Av alle de hypotetiske objektene i universet som er forutsagt av vitenskapelige teorier, gjør sorte hull det mest uhyggelige inntrykket. Og selv om antakelser om deres eksistens begynte å komme til uttrykk nesten halvannet århundre før Einsteins publisering av generell relativitet, ble overbevisende bevis på virkeligheten i deres eksistens innhentet ganske nylig.
La oss begynne med å se på hvordan generell relativitet adresserer spørsmålet om tyngdekraften. Newtons tyngdelov sier at en kraft av gjensidig tiltrekning virker mellom to massive organer i universet. På grunn av denne gravitasjonsattraksjonen kretser jorden rundt sola. Generell relativitet tvinger oss til å se på Sun-Earth-systemet annerledes. I følge denne teorien, i nærvær av et så massivt himmellegeme som solen, er rom-tid som perforert perforert under sin vekt, og enhetens vev blir forstyrret. Se for deg en elastisk trampoline med en tung ball (for eksempel fra en bowlinghall) som hviler på den. Det strukede stoffet bøyer seg under vekten, og skaper et vakuum rundt det. På samme måte skyver solen romtid rundt seg selv.
I følge dette bildet ruller jorden ganske enkelt rundt den dannede trakten (bortsett fra at en liten ball som ruller rundt en tung en på en trampoline uunngåelig vil miste hastigheten og spiralen nærmere en stor en). Og det vi vanligvis oppfatter som tyngdekraften i vårt daglige liv, er heller ikke noe mer enn en endring i geometrien til rom-tid, og ikke en styrke i Newtons forståelse. Til dags dato har det ikke blitt funnet noen mer vellykket forklaring på tyngdekraften enn den generelle relativitetsteorien.
Tenk deg hva som vil skje hvis vi - innenfor rammen av det foreslåtte bildet - øker og øker massen til en tung ball uten å øke dens fysiske størrelse? Trakten blir helt elastisk og vil dypere til overkantene samler seg et sted høyt over den helt tunge ballen, og så slutter den ganske enkelt å eksistere når den sees fra overflaten. I det virkelige universet, etter å ha samlet en tilstrekkelig masse og tetthet av materie, smeller en gjenstand en rom-tid felle rundt seg selv, stoffet fra rom-tid lukkes, og den mister forbindelsen med resten av universet og blir usynlig for det. Slik ser et svart hull ut.
Schwarzschild og hans samtidige mente at slike rare romobjekter ikke eksisterte i naturen. Einstein selv holdt ikke bare dette synspunktet, men mente også feilaktig at han hadde lyktes med å underbygge sin mening matematisk.
På 1930-tallet beviste den unge indiske astrofysikeren Chandrasekhar at en stjerne som brukte sitt kjernebrensel kaster skallet sitt og blir til en langsomt avkjølende hvit dverg bare hvis massen er mindre enn 1,4 ganger solens masse. Snart innså amerikanske Fritz Zwicky at supernovaeksplosjoner produserer ekstremt tette kropper med nøytronstoff; senere kom Lev Landau til den samme konklusjonen. Etter arbeidet med Chandrasekhar var det åpenbart at bare stjerner med en masse på mer enn 1,4 solmasser kan gjennomgå en slik utvikling. Derfor oppsto et naturlig spørsmål - er det en øvre massegrense for supernovaer som etterlater nøytronstjerner?
På slutten av 1930-tallet slo den fremtidige faren til den amerikanske atombomben, Robert Oppenheimer, fast at det virkelig er en slik grense og ikke overstiger flere solmasser. Det var da ikke mulig å gi en mer nøyaktig vurdering; Det er nå kjent at massene av nøytronstjerner må ligge i området 1,5-3 Ms. Men selv fra de omtrentlige beregningene av Oppenheimer og hans doktorgradsstudent George Volkov fulgte det at de mest massive etterkommerne av supernovaene ikke blir nøytronstjerner, men går inn i en annen tilstand. I 1939 beviste Oppenheimer og Hartland Snyder, ved bruk av en idealisert modell, at en massiv kollapsende stjerne trekker seg sammen med gravitasjonsradiusen. Av formlene deres følger det faktisk at stjernen ikke stopper der, men medforfatterne avsto fra en så radikal konklusjon.
Salgsfremmende video:
1911-09-07 - 2008-13-04.
Det endelige svaret ble funnet i andre halvdel av 1900-tallet gjennom innsatsen til en hel galakse av strålende teoretiske fysikere, inkludert sovjetiske. Det viste seg at en slik kollaps alltid komprimerer stjernen "hele veien", og ødelegger stoffet fullstendig. Som et resultat oppstår en singularitet, et "superkonsentrat" av gravitasjonsfeltet, lukket i et uendelig lite volum. For et stasjonært hull er dette et punkt, for en roterende, en ring. Romtidens krumning og følgelig tyngdekraften nær singulariteten har en tendens til uendelig. På slutten av 1967 var den amerikanske fysikeren John Archibald Wheeler den første som kalte en slik siste stjernekollaps et svart hull. Det nye begrepet ble forelsket i fysikere og gledet journalister som spredte det verden rundt (selv om franskmennene ikke likte det med det første, siden uttrykket trou noir antydet tvilsomme assosiasjoner).
Den viktigste egenskapen til et svart hull er at uansett hva som kommer inn i det, vil det ikke komme tilbake. Dette gjelder til og med lys, og det er grunnen til at sorte hull fikk navnet sitt: en kropp som tar opp alt lyset som faller på det og ikke avgir sitt eget, ser ut til å være helt svart. I henhold til generell relativitet, hvis en gjenstand nærmer seg midten av et svart hull i en kritisk avstand - denne avstanden kalles Schwarzschild-radius - kan den aldri gå tilbake. (Den tyske astronomen Karl Schwarzschild (1873-1916) i de siste årene av sitt liv, ved å bruke likningene av Einsteins generelle relativitetsteori, beregnet gravitasjonsfeltet rundt massen til nullvolum.) For solens masse er Schwarzschild-radius 3 km, det vil si for å snu vår Solen er i et svart hull, du må komprimere hele massen til størrelsen på en liten by!
Inne i Schwarzschild-radiusen spår teorien enda fremmere fenomener: alt saken om et svart hull samles til et uendelig lite punkt med uendelig tetthet i sentrum - matematikere kaller et slikt objekt en entall forstyrrelse. Med en uendelig tetthet, opptar enhver begrenset materie matematisk sett null romlig volum. Hvorvidt dette fenomenet faktisk forekommer inne i et svart hull, kan vi selvfølgelig ikke eksperimentelt sjekke, siden alt som kommer innenfor Schwarzschild-radiusen ikke kommer tilbake.
Således har vi ikke muligheten til å "undersøke" et svart hull i den tradisjonelle betydningen av ordet "blikk", men vi kan likevel oppdage dets tilstedeværelse ved indirekte tegn på innflytelsen fra det superkraftige og helt uvanlige tyngdekraften på saken rundt det.
Supermassive sorte hull
I sentrum av Melkeveien og andre galakser er et utrolig massivt svart hull millioner millioner tyngre enn solen. Disse supermassive sorte hullene (som de fikk dette navnet) ble oppdaget ved å observere arten av bevegelsen av interstellar gass nær sentrum av galakser. Gasser, bedømt etter observasjoner, roterer i nær avstand fra et supermassivt objekt, og enkle beregninger ved bruk av lovene fra Newtonsk mekanikk viser at objektet som tiltrekker dem, med en liten diameter, har en uhyrlig masse. Bare et svart hull kan snurre den interstellare gassen i sentrum av galaksen på denne måten. Faktisk har astrofysikere allerede funnet dusinvis av så massive sorte hull i sentrum av nærliggende galakser, og mistenker sterkt at sentrum av enhver galakse er et svart hull.
Stellar masse sorte hull
I henhold til våre nåværende ideer om utviklingen av stjerner, når en stjerne med en masse som overstiger omtrent 30 solmasser omkommer med en supernovaeksplosjon, sprer dens ytre skall, og dens indre lag raskt kollapser mot sentrum og danner et svart hull i stedet for stjernen som har brukt opp drivstoffreservene. Det er praktisk talt umulig å oppdage et svart hull av denne opprinnelsen isolert i det interstellare rom, siden det er i et sjeldent vakuum og ikke manifesterer seg på noen måte når det gjelder gravitasjonsinteraksjoner. Imidlertid, hvis et slikt hull var en del av et binært stjernesystem (to varme stjerner som kretser rundt deres massesenter), vil det svarte hullet fremdeles ha en gravitasjonseffekt på tvillingstjernen. Astronomer har i dag mer enn et dusin kandidater for rollen som stjernesystemer av denne typen,selv om det ikke er oppnådd sterke bevis for noen av dem.
I et binært system med et svart hull i sin sammensetning, vil substansen til den "levende" stjernen uunngåelig "flyte" i retning av det svarte hullet. Og stoffet som suges ut av det sorte hullet vil virvle når det faller ned i det sorte hullet i en spiral, og forsvinner når det krysser Schwarzschild-radius. Når man nærmer seg den dødelige grensen, vil imidlertid stoffet som suges inn i det sorte hullets trakt uunngåelig tykne og varme opp på grunn av økningen i kollisjoner mellom partiklene som blir absorbert av hullet til det varmer opp til energiene til bølgestråling i røntgenområdet til det elektromagnetiske spekteret. Astronomer kan måle periodisiteten til endringer i intensiteten til røntgenstråler av denne typen og beregne, sammenligne den med andre tilgjengelige data, den omtrentlige massen til et objekt som "drar" materien på seg selv. Hvis massen til objektet overskrider Chandrasekhar-grensen (1,4 solmasser),dette objektet kan ikke være en hvit dverg, der stjernen vår er bestemt til å utarte. I de fleste av de identifiserte tilfellene av observasjon av slike binære røntgenstjerner er en nøytronstjerne et massivt objekt. Imidlertid har mer enn et dusin tilfeller allerede blitt talt når den eneste rimelige forklaringen er tilstedeværelsen av et svart hull i et binært stjernesystem.
Alle andre typer sorte hull er mye mer spekulative og utelukkende basert på teoretisk forskning - det er ingen eksperimentelle bevis på at de eksisterer i det hele tatt. For det første er dette sorte minihull med en masse som kan sammenlignes med massen til et fjell og komprimert til radien til et proton. Ideen om deres opprinnelse på det første stadiet av dannelsen av universet rett etter Big Bang ble uttrykt av den engelske kosmologen Stephen Hawking (se The Hidden Principle of the Irreversibility of Time). Hawking antydet at mini-hullseksplosjoner kunne forklare det virkelig mystiske fenomenet med meislete gammastråleutbrudd i universet. For det andre forutsier noen teorier om elementære partikler eksistensen i universet - på mikronivå - av en ekte sil av sorte hull, som er et slags skum fra universets avfall. Diameteren til slike mikrohull er visstnok omtrent 10–33 cm - de er milliarder ganger mindre enn en proton. For øyeblikket har vi ingen forhåpninger om eksperimentell verifisering av selv faktum om eksistensen av slike sorte hullpartikler, enn si på en eller annen måte undersøker egenskapene deres.
Og hva skjer med observatøren hvis han plutselig befinner seg på den andre siden av gravitasjonsradiusen, ellers kalt hendelseshorisonten. Det er her den mest fantastiske egenskapen til sorte hull begynner. Det er ikke for ingenting vi alltid har nevnt tid, eller rettere sagt romtid, når vi snakker om sorte hull. I følge Einsteins relativitetsteori, jo raskere en kropp beveger seg, jo mer blir massen, men jo tregere tid begynner å gå! Ved lave hastigheter, under normale forhold, er denne effekten usynlig, men hvis kroppen (romfartøyet) beveger seg med en hastighet nær lysets hastighet, øker dens masse, og tiden bremser! Når kroppens hastighet er lik lysets hastighet, går massen til uendelig, og tiden stopper! Dette er dokumentert av strenge matematiske formler. La oss gå tilbake til det sorte hullet. La oss forestille oss en fantastisk situasjonnår et romskip med astronauter om bord nærmer seg gravitasjonsradius eller hendelseshorisont. Det er tydelig at hendelseshorisonten er så navngitt fordi vi kan observere eventuelle hendelser (vanligvis observere noe) bare opp til denne grensen. At vi ikke er i stand til å observere denne grensen. Likevel, når de er inne i romfartøyet som nærmer seg det svarte hullet, vil astronautene føle det samme som før, fordi på deres vakt vil tiden løpe "normalt". Romfartøyet vil rolig krysse hendelseshorisonten og gå videre. Men siden hastigheten vil være nær lysets hastighet, vil romskipet nå midten av det sorte hullet, bokstavelig talt, på et øyeblikk.at vi kan observere eventuelle hendelser (vanligvis observere noe) bare opp til denne grensen. At vi ikke er i stand til å observere denne grensen. Likevel, når de er inne i romfartøyet som nærmer seg det svarte hullet, vil astronautene føle det samme som før, fordi på deres vakt vil tiden løpe "normalt". Romfartøyet vil rolig krysse hendelseshorisonten og gå videre. Men siden hastigheten vil være nær lysets hastighet, vil romskipet nå midten av det sorte hullet, bokstavelig talt, på et øyeblikk.at vi kan observere eventuelle hendelser (vanligvis observere noe) bare opp til denne grensen. At vi ikke er i stand til å observere denne grensen. Likevel, når de er inne i romfartøyet som nærmer seg det svarte hullet, vil astronautene føle det samme som før, fordi på deres vakt vil tiden løpe "normalt". Romfartøyet vil rolig krysse hendelseshorisonten og gå videre. Men siden hastigheten vil være nær lysets hastighet, vil romskipet nå midten av det sorte hullet, bokstavelig talt, på et øyeblikk. Men siden hastigheten vil være nær lysets hastighet, vil romskipet nå midten av det sorte hullet, bokstavelig talt, på et øyeblikk. Men siden hastigheten vil være nær lysets hastighet, vil romskipet nå midten av det svarte hullet, bokstavelig talt, på et øyeblikk.
Og for en utenforstående observatør, vil romfartøyet ganske enkelt stoppe i hendelseshorisonten, og vil forbli der nesten for alltid! Dette er paradokset for den tunge gravitasjonen av sorte hull. Spørsmålet er naturlig, vil astronautene overleve, gå til uendelig i henhold til klokken til en ekstern observatør. Ikke. Og poenget er slett ikke den enorme gravitasjonen, men tidevannskreftene, som i en så liten og massiv kropp varierer veldig på små avstander. Når en astronaut er 1 m 70 cm høy, vil tidevannskreftene i hodet hans være mye mindre enn ved hans føtter, og han vil ganske enkelt bli revet fra hverandre i hendelseshorisonten. Generelt sett fant vi ut hva sorte hull er, men foreløpig snakket vi om sorte hull med stjernemasse. Foreløpig har astronomer klart å finne supermassive sorte hull, hvis masse kan være en milliard soler!Supermassive sorte hull skiller seg ikke i egenskaper fra mindre kolleger. De er bare mye mer massive og befinner seg som hovedregel i sentrum av galakser - universets stjerneøyer. I sentrum av vår galakse (Melkeveien) er det også et supermassivt svart hull. Den kolossale massen av slike sorte hull vil gjøre det mulig å søke etter dem ikke bare i vår galakse, men også i sentrum av fjerne galakser som ligger i en avstand på millioner og milliarder lysår fra jorden og solen. Europeiske og amerikanske forskere har gjennomført et globalt søk etter supermassive sorte hull, som ifølge moderne teoretiske beregninger skal være lokalisert i sentrum av hver galakse. Den kolossale massen av slike sorte hull vil gjøre det mulig å søke etter dem ikke bare i vår galakse, men også i sentrum av fjerne galakser som ligger i en avstand på millioner og milliarder lysår fra jorden og solen. Europeiske og amerikanske forskere har gjennomført et globalt søk etter supermassive sorte hull, som ifølge moderne teoretiske beregninger skal være lokalisert i sentrum av hver galakse. Den kolossale massen av slike sorte hull vil gjøre det mulig å søke etter dem ikke bare i vår galakse, men også i sentrum av fjerne galakser som ligger i en avstand på millioner og milliarder lysår fra jorden og solen. Europeiske og amerikanske forskere har gjennomført et globalt søk etter supermassive sorte hull, som ifølge moderne teoretiske beregninger skal være lokalisert i sentrum av hver galakse.
Moderne teknologi gjør det mulig å oppdage tilstedeværelsen av disse kollapsene i nærliggende galakser, men svært få av dem er blitt oppdaget. Dette betyr at enten sorte hull bare skjuler seg i tette gass- og støvskyer i den sentrale delen av galakser, eller at de befinner seg i fjernere hjørner av universet. Så, svarte hull kan bli oppdaget av røntgenstrålingen som ble avgitt under akkresjonen av materie på dem, og for å gjøre en folketelling av slike kilder, ble satellitter med røntgenteleskoper om bord lansert i det komiske rommet nær jorden. Mens de søkte etter røntgenkilder, fant romobservatoriene Chandra og Rossi at himmelen var fylt med røntgenbilder fra bakgrunnen og var millioner av ganger lysere enn synlig lys. Mye av denne bakgrunn røntgenstråling fra himmelen må komme fra sorte hull. Vanligvis i astronomi snakker de om tre typer sorte hull. Den første er sorte hull med stjernemasser (ca. 10 solmasser). De er dannet av massive stjerner når de går tom for termonukleart drivstoff. Det andre er supermassive sorte hull i sentrum av galakser (masser fra en million til milliarder av solen). Og til slutt er det uregelmessige sorte hull dannet i begynnelsen av universets liv, hvis masser er små (i størrelsesorden massen til en stor asteroide). Dermed forblir et stort spekter av mulige svart hullmasser ufylt. Men hvor er disse hullene? Ved å fylle plassen med røntgenbilder, ønsker de likevel ikke å vise sitt sanne "ansikt". Men for å bygge en klar teori om forholdet mellom bakgrunns røntgenstråling og sorte hull, må du vite antallet deres. For øyeblikket har romteleskoper klart å oppdage bare et lite antall supermassive sorte hull, hvis eksistens kan anses som bevist. Indirekte tegn lar oss bringe antallet observerte sorte hull som er ansvarlig for bakgrunnsstråling til 15%. Vi må anta at resten av de supermassive sorte hullene ganske enkelt gjemmer seg bak et tykt lag med støvskyer som bare overfører røntgenstråler med høy energi eller er for langt til å bli oppdaget med moderne observasjonsmidler.at resten av de supermassive svarte hullene ganske enkelt gjemmer seg bak et tykt lag med støvete skyer som bare lar røntgenstråler med høy energi passere gjennom, eller er for langt unna til å bli oppdaget av moderne observasjonsapparater.at resten av de supermassive svarte hullene ganske enkelt gjemmer seg bak et tykt lag med støvete skyer som bare lar røntgenstråler med høy energi passere gjennom, eller er for langt unna til å bli oppdaget av moderne observasjonsapparater.
Supermassivt svart hull (nabolag) i sentrum av galaksen M87 (røntgenbilde). En utkast (jet) fra hendelseshorisonten er synlig. Bilde fra nettstedet www.college.ru/astronomy
Å finne skjulte sorte hull er en av hovedutfordringene i moderne røntgenastronomi. De siste gjennombruddene i dette området, assosiert med forskning med Chandra og Rossi-teleskopene, dekker imidlertid bare lavenergiområdet for røntgenstråler - omtrent 2000–20 000 elektron volt (til sammenligning er energien til optisk stråling omtrent 2 elektronvolt). volt). Viktige endringer i disse studiene kan gjøres av det europeiske romteleskopet "Integral", som er i stand til å trenge gjennom det fortsatt utilstrekkelig studerte området med røntgenstråling med energier på 20.000 til 300.000 elektronvolt. Viktigheten av å studere denne typen røntgenstråler er at selv om røntgenbakgrunnen på himmelen er av lav energi, vises flere topper (punkter) med stråling med en energi på omtrent 30 000 elektron volt mot denne bakgrunnen. Forskere åpner nettopp sløret for mysteriet om hva som gir opphav til disse toppene, og Integralen er det første tilstrekkelig følsomme teleskopet som er i stand til å finne slike kilder til røntgenstråler. I følge astronomer gir høyeenergi-stråler opphav til de såkalte Compton-tykke objekter, det vil si supermassive sorte hull innhyllet i et støvete skall. Det er Compton-objektene som er ansvarlige for de 30 000 elektron-volt røntgentoppene i bakgrunnsstrålingsfeltet. Det er Compton-objektene som er ansvarlige for de 30 000 elektron-volt røntgentoppene i bakgrunnsstrålingsfeltet. Det er Compton-objektene som er ansvarlige for de 30 000 elektron-volt røntgentoppene i bakgrunnsstrålingsfeltet.
Forskere kom frem til at Compton-gjenstander bare utgjør 10% av antallet sorte hull som skulle skape høye energitopper. Dette er en alvorlig hindring for videreutvikling av teorien. Så de manglende røntgenbildene kommer ikke fra Compton-tykke, men fra vanlige supermassive sorte hull? Hva med støvgardiner for lavenergi røntgenbilder? Svaret ser ut til å ligge i det faktum at mange sorte hull (Compton-objekter) har hatt nok tid til å absorbere all gassen og støvet som omsluttet dem, men før det hadde de muligheten til å hevde seg med høye energi røntgenstråler. Etter å ha absorbert all saken, var slike svarte hull allerede ikke i stand til å generere røntgenstråler i hendelseshorisonten. Det blir klart hvorfor disse svarte hullene ikke kan oppdages,og det blir mulig å tilskrive de manglende kildene til bakgrunnsstråling til deres konto, siden selv om det sorte hullet ikke lenger avgir, fortsetter strålingen som tidligere er opprettet av det sin reise gjennom universet. Det er imidlertid fullt mulig at de manglende sorte hullene er mer skjult enn astronomene antar, det vil si at vi ikke ser dem, betyr ikke at de ikke er det. Vi har bare ikke nok kraft til å se dem. I mellomtiden planlegger forskere fra NASA å utvide søket etter skjulte sorte hull enda lenger inn i universet. Det er der den undersjøiske delen av isfjellet ligger, sier de. I flere måneder vil forskning bli utført som en del av Swift-oppdraget. Inntrengning i det dype universet vil avsløre skjul av sorte hull,finne den manglende lenken for bakgrunnsstråling og belyse deres aktivitet i det tidlige universet.
Noen sorte hull anses som mer aktive enn deres stille naboer. Aktive sorte hull absorberer omgivelsene, og hvis en "gape" -stjerne som flyr forbi kommer inn i tyngdekraftsflukten, vil den absolutt bli "spist" på den mest barbariske måten (revet til flis). Det absorberte stoffet, som faller på det sorte hullet, varmes opp til enorme temperaturer og opplever et blitz i gamma-, røntgen- og ultrafiolettområdene. Det er også et supermassivt svart hull i sentrum av Melkeveien, men det er vanskeligere å studere enn hull i nærliggende eller til og med fjerne galakser. Dette skyldes en tett vegg av gass og støv som står i veien for sentrum av vår Galaxy, fordi solsystemet ligger nesten i utkanten av den galaktiske disken. Derfor er observasjoner av aktiviteten til sorte hull mye mer effektive i de galakser hvis kjerne er tydelig synlig. Når man observerte en av de fjerne galakene som ligger i stjernebildet Bootes i en avstand på 4 milliarder lysår, klarte astronomer for første gang å spore fra begynnelsen og nesten til slutten prosessen med opptak av en stjerne av et supermassivt svart hull. I tusenvis av år hvilte denne gigantiske kollapsen rolig i sentrum av en ikke navngitt elliptisk galakse, til en av stjernene turte å komme nær den.
Det sorte hullets kraftige tyngdekraft rev stjernen fra hverandre. Klumper av materie begynte å falle på det sorte hullet, og når de nådde hendelseshorisonten, blusset de opp i det ultrafiolette området. Disse blussene ble spilt inn av NASAs nye romteleskop Galaxy Evolution Explorer, som studerer himmelen i ultrafiolett lys. Teleskopet fortsetter å observere oppførselen til den utmerkede gjenstanden også i dag. det sorte hullets måltid er ikke over enda, og restene av stjernen fortsetter å falle ned i avgrunnen av tid og rom. Observasjoner av slike prosesser til slutt vil bidra til å bedre forstå hvordan sorte hull utvikler seg med sine foreldre galakser (eller omvendt, galakser utvikler seg med et foreldre svart hull). Tidligere observasjoner viser at slike utskeielser ikke er uvanlige i universet. Forskere har beregnetat en stjerne i gjennomsnitt blir absorbert av et supermassivt svart hull i en typisk galakse en gang hvert 10.000 år, men siden det er et stort antall galakser, kan stjerneabsorpsjon observeres mye oftere.
