deset megatona. Zanimljivo je da je masa rupe u trenutku nestanka i dalje prilično velika, 22 mikrograma. Prema nekim modelima, rupa ne nestaje bez traga, već za sobom ostavlja stabilan relikt iste mase, takozvani maksimon.
Maksimon je rođen 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 temeljne fizičke konstante - Planckove konstante h, brzine svjetlosti C i gravitacijske konstante G (za one koji vole detalje: da biste to učinili, trebate za množenje h i C, podijelite rezultat s G i izvucite kvadratni korijen). To su ista 22 mikrograma koja se spominju u članku; ta se vrijednost naziva Planckova masa. Iz istih konstanti može se konstruirati veličina s dimenzijom duljine (Planck-Wheelerova duljina iznosi 10 -33 cm) i s dimenzijom vremena (10 -43 s).
Markov je otišao dalje u svom obrazloženju. Prema njegovoj hipotezi, isparavanje crne rupe dovodi do stvaranja "suhog ostatka" - maksimona. Markov je takve strukture nazvao elementarnim crnim rupama. U kojoj mjeri ova teorija odgovara stvarnosti, još je otvoreno pitanje. U svakom slučaju, analozi Markovljevih maksimona oživljeni su u nekim modelima crnih rupa na temelju teorije superstruna.
Dubine prostora
Crne rupe nisu zabranjene zakonima fizike, ali postoje li one u prirodi? Još uvijek nisu pronađeni apsolutno rigorozni dokazi o postojanju barem jednog takvog objekta u svemiru. Međutim, vrlo je vjerojatno da su u nekim binarnim sustavima izvori emisije X-zraka crne rupe zvjezdanog porijekla. Ovo zračenje trebalo bi nastati kao rezultat atmosfere obične zvijezde koju je usisalo gravitacijsko polje susjedne rupe. Kako se plin kreće prema horizontu događaja, postaje vrlo vruć i emitira kvante X-zraka. Najmanje dva tuceta izvora X-zraka sada se smatraju prikladnim kandidatima za ulogu crnih rupa. Štoviše, zvjezdane statistike pokazuju da samo u našoj Galaksiji postoji oko deset milijuna rupa zvjezdanog podrijetla.
Crne rupe također mogu nastati tijekom gravitacijske kondenzacije materije u galaktičkim jezgrama. Tako nastaju gigantske rupe s masom od milijune i milijarde solarnih masa, koje, po svoj prilici, postoje u mnogim galaksijama. Navodno, u središtu Mliječne staze, skrivena oblacima prašine, postoji rupa mase 3-4 milijuna solarnih masa.
Stephen Hawking je došao do zaključka da su crne rupe proizvoljne mase mogle nastati neposredno nakon Velikog praska, koji je iznjedrio naš Svemir. Primarne rupe teške i do milijardu tona već su isparile, ali one teže još se mogu sakriti u dubinama svemira i u dogledno vrijeme pokrenuti kozmički vatromet u obliku snažnih izljeva gama zračenja. Međutim, takve eksplozije do sada nisu primijećene.
Tvornica crnih rupa
Je li moguće ubrzati čestice u akceleratoru do tako velike energije da njihov sraz stvori crnu rupu? Na prvi pogled ova ideja je jednostavno luda – eksplozija rupe uništit će sav život na Zemlji. Štoviše, to je tehnički neizvedivo. Ako je minimalna masa rupe doista 22 mikrograma, tada je u energetskim jedinicama to 10 28 elektron volti. Taj je prag 15 redova veličine veći od mogućnosti najjačeg akceleratora na svijetu, Large Hadron Collider (LHC), koji će biti lansiran u CERN-u 2007. godine.
Međutim, moguće je da je standardna procjena minimalne mase rupe znatno precijenjena. U svakom slučaju, to kažu fizičari, razvijajući teoriju superstruna, koja uključuje i kvantnu teoriju gravitacije (iako daleko od potpune). Prema toj teoriji, prostor nema tri dimenzije, već najmanje devet. Ne primjećujemo dodatne dimenzije jer su zaokružene na tako maloj skali da ih naši instrumenti ne percipiraju. Međutim, gravitacija je sveprisutna, prodire u skrivene dimenzije. U trodimenzionalnom prostoru sila gravitacije obrnuto je proporcionalna kvadratu udaljenosti, a u devetodimenzionalnom prostoru proporcionalna je na osmu potenciju. Stoga, u višedimenzionalnom svijetu, intenzitet gravitacijskog polja raste puno brže kako se udaljenost smanjuje nego u trodimenzionalnom svijetu. U tom se slučaju Planckova duljina višestruko povećava, a minimalna masa rupe naglo pada.
Teorija struna predviđa da se u devetodimenzionalnom prostoru može roditi crna rupa mase samo 10 -20 g. Izračunata relativistička masa protona ubrzanih u superakceleratoru Cern približno je ista. Prema najoptimističnijem scenariju, moći će proizvesti jednu rupu svake sekunde, koja će živjeti oko 10 -26 sekundi. U procesu njegovog isparavanja rađat će se sve vrste elementarnih čestica koje neće biti teško registrirati. Nestanak rupe dovest će do oslobađanja energije, koja nije dovoljna ni za zagrijavanje jednog mikrograma vode za tisućinki stupanj. Stoga postoji nada da će se LHC pretvoriti u tvornicu bezopasnih crnih rupa. Ako su ovi modeli točni, nova generacija orbitalnih detektora kozmičkih zraka moći će otkriti takve rupe.
Sve navedeno vrijedi za stacionarne crne rupe. U međuvremenu, postoje i rotirajuće rupe koje imaju hrpu zanimljivih svojstava. Rezultati teorijske analize zračenja crne rupe također su doveli do ozbiljnog promišljanja pojma entropije, koji također zaslužuje posebnu raspravu. Više o tome u sljedećem broju.