Zašto nastaju crne rupe. Složene stvari jednostavnim riječima. Što će se dogoditi ako upadnete u crnu rupu

Jeste li ikada vidjeli da se pod usisava? Ako jeste, jeste li primijetili kako usisavač usisava prašinu i druge sitne ostatke poput komadića papira? Naravno da jesu. Crne rupe rade otprilike istu stvar kao i usisavač, ali umjesto prašine, radije uvlače veće objekte: zvijezde i planete. Međutim, ne preziru ni kozmičku prašinu.

Kako se pojavljuju crne rupe?

Da bismo razumjeli odakle dolaze crne rupe, bilo bi lijepo znati što je svjetlosni pritisak. Ispada da svjetlost, padajući na predmete, pritiska na njih. Na primjer, upalimo li žarulju u mračnoj prostoriji, tada će na sve osvijetljene predmete početi djelovati dodatna sila svjetlosnog pritiska. Ova sila je vrlo mala i Svakidašnjica mi to, naravno, nikada nećemo moći osjetiti. Razlog je taj što je žarulja vrlo slab izvor svjetlosti. (U laboratorijskim uvjetima još uvijek se može izmjeriti tlak svjetla žarulje, prvi put je to uspio ruski fizičar P. N. Lebedev) Sa zvijezdama je situacija drugačija. Dok je zvijezda mlada i sjajna, u njoj se bore tri sile. S jedne strane, sila gravitacije, koja nastoji stisnuti zvijezdu u točku, povlači vanjske slojeve prema unutra prema jezgri. S druge strane, postoji sila svjetlosnog pritiska i sila pritiska vrućeg plina, koji nastoje napuhati zvijezdu. Svjetlost rođena u jezgri zvijezde toliko je intenzivna da gura vanjske slojeve zvijezde i uravnotežuje silu gravitacije koja ih vuče prema središtu. Kako zvijezda stari, njezina jezgra proizvodi sve manje svjetla. To se događa jer tijekom života zvijezde izgori cijela zaliha njezinog vodika, o tome smo već pisali. Ako je zvijezda vrlo velika, 20 puta teža od Sunca, tada su njezine vanjske ljuske vrlo velike mase. Stoga se u teškoj zvijezdi vanjski slojevi počinju sve više približavati jezgri, cijela zvijezda počinje se skupljati. Istodobno raste gravitacijska sila na površini zvijezde koja se skuplja. Što se zvijezda više skuplja, to više počinje privlačiti materiju oko sebe. Na kraju, privlačnost zvijezde postaje toliko monstruozno jaka da joj čak ni svjetlost koju emitira ne može pobjeći. U ovom trenutku zvijezda postaje Crna rupa. Više ne emitira ništa, već samo upija sve što je u blizini, uključujući svjetlost. Iz nje ne dolazi niti jedna zraka svjetlosti, pa je nitko ne može vidjeti, pa se zato zove crna rupa: sve je uvučeno unutra, ali se nikad ne vraća.

Kako izgleda crna rupa?

Da smo ti i ja blizu crne rupe, vidjeli bismo prilično veliki svijetleći disk koji se vrti oko malog, potpuno crnog područja prostora. Ovo crno područje je crna rupa. A svjetleći disk oko njega je materija koja pada u crnu rupu. Takav disk naziva se akrecijski disk. Privlačenje crne rupe je vrlo jako, pa se usisana materija pomiče vrlo velikim ubrzanjem i zbog toga i sama počinje zračiti. Proučavajući svjetlost koja izlazi iz takvog diska, astronomi mogu naučiti puno o samoj crnoj rupi. Još jedan neizravni znak postojanja crne rupe je neobično kretanje zvijezda oko određenog područja svemira. Povlačenje rupe uzrokuje pomicanje obližnjih zvijezda po eliptičnim orbitama. Takva kretanja zvijezda bilježe i astronomi.
Sada je pozornost znanstvenika prikovana za crnu rupu koja se nalazi u središtu naše galaksije. Činjenica je da se oblak vodika približava crnoj rupi, čija je masa oko 3 puta veća od mase Zemlje. Ovaj oblak je već počeo mijenjati svoj oblik zbog gravitacije crne rupe, u narednim godinama će se još više rastezati i uvlačiti u crnu rupu.

Nikada nećemo moći vidjeti procese koji se odvijaju unutar crne rupe, pa ostaje da se zadovoljimo promatranjima diska oko crne rupe. Ali ovdje nas čeka puno zanimljivih stvari. Možda i najviše zanimljiv fenomen- stvaranje ultrabrzih mlazova materije koji lete iz središta ovog diska. Mehanizam ovog fenomena tek treba razjasniti, a vrlo je moguće da će netko od vas stvoriti teoriju nastanka takvih mlazova. U međuvremenu možemo registrirati samo rendgenske bljeskove koji prate takve “snimke”.

Ovaj video prikazuje kako crna rupa postupno hvata materijal obližnje zvijezde. U tom slučaju oko crne rupe nastaje akrecijski disk, a dio njegove materije izbacuje se u svemir ogromnom brzinom. Ovo stvara veliki broj X-zrake koje je uhvatio satelit koji se kreće oko Zemlje.

Kako je uređena crna rupa?

Crna rupa se može podijeliti na tri glavna dijela. Vanjski dio, u kojem još uvijek možete izbjeći pad u crnu rupu ako se krećete vrlo velikom brzinom. Dublje od vanjskog dijela je horizont događaja - to je zamišljena granica, nakon prelaska koje tijelo gubi svaku nadu da će se vratiti iz crne rupe. Sve izvan horizonta događaja ne može se vidjeti izvana, jer zbog jake gravitacije ni svjetlost koja se kreće iznutra neće moći odletjeti izvan njega. Vjeruje se da se u samom središtu crne rupe nalazi singularnost - prostor sićušnog volumena, u kojem je koncentrirana ogromna masa - srce crne rupe.

Je li moguće doletjeti do crne rupe?

Na velikoj udaljenosti, privlačenje crne rupe je potpuno isto kao i privlačenje najobičnije zvijezde iste mase kao i masa crne rupe. Kako se približavate horizontu događaja, privlačnost će se sve više povećavati. Stoga je moguće doletjeti do crne rupe, ali je ipak bolje kloniti se nje kako biste se mogli vratiti natrag. Astronomi su morali gledati kako je crna rupa usisala obližnju zvijezdu. Kako je to izgledalo možete pogledati u ovom videu:

Hoće li se naše Sunce pretvoriti u crnu rupu?

Ne, neće se okrenuti. Masa Sunca je premala za ovo. Proračuni pokazuju da zvijezda mora biti barem 4 puta masivnija od Sunca da bi postala crna rupa. Umjesto toga, Sunce će se pretvoriti u crvenog diva i nabujati do veličine Zemljine orbite, a zatim će odbaciti svoju vanjsku ljusku i postati bijeli patuljak. Definitivno ćemo reći o evoluciji Sunca.

Unatoč golemim dostignućima u području fizike i astronomije, postoje mnoge pojave, čija bit nije u potpunosti otkrivena. Ti fenomeni uključuju misteriozne crne rupe, sve informacije o kojima su samo teoretske i ne mogu se provjeriti u praksi.

Postoje li crne rupe?

Čak i prije pojave teorije relativnosti, astronomi su izrazili teoriju o postojanju crnih lijevka. Nakon objavljivanja Einsteinove teorije, pitanje gravitacije je revidirano i pojavile su se nove pretpostavke u problemu crnih rupa. Nerealno je vidjeti ovaj svemirski objekt, jer on upija svu svjetlost koja ulazi u njegov prostor. Znanstvenici dokazuju postojanje crnih rupa, na temelju analize kretanja međuzvjezdanog plina i putanje kretanja zvijezda.

Formiranje crnih rupa dovodi do promjene prostorno-vremenskih karakteristika oko njih. Čini se da se vrijeme smanjuje pod utjecajem ogromne gravitacije i usporava. Zvijezde uhvaćene na putu crnog lijevka mogu skrenuti sa svoje putanje, pa čak i promijeniti smjer. Crne rupe upijaju energiju svoje zvijezde blizanke, koje se također manifestiraju.

Kako izgleda crna rupa?

Velik dio informacija o crnim rupama je hipotetski. Znanstvenici ih proučavaju po učincima na svemir i zračenje. Nije moguće vidjeti crne rupe u svemiru, jer one upijaju svu svjetlost koja ulazi u obližnji prostor. S posebnih satelita napravljena je rendgenska slika crnih objekata na kojima je vidljiv svijetli centar koji je izvor zračenja zraka.

Kako nastaju crne rupe?

Crna rupa u svemiru je odvojeni svijet, koji ima svoje jedinstvene karakteristike i svojstva. Svojstva kozmičkih rupa određena su razlozima njihovog pojavljivanja. Što se tiče izgleda crnih predmeta, postoje sljedeće teorije:

1. Oni su rezultat kolapsa koji se događaju u svemiru. To može biti sudar velikih kozmičkih tijela ili eksplozija supernove.
2. Nastaju zbog ponderiranja svemirskih objekata uz zadržavanje njihove veličine. Razlog ove pojave nije utvrđen.

Crni lijevak je objekt u prostoru koji ima relativno malu veličinu s ogromnom masom. Teorija crne rupe kaže da svaki kozmički objekt potencijalno može postati crni lijevak ako uslijed nekih pojava izgubi svoju veličinu, ali zadrži svoju masu. Znanstvenici čak govore o postojanju mnogih crnih mikro rupa - minijaturnih svemirskih objekata s relativno velikom masom. Taj nesklad između mase i veličine dovodi do povećanja gravitacijskog polja i pojave jakog privlačenja.

Što je u crnoj rupi?

Crni tajanstveni objekt može se nazvati samo rupom s velikim rastezanjem. Središte ovog fenomena je kozmičko tijelo s povećanom gravitacijom. Rezultat takve gravitacije je snažna privlačnost površine ovog kozmičkog tijela. U tom slučaju nastaje vrtložni tok u kojem se rotiraju plinovi i zrnca kozmičke prašine. Stoga se crna rupa ispravnije naziva crni lijevak.

Nemoguće je u praksi saznati što se nalazi unutar crne rupe, jer razina gravitacije kozmičkog lijevka ne dopušta niti jednom objektu da pobjegne iz njegove zone utjecaja. Prema znanstvenicima, unutar crne rupe vlada potpuna tama, jer kvanti svjetlosti u njoj nepovratno nestaju. Pretpostavlja se da su prostor i vrijeme iskrivljeni unutar crnog lijevka, na ovom mjestu ne vrijede zakoni fizike i geometrije. Takve značajke crnih rupa vjerojatno mogu dovesti do stvaranja antimaterije, koja na ovaj trenutak nepoznati znanstvenicima.

Zašto su crne rupe opasne?

Ponekad se crne rupe opisuju kao objekti koji apsorbiraju okolne objekte, zračenje i čestice. Ovo gledište je netočno: svojstva crne rupe omogućuju joj da apsorbira samo ono što spada u njezinu zonu utjecaja. Može uvući kozmičke mikročestice i zračenje koje dolazi od zvijezda blizanaca. Čak i ako je planet blizu crne rupe, neće se apsorbirati, već će se nastaviti kretati u svojoj orbiti.

Što će se dogoditi ako upadnete u crnu rupu?

Svojstva crnih rupa ovise o jačini gravitacijskog polja. Crni lijevci privlače k ​​sebi sve što spada u njihovu zonu utjecaja. Istodobno se mijenjaju prostorno-vremenske karakteristike. Znanstvenici koji proučavaju sve o crnim rupama ne slažu se oko toga što se događa sa stvarima u ovom lijevku:

• neki znanstvenici sugeriraju da su svi predmeti koji upadnu u te rupe rastegnuti ili rastrgani na komade i nemaju vremena doći do površine objekta koji privlači;
• drugi znanstvenici tvrde da su sve uobičajene karakteristike savijene u rupama, pa se čini da objekti tamo nestaju u vremenu i prostoru. Iz tog razloga, crne rupe se ponekad nazivaju vratima u druge svjetove.

Vrste crnih rupa

Crni lijevci su podijeljeni u vrste, na temelju načina njihovog formiranja:

1. Objekti crne zvjezdane mase rađaju se na kraju života nekih zvijezda. Potpuno izgaranje zvijezde i završetak termonuklearnih reakcija dovodi do kompresije zvijezde. Ako u isto vrijeme zvijezda doživi gravitacijski kolaps, može se pretvoriti u crni lijevak.
2. Super masivni crni lijevci. Znanstvenici kažu da je jezgra svake galaksije supermasivni lijevak, čije je formiranje početak nastanka nove galaksije.
3. Primordijalne crne rupe. To može uključivati ​​rupe različite mase, uključujući mikrorupe nastale zbog odstupanja u gustoći tvari i snazi ​​gravitacije. Takve rupe su lijevci nastali na početku rođenja Svemira. To također uključuje objekte poput dlakave crne rupe. Ove se rupe razlikuju po prisutnosti zraka koje izgledaju poput dlačica. Pretpostavlja se da ti fotoni i gravitoni pohranjuju dio informacija koje padaju u crnu rupu.
4. kvantne crne rupe. Pojavljuju se kao posljedica nuklearnih reakcija i žive kratko. Kvantni lijevci su od najvećeg interesa, jer njihovo proučavanje može pomoći u odgovoru na pitanja o problemu objekata crnog svemira.
5. Neki znanstvenici razlikuju ovu vrstu svemirskih objekata, dlakavu crnu rupu. Ove se rupe razlikuju po prisutnosti zraka koje izgledaju poput dlačica. Pretpostavlja se da ti fotoni i gravitoni pohranjuju dio informacija koje padaju u crnu rupu.

Najbliža crna rupa Zemlji

Najbliža crna rupa udaljena je 3000 svjetlosnih godina od Zemlje. Zove se V616 Monocerotis, ili V616 Mon. Njegova težina doseže 9-13 solarnih masa. Binarni partner ove rupe je zvijezda upola manja od Sunčeve. Drugi lijevak relativno blizu Zemlje je Cygnus X-1. Nalazi se 6 tisuća svjetlosnih godina od Zemlje i teži 15 puta više od Sunca. Ova crna rupa također ima svog binarnog partnera, čije kretanje pomaže u praćenju utjecaja Cygnusa X-1.

Crne rupe - zanimljive činjenice

Znanstvenici o crnim objektima govore o zanimljivim činjenicama:

1. Ako uzmemo u obzir da su ti objekti središte galaksija, onda da biste pronašli najveći lijevak, trebali biste pronaći najveću galaksiju. Stoga je najveća crna rupa u svemiru lijevak koji se nalazi u galaksiji IC 1101 u središtu skupa Abell 2029.
2. Crni predmeti zapravo izgledaju kao objekti u više boja. Razlog tome leži u njihovom radio-magnetskom zračenju.
3. Ne postoje trajni fizikalni ili matematički zakoni usred crne rupe. Sve ovisi o masi rupe i njezinom gravitacijskom polju.
4. Crni lijevci postupno isparavaju.
5. Težina crnih lijevka može doseći nevjerojatne veličine. Najveća crna rupa ima masu od 30 milijuna solarnih masa.

Ne postoji kozmički fenomen koji svojom ljepotom očarava više od crnih rupa. Kao što znate, objekt je dobio ime zbog činjenice da je u stanju apsorbirati svjetlost, ali je ne može reflektirati. Zbog goleme privlačnosti, crne rupe usisavaju sve što im je blizu – planete, zvijezde, svemirske krhotine. Međutim, to nije sve što treba znati o crnim rupama, budući da ih ima mnogo nevjerojatne činjenice o njima.

Crne rupe nemaju točku bez povratka

Dugo vremena vjerovalo se da sve što upadne u područje crne rupe ostaje u njoj, no rezultat novijih istraživanja je da crna rupa nakon nekog vremena "izbacuje" sav sadržaj u prostor, ali u drugačijem obliku od izvornog jedan. Horizont događaja, koji se smatrao točkom nepovrata za svemirske objekte, pokazao se samo kao njihovo privremeno utočište, ali taj proces je vrlo spor.

Zemlji prijeti crna rupa

Sunčev sustav samo dio beskonačne galaksije, u kojoj se nalazi ogroman broj crnih rupa. Ispostavilo se da i Zemlji prijete dvije od njih, ali se, srećom, nalaze na velikoj udaljenosti - oko 1600 svjetlosnih godina. Otkriveni su u galaksiji koja je nastala kao rezultat spajanja dviju galaksija.


Znanstvenici su vidjeli crne rupe samo zbog činjenice da su se nalazile u blizini Sunčevog sustava uz pomoć rendgenskog teleskopa, koji je u stanju uhvatiti X-zrake koje emitiraju ti svemirski objekti. Crne rupe, budući da su jedna do druge i praktički se spajaju u jednu, nazvane su jednim imenom - Chandra u čast boga mjeseca iz hinduističke mitologije. Znanstvenici su uvjereni da će Chandra uskoro postati jedan zbog ogromne sile gravitacije.

Crne rupe mogu nestati s vremenom

Prije ili kasnije sav sadržaj crne rupe pobjegne i ostaje samo zračenje. Gubeći masu, crne rupe s vremenom postaju sve manje, a zatim potpuno nestaju. Smrt svemirskog objekta je vrlo spora i stoga je malo vjerojatno da će itko od znanstvenika moći vidjeti kako se crna rupa smanjuje, a zatim nestaje. Stephen Hawking je tvrdio da je rupa u svemiru jako komprimiran planet, te da s vremenom ispari, počevši od rubova izobličenja.

Crne rupe ne moraju izgledati crne

Znanstvenici tvrde da, budući da svemirski objekt apsorbira svjetlosne čestice u sebe, a da ih ne reflektira, crna rupa nema boju, već samo njezina površina odaje - horizont događaja. Svojim gravitacijskim poljem zaklanja sav prostor iza sebe, uključujući planete i zvijezde. Ali u isto vrijeme, zbog apsorpcije planeta i zvijezda na površini crne rupe u spirali zbog ogromne brzine kretanja objekata i trenja između njih, pojavljuje se sjaj, koji se može svjetlije od zvijezda. Ovo je skup plinova, zvjezdane prašine i druge materije koju crna rupa usisava. Također, ponekad crna rupa može emitirati elektromagnetske valove i stoga može biti vidljiva.

Crne rupe ne nastaju niotkuda, njihova je osnova ugašena zvijezda.

Zvijezde svijetle u svemiru zahvaljujući opskrbi fuzijskim gorivom. Kada završi, zvijezda se počinje hladiti, postupno se pretvarajući iz bijelog patuljka u crnog. Unutar ohlađene zvijezde tlak počinje opadati. Pod utjecajem gravitacijske sile kozmičko tijelo počinje se skupljati. Posljedica ovog procesa je da zvijezda kao da eksplodira, sve njene čestice se razlijeću u svemiru, ali u isto vrijeme gravitacijske sile nastavljaju djelovati, privlačeći susjedne svemirske objekte, koje ona zatim apsorbira, povećavajući snagu crna rupa i njena veličina.

Supermasivna crna rupa

Crna rupa, desetke tisuća puta veća od Sunca, nalazi se u samom središtu Mliječne staze. Znanstvenici su ga nazvali Strijelac i nalazi se na udaljenosti od Zemlje 26.000 svjetlosnih godina. Ovo područje galaksije izuzetno je aktivno i velikom brzinom upija sve što mu je blizu. Također često "bljuje" ugašene zvijezde.


Iznenađujuća je činjenica da je prosječna gustoća crne rupe, čak i uzimajući u obzir njezinu ogromna veličina, može čak biti jednaka gustoći zraka. S povećanjem polumjera crne rupe, odnosno broja objekata koje je uhvatila, gustoća crne rupe postaje manja i to se objašnjava jednostavni zakoni fizika. Dakle, najviše velika tijela u svemiru zapravo može biti lagan kao zrak.

Crna rupa mogla bi stvoriti nove svemire

Koliko god to čudno zvučalo, pogotovo na pozadini činjenice da crne rupe zapravo apsorbiraju i sukladno tome uništavaju sve oko sebe, znanstvenici ozbiljno razmišljaju da ti svemirski objekti mogu pokrenuti nastanak novog Svemira. Dakle, kao što znate, crne rupe ne samo da apsorbiraju materiju, već je mogu i otpustiti u određenim razdobljima. Svaka čestica koja je izašla iz crne rupe može eksplodirati i to će postati novi Veliki prasak, a prema njegovoj teoriji tako se pojavio i naš Svemir, stoga je moguće da Sunčev sustav koji danas postoji i u kojem se Zemlja okreće, može eksplodirati. naseljen ogromnim brojem ljudi, nekada je rođen iz masivne crne rupe.

Vrijeme prolazi vrlo sporo u blizini crne rupe.

Kada se objekt približi crnoj rupi, bez obzira na masu, njegovo kretanje počinje usporavati, a to je zato što se u samoj crnoj rupi vrijeme usporava i sve se događa vrlo sporo. To je zbog ogromne gravitacijske sile koju ima crna rupa. Istodobno, ono što se događa u samoj crnoj rupi događa se dovoljno brzo, jer kada bi promatrač pogledao crnu rupu sa strane, činilo bi mu se da se svi procesi koji se u njoj odvijaju sporo odvijaju, ali ako je ušao u crnu rupu. njegov lijevak, gravitacijske sile bi ga istog trena rastrgale.

Znanstveno mišljenje ponekad konstruira objekte s takvim paradoksalnim svojstvima da ih čak i najpronicljiviji znanstvenici isprva odbijaju prepoznati. Najilustrativniji primjer u povijesti najnovija fizika- dugotrajna nezainteresiranost za crne rupe, ekstremna stanja gravitacijskog polja, predviđena prije gotovo 90 godina. Dugo su se smatrali čisto teorijskom apstrakcijom, a tek su 1960-ih i 70-ih godina povjerovali u svoju stvarnost. Međutim, osnovna jednadžba teorije crnih rupa izvedena je prije više od dvije stotine godina.

Uvid Johna Michella

Ime Johna Michella, fizičara, astronoma i geologa, profesora na Sveučilištu Cambridge i pastora Engleske crkve, potpuno je nezasluženo izgubljeno među zvijezdama engleske znanosti u 18. stoljeću. Michell je postavio temelje seizmologije, znanosti o potresima, izveo izvrsno proučavanje magnetizma i mnogo prije nego što je Coulomb izumio torzijsku vagu koju je koristio za gravimetrijska mjerenja. 1783. pokušao je spojiti dvije velike Newtonove 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 razmišljala? Topovska kugla ispaljena s površine planeta u potpunosti će nadvladati njegovu gravitaciju samo ako je početna brzinaće premašiti vrijednost koja se sada zove druga kozmička brzina i brzina bijega. Ako je gravitacija planeta toliko jaka da brzina bijega premašuje brzinu svjetlosti, svjetlosne čestice ispaljene u zenitu ne mogu pobjeći u beskonačnost. Isto će se dogoditi i s reflektiranom svjetlošću. Stoga će za vrlo udaljenog promatrača planet biti nevidljiv. Michell je izračunao kritičnu vrijednost polumjera takvog planeta, Rcr, ovisno o njegovoj masi, M, smanjenoj na masu našeg Sunca, Ms: Rcr = 3 km x M/Ms.

John Michell vjerovao je u njegove formule i pretpostavio da dubine svemira kriju mnoge zvijezde koje se sa Zemlje ne mogu vidjeti nikakvim teleskopom. Kasnije je veliki francuski matematičar, astronom i fizičar Pierre Simon Laplace došao do istog zaključka i uključio ga u prvo (1796.) i drugo (1799.) izdanje svog Izlaganja sustava svijeta. No 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 ih je najbolje jednostavno ne spominjati. U kasnijim vremenima ova se ideja smatrala kuriozitetom, vrijednom izlaganja samo u djelima o povijesti fizike.

Schwarzschildov model

U studenom 1915. Albert Einstein je objavio teoriju gravitacije koju je nazvao općom teorijom relativnosti (GR). Ovo djelo je odmah našlo cijenjenog čitatelja u osobi njegovog kolege s Berlinske akademije znanosti Karla Schwarzschilda. Schwarzschild je bio prvi u svijetu koji je primijenio opću relativnost za rješavanje specifičnog astrofizičkog problema, za izračunavanje prostorno-vremenske metrike izvan i unutar nerotirajućeg sfernog tijela (radi konkretnosti, nazvat ćemo ga zvijezdom).

Iz Schwarzschildovih proračuna proizlazi da gravitacija zvijezde ne iskrivljuje uvelike Newtonovu strukturu prostora i vremena samo ako je njezin polumjer mnogo veći od same vrijednosti koju je izračunao John Michell! Ovaj je parametar prvo nazvan Schwarzschildov radijus, a sada se naziva gravitacijski radijus. Prema općoj relativnosti, gravitacija ne utječe na brzinu svjetlosti, ali smanjuje učestalost svjetlosnih vibracija u istom omjeru u kojem usporava vrijeme. Ako je polumjer zvijezde 4 puta veći od radijusa gravitacije, tada se tok vremena na njezinoj površini usporava za 15%, a prostor dobiva zamjetnu zakrivljenost. Uz dvostruki višak, više se savija, a vrijeme usporava svoj hod za 41%. Kada se dosegne gravitacijski radijus, vrijeme na površini zvijezde potpuno staje (sve frekvencije su nulte, zračenje je zamrznuto, a zvijezda se gasi), ali zakrivljenost prostora tamo je i dalje konačna. Daleko od sunca, geometrija i dalje ostaje euklidska, a vrijeme ne mijenja svoju brzinu.

Unatoč činjenici da su vrijednosti gravitacijskog radijusa za Michella i Schwarzschilda iste, sami modeli nemaju ništa zajedničko. Za Michella se prostor i vrijeme ne mijenjaju, ali se svjetlost usporava. Zvijezda čije su dimenzije manje od gravitacijskog radijusa nastavlja sjati, ali je vidljiva samo ne tako udaljenom 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 nalazio (točnije, može se otkriti gravitacijskim efektima, ali nikako zračenjem).

Od nevjerice do tvrdnje

Schwarzschild i njegovi suvremenici vjerovali su da takvi čudni kozmički objekti ne postoje u prirodi. Sam Einstein ne samo da se držao ovog stajališta, već je i pogrešno vjerovao da je uspio matematički potkrijepiti svoje mišljenje.

Tridesetih godina prošlog stoljeća mladi indijski astrofizičar Chandrasekhar je to dokazao nuklearno gorivo zvijezda odbacuje svoju ljusku 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 pretpostavio da u eksplozijama supernove nastaju iznimno gusta tijela neutronske materije; Kasnije je do istog zaključka došao i Lev Landau. Nakon Chandrasekharovog rada, bilo je očito 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 za supernove koju neutronske zvijezde ostavljaju za sobom?

Krajem 1930-ih, budući otac američke atomske bombe, Robert Oppenheimer, ustanovio je da takva granica doista postoji i da ne prelazi nekoliko solarnih masa. Tada nije bilo moguće dati precizniju ocjenu; sada je poznato da mase neutronskih zvijezda moraju biti u rasponu 1,5-3 M s . Ali čak i iz približnih proračuna Oppenheimera i njegovog diplomiranog studenta Georgea Volkova proizlazilo je da najmasovniji potomci supernova ne postaju neutronske zvijezde, već prelaze u neko drugo stanje. Godine 1939. Oppenheimer i Hartland Snyder dokazali su u idealiziranom modelu da se masivna zvijezda u kolapsu skuplja na svoj gravitacijski radijus. Iz njihovih formula, naime, proizlazi da zvijezda tu ne staje, ali su se koautori suzdržali od tako radikalnog zaključka.

Konačan odgovor pronađen je u drugoj polovici 20. stoljeća trudom čitave plejade briljantnih teorijskih fizičara, uključujući i sovjetske. Pokazalo se da je takav kolaps stalno sabija zvijezdu "do kraja", potpuno uništavajući njezinu tvar. Kao rezultat, nastaje singularnost, "superkoncentrat" ​​gravitacijskog polja, zatvoren u beskonačno malom volumenu. Za fiksnu rupu ovo je točka, za rotirajuću rupu to je prsten. Zakrivljenost prostor-vremena i, posljedično, sila gravitacije u blizini singularnosti teže beskonačnosti. Krajem 1967. američki fizičar John Archibald Wheeler prvi je nazvao takav konačni zvjezdani kolaps crnom rupom. Novi termin zavolio je fizičare i oduševio novinare koji su ga proširili svijetom (iako se Francuzima isprva nije svidio, jer je izraz trou noir upućivao na sumnjive asocijacije).

Tamo, iza horizonta

Crna rupa nije ni materija ni zračenje. S određenom figurativnošću možemo reći da je ovo samoodrživo gravitacijsko polje, koncentrirano u visoko zakrivljenom području prostor-vremena. Njegova vanjska granica definirana je zatvorenom površinom, horizontom događaja. Ako se zvijezda nije zarotirala prije kolapsa, ispada da je ova površina pravilna sfera, čiji se polumjer podudara sa Schwarzschildovim polumjerom.

Fizičko značenje horizonta je vrlo jasno. Svjetlosni signal poslan iz njegovog vanjskog susjedstva može putovati na beskonačnu udaljenost. Ali signali poslani iz unutarnjeg područja 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 neće izaći ni pod kojim okolnostima.

Kako bi trebalo biti "po Schwarzschildu", daleko od horizonta, privlačenje rupe je obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti, pa se za udaljenog promatrača manifestira kao obično teško tijelo. Osim mase, rupa nasljeđuje moment tromosti kolapsirane zvijezde i njen električno punjenje. A sve ostale karakteristike zvijezde prethodnice (struktura, sastav, spektralni tip itd.) odlaze u zaborav.

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 svijet "nad-rupa" bit će potpuno tih. Međutim, ovaj nestanak neće ostati bez traga, budući da će sonda rupi dati masu, naboj i zakretni moment.

zračenje crne rupe

Svi prethodni modeli izgrađeni su isključivo na temelju opće relativnosti. Međutim, našim svijetom vladaju zakoni kvantna mehanika, koji ne zanemaruju crne rupe. Ovi zakoni nam ne dopuštaju da središnju singularnost razmotrimo kao matematičku točku. U kvantnom kontekstu, njegov promjer je dan Planck-Wheelerovom duljinom, približno jednakim 10 -33 centimetra. U ovoj regiji običan prostor prestaje postojati. Općenito je prihvaćeno da je središte rupe ispunjeno raznim topološkim strukturama koje se pojavljuju i umiru u skladu s kvantnim vjerojatnostim zakonima. Svojstva takvog kvaziprostora koji pjenušavi, koji je Wheeler nazvao kvantna pjena, još uvijek su slabo shvaćena.

Prisutnost kvantne singularnosti izravno je povezana sa sudbinom materijalnih tijela koja padaju duboko u crnu rupu. Pri približavanju središtu rupe, svaki predmet napravljen od trenutno poznatih materijala bit će zgnječen i rastrgan plimskim silama. Međutim, čak i ako budući inženjeri i tehnolozi stvore neku vrstu super-jakih legura i kompozita sa svojstvima koja su danas neviđena, svi su oni ionako osuđeni na nestanak: uostalom, u zoni singularnosti nema ni uobičajenog vremena ni uobičajenog prostora.

Pogledajmo sada horizont rupe kroz kvantno mehaničku leću. Prazan prostor – fizički vakuum – zapravo nipošto nije prazan. Zbog kvantnih fluktuacija različitih polja u vakuumu, mnoge virtualne čestice kontinuirano se rađaju i umiru. Budući da je gravitacija blizu horizonta vrlo jaka, njezine fluktuacije stvaraju iznimno jake gravitacijske praske. Kada se ubrzaju u takvim poljima, novorođeni "virtuali" dobivaju dodatnu energiju i ponekad postaju normalne dugovječne čestice.

Virtualne čestice se uvijek rađaju u parovima koji se kreću u suprotnim smjerovima (to zahtijeva zakon održanja 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) unutra. "Unutarnja" čestica će pasti u rupu, ali "vanjska" čestica može pobjeći pod povoljnim uvjetima. Kao rezultat toga, rupa se pretvara u izvor zračenja i stoga gubi energiju i, posljedično, masu. Stoga su crne rupe u osnovi nestabilne.

Taj se fenomen naziva Hawkingovim efektom, prema izvanrednom engleskom teoretskom fizičaru koji ga je otkrio sredinom 1970-ih. Stephen Hawking je posebno dokazao da horizont crne rupe emitira fotone na potpuno isti način kao apsolutno crno tijelo zagrijano na temperaturu T = 0,5 x 10 -7 x M s /M. Iz toga slijedi da kako rupa postaje tanja, njena temperatura raste, a "isparavanje", naravno, raste. 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 duljini Planck-Wheelera, rupa gubi stabilnost i eksplodira, oslobađajući istu energiju kao i istovremena eksplozija od milijun deset megatona hidrogenske bombe. Zanimljivo je da je masa rupe u trenutku njezina 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 prije 40 godina – kao pojam i kao fizička ideja. Godine 1965. akademik M. A. Markov sugerirao je da postoji gornja granica mase elementarnih čestica. Predložio je da se ova granična vrijednost smatra vrijednošću dimenzije mase, koja se može kombinirati iz tri osnovne fizičke konstante - Planckova konstanta h, brzina svjetlosti C i gravitacijska konstanta G (za ljubitelje detalja: da biste to učinili, trebate pomnožiti h i C, podijeliti rezultat s G i izvući Korijen). To su ona ista 22 mikrograma koja se spominju u članku, ova vrijednost se zove Planckova masa. Iz istih konstanti moguće je konstruirati vrijednost s dimenzijom duljine (izići će Planck-Wheelerova duljina, 10 -33 cm) i s dimenzijom vremena (10 -43 sec).
Markov je išao dalje u svom rasuđivanju. Prema njegovoj hipotezi, isparavanje crne rupe dovodi do stvaranja "suhog ostatka" - maximona. 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 temeljenih na teoriji superstruna.

Dubina prostora

Crne rupe nisu zabranjene zakonima fizike, ali postoje li u prirodi? Apsolutno strogi dokazi o prisutnosti barem jednog takvog objekta u svemiru još nisu pronađeni. Međutim, vrlo je vjerojatno da su u nekim binarnim sustavima izvori X-zraka crne rupe zvjezdanog porijekla. Ovo zračenje mora biti posljedica usisavanja atmosfere obična zvijezda gravitacijskom polju susjedne rupe. Plin se tijekom svog kretanja prema horizontu događaja jako zagrijava i emitira kvante X-zraka. Najmanje dvadesetak izvora X-zraka sada se smatra prikladnim kandidatima za ulogu crnih rupa. Štoviše, zvjezdane statistike sugeriraju da samo u našoj Galaksiji postoji oko deset milijuna rupa zvjezdanog porijekla.

Crne rupe mogu nastati i u procesu gravitacijske kondenzacije tvari u galaktičkim jezgrama. Tako nastaju divovske rupe s masom od milijuna i milijardi solarnih masa, koje se, po svoj prilici, nalaze u mnogim galaksijama. Očigledno, u centru zatvorenom oblacima prašine mliječna staza skrivajući rupu s masom od 3-4 milijuna solarnih masa.

Stephen Hawking je došao do zaključka da bi se crne rupe proizvoljne mase mogle roditi odmah nakon Velikog praska, koji je iznjedrio naš Svemir. Primarne rupe teške i do milijardu tona već su isparile, no one teže još se mogu sakriti u dubinama svemira i s vremenom postaviti kozmički vatromet u obliku snažnih bljeskova gama zračenja. Međutim, takve eksplozije dosad nikada nisu uočene.

tvornica crnih rupa

Je li moguće ubrzati čestice u akceleratoru do tako velike energije da bi njihov sudar doveo do crne rupe? Na prvi pogled ova ideja je jednostavno luda – eksplozija rupe uništit će sav život na Zemlji. Štoviše, tehnički je neizvedivo. Ako je minimalna masa rupe doista 22 mikrograma, onda je u energetskim jedinicama 10 28 elektron-volti. Ovaj prag je 15 redova veličine veći od kapaciteta 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 koji razvijaju teoriju superstruna, koja uključuje kvantnu teoriju gravitacije (iako daleko od potpune). Prema ovoj teoriji, prostor ima ne manje od tri dimenzije, već najmanje devet. Ne primjećujemo dodatne dimenzije, jer su zapetljane u tako maloj skali da ih naši instrumenti ne percipiraju. Međutim, gravitacija je sveprisutna, ona prodire u skrivene dimenzije. U tri dimenzije, sila gravitacije je obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti, a u devet dimenzija je osma snaga. Stoga, u višedimenzionalnom svijetu, intenzitet gravitacijskog polja raste mnogo brže sa smanjenjem udaljenosti nego u trodimenzionalnom. U ovom slučaju, Planckova duljina se povećava mnogo puta, a minimalna masa rupe naglo pada.

Teorija struna predviđa da se u devetdimenzionalnom prostoru može roditi crna rupa mase od samo 10 -20 g. Izračunata relativistička masa protona ubrzanih u zern superakceleratoru je približno ista. Prema najoptimističnijem scenariju, on će moći proizvesti jednu rupu svake sekunde, koja će živjeti oko 10 -26 sekundi. U procesu njegovog isparavanja će se roditi sve vrste elementarnih čestica koje će se lako registrirati. Nestanak rupe dovest će do oslobađanja energije, koja nije dovoljna ni za zagrijavanje jednog mikrograma vode na tisućiti dio stupnja. Stoga postoji nada da će se LHC pretvoriti u tvornicu bezopasnih crnih rupa. Ako su ovi modeli točni, nova generacija detektora orbitalnih kozmičkih zraka također će moći detektirati takve rupe.

Sve navedeno vrijedi za stacionarne crne rupe. U međuvremenu, tu su i rotirajuće rupe koje imaju buket najzanimljivija svojstva. rezultate teorijska analiza zračenje crne rupe dovelo je i do ozbiljnog promišljanja koncepta entropije, što također zaslužuje posebnu raspravu. Više o tome u sljedećem broju.

S. TRANKOVSKY

Među najvažnije i najzanimljivije probleme moderne fizike i astrofizike akademik VL Ginzburg je naveo pitanja vezana za crne rupe (vidi Znanost i život, br. 11, 12, 1999.). Postojanje ovih čudnih objekata predviđeno je prije više od dvjesto godina, uvjeti koji su doveli do njihovog nastanka precizno su izračunati krajem 30-ih godina XX. stoljeća, a astrofizika se s njima uhvatila u koštac prije manje od četrdeset godina. Danas znanstvenih časopisa diljem svijeta svake godine objavljuju tisuće članaka o crnim rupama.

Nastanak crne rupe može se dogoditi na tri načina.

Tako je uobičajeno prikazati procese koji se odvijaju u blizini crne rupe koja se urušava. Kako vrijeme prolazi (Y), prostor (X) oko njega (zasjenjeno područje) se smanjuje prema singularnosti.

Gravitacijsko polje crne rupe unosi snažna izobličenja u geometriju prostora.

Crna rupa, nevidljiva kroz teleskop, otkriva se samo svojim gravitacijskim utjecajem.

U snažnom gravitacijskom polju crne rupe rađaju se parovi čestica-antičestica.

Rođenje para čestica-antičestica u laboratoriju.

KAKO SE POJAVA

svijetleći nebesko tijelo, koji ima gustoću jednaku Zemljinoj, a promjer dvjesto pedeset puta veći od promjera Sunca, zbog sile svog privlačenja, neće dopustiti da njegova svjetlost dopre do nas. Dakle, moguće je da najveća svjetleća tijela u svemiru, upravo zbog svoje veličine, ostanu nevidljiva.
Pierre Simon Laplace.
Predstavljanje sustava svijeta. 1796. godine

Godine 1783. engleski matematičar John Mitchell, a trinaest godina kasnije neovisno o njemu, francuski astronom i matematičar Pierre Simon Laplace proveli su vrlo čudnu studiju. Razmatrali su uvjete pod kojima svjetlost ne bi mogla napustiti zvijezdu.

Logika znanstvenika bila je jednostavna. Za bilo koji astronomski objekt (planet ili zvijezda) možete izračunati takozvanu brzinu bijega, odnosno drugu kozmička brzina, što omogućuje svakom tijelu ili čestici da ga zauvijek napusti. A u fizici tog vremena vladala je Newtonova teorija prema kojoj je svjetlost tok čestica (do teorije elektromagnetskih valova i kvanata preostalo je gotovo sto pedeset godina). Brzina bijega čestica može se izračunati na temelju jednakosti potencijalne energije na površini planeta i kinetičke energije tijela koje "bježi" na beskonačno veliku udaljenost. Ova je brzina određena formulom #1#

gdje M je masa svemirskog objekta, R je njegov polumjer, G je gravitacijska konstanta.

Odavde se lako dobiva polumjer tijela određene mase (kasnije nazvan "gravitacijski radijus". r g"), pri kojoj je brzina bijega jednaka brzini svjetlosti:

To znači da je zvijezda komprimirana u kuglu polumjera r g< 2GM/c 2 će prestati emitirati - svjetlost ga neće moći napustiti. U svemiru će se pojaviti crna rupa.

Lako je izračunati da će se Sunce (njegova masa je 2,1033 g) pretvoriti u crnu rupu ako se skupi na polumjer od oko 3 kilometra. Gustoća njegove tvari u ovom će slučaju doseći 10 16 g/cm 3 . Polumjer Zemlje, komprimiran u stanje crne rupe, smanjio bi se na oko jedan centimetar.

Činilo se nevjerojatnim da se u prirodi mogu naći sile koje bi mogle komprimirati zvijezdu do tako beznačajne veličine. Stoga su se zaključci iz rada Mitchella i Laplacea više od stotinu godina smatrali nečim poput matematičkog paradoksa koji nema fizičko značenje.

Strogi matematički dokaz da je takav egzotični objekt u svemiru moguć dobiven je tek 1916. godine. Njemački astronom Karl Schwarzschild, nakon analize jednadžbi opća teorija relativnosti Alberta Einsteina, dobio je zanimljiv rezultat. Proučavajući gibanje čestice u gravitacijskom polju masivnog tijela, došao je do zaključka da jednadžba gubi svoje fizičko značenje (njeno rješenje ide u beskonačnost) kada r= 0 i r = r g.

Točke u kojima karakteristike polja gube svoje značenje nazivaju se singularne, odnosno posebne. Singularnost u nultoj točki odražava točku, ili, što je isto, centralno simetričnu strukturu polja (uostalom, svako sferno tijelo - zvijezda ili planet - može se predstaviti kao materijalna točka). I točke koje se nalaze na sfernoj površini s polumjerom r g , tvore samu površinu s koje je izlazna brzina jednaka brzini svjetlosti. U općoj teoriji relativnosti naziva se Schwarzschildova singularna sfera ili horizont događaja (zašto - kasnije će biti jasno).

Već na primjeru nama poznatih objekata – Zemlje i Sunca – jasno je da su crne rupe vrlo čudni objekti. Čak i astronomi koji se bave materijom pri ekstremnim temperaturama, gustoći i tlaku smatraju ih vrlo egzotičnima, a donedavno nisu svi vjerovali u njihovo postojanje. Međutim, prve naznake mogućnosti nastanka crnih rupa sadržane su već u općoj teoriji relativnosti A. Einsteina, stvorenoj 1915. godine. Engleski astronom Arthur Eddington, jedan od prvih tumača i popularizatora teorije relativnosti, tridesetih je godina prošlog stoljeća izveo sustav jednadžbi koji opisuje unutarnja struktura zvijezde. Iz njih proizlazi da je zvijezda u ravnoteži pod djelovanjem suprotno usmjerenih gravitacijskih sila i unutarnjeg tlaka nastalog gibanjem čestica vruće plazme unutar svjetiljke i pritiskom zračenja koje nastaje u njezinim dubinama. A to znači da je zvijezda plinska kugla, u čijem se središtu nalazi visoka temperatura, koja se postupno smanjuje prema periferiji. Iz jednadžbi je, posebno, proizlazilo da je površinska temperatura Sunca oko 5500 stupnjeva (što je sasvim u skladu s podacima astronomskih mjerenja), a u njegovom središtu bi trebalo biti oko 10 milijuna stupnjeva. To je omogućilo Eddingtonu da donese proročki zaključak: na takvoj temperaturi se "zapali" termonuklearna reakcija, dovoljna da osigura sjaj Sunca. Atomski fizičari tog vremena nisu se složili s tim. Činilo im se da je u utrobi zvijezde previše "hladno": temperatura je tamo bila nedovoljna da bi reakcija "otišla". Na to je bijesni teoretičar odgovorio: "Potražite toplije mjesto!"

I na kraju se ispostavilo da je bio u pravu: termonuklearna reakcija se doista odvija u središtu zvijezde (druga stvar je da se takozvani "standardni solarni model", zasnovan na idejama o termonuklearnoj fuziji, očito pokazao kao biti netočan - vidi npr. "Znanost i život" br. 2, 3, 2000.). Ipak, reakcija u središtu zvijezde se odvija, zvijezda svijetli, a zračenje koje nastaje u ovom slučaju održava je u stabilnom stanju. Ali sada nuklearno "gorivo" u zvijezdi izgara. Oslobađanje energije prestaje, zračenje se gasi, a sila koja zadržava gravitacijsko privlačenje nestaje. Postoji ograničenje mase zvijezde, nakon čega se zvijezda počinje nepovratno smanjivati. Proračuni pokazuju da se to događa ako masa zvijezde premašuje dvije ili tri solarne mase.

GRAVITACIJSKI KOLAPS

Isprva je brzina kontrakcije zvijezde mala, ali njezina brzina kontinuirano raste, budući da je sila privlačenja obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti. Kompresija postaje nepovratna, nema sila koje bi mogle suprotstaviti vlastitu gravitaciju. Taj se proces naziva gravitacijski kolaps. Brzina ljuske zvijezde prema njenom središtu raste, približavajući se brzini svjetlosti. I ovdje učinci teorije relativnosti počinju igrati ulogu.

Brzina bijega izračunata je na temelju Newtonovih ideja o prirodi svjetlosti. Sa stajališta opće relativnosti, pojave u blizini zvijezde u kolapsu javljaju se nešto drugačije. U njegovom snažnom gravitacijskom polju događa se takozvani gravitacijski crveni pomak. To znači da je frekvencija zračenja koja dolazi od masivnog objekta pomaknuta prema niskim frekvencijama. U granici, na granici Schwarzschildove sfere, frekvencija zračenja postaje jednaka nuli. Odnosno, promatrač koji je izvan njega neće moći saznati ništa o tome što se događa unutra. Zato se Schwarzschildova sfera naziva horizontom događaja.

Ali smanjenje frekvencije je jednako usporavanju vremena, a kada frekvencija postane nula, vrijeme se zaustavlja. To znači da će vanjski promatrač vidjeti vrlo čudnu sliku: ljuska zvijezde koja pada sve većim ubrzanjem, umjesto da postigne brzinu svjetlosti, staje. S njegove točke gledišta, kontrakcija će prestati čim se veličina zvijezde približi gravitacijskom radijusu
brkovi. Nikada neće vidjeti niti jednu česticu kako "roni" ispod Schwarzschildove sfere. Ali za hipotetičkog promatrača koji padne u crnu rupu, sve će završiti za nekoliko trenutaka prema njegovom satu. Dakle, vrijeme gravitacijskog kolapsa zvijezde veličine Sunca bit će 29 minuta, a mnogo gušće i kompaktnije neutronska zvijezda- samo 1/20 000 sekunde. I evo ga u nevolji, povezanoj s geometrijom prostor-vremena u blizini crne rupe.

Promatrač ulazi u zakrivljeni prostor. U blizini gravitacijskog radijusa, gravitacijske sile postaju beskonačno velike; razvlače raketu s astronautom-promatračem u beskonačno tanku nit beskonačne duljine. Ali on sam to neće primijetiti: sve njegove deformacije odgovarat će izobličenjima prostorno-vremenskih koordinata. Ova se razmatranja, naravno, odnose na idealan, hipotetski slučaj. Svako pravo tijelo bit će rastrgnuto plimskim silama mnogo prije nego što se približi Schwarzschildovoj sferi.

DIMENZIJE CRNE RUPE

Veličina crne rupe, točnije, polumjer Schwarzschildove sfere proporcionalan je masi zvijezde. A budući da astrofizika ne nameće nikakva ograničenja na veličinu zvijezde, crna rupa može biti proizvoljno velika. Kada bi, na primjer, nastao tijekom kolapsa zvijezde s masom od 10 8 solarnih masa (ili zbog spajanja stotina tisuća, ili čak milijuna relativno malih zvijezda), njezin bi polumjer bio oko 300 milijuna kilometara, dva puta više od Zemljine orbite. A prosječna gustoća tvari takvog diva bliska je gustoći vode.

Očigledno se upravo takve crne rupe nalaze u središtima galaksija. U svakom slučaju, astronomi danas broje pedesetak galaksija u čijem se središtu, sudeći prema neizravnim znakovima (o njima ćemo u nastavku), nalaze crne rupe mase od oko milijardu (10 9) solarnih. Očito i naša galaksija ima svoju crnu rupu; njegova je masa prilično točno procijenjena - 2,4. 10 6 ±10% mase Sunca.

Teorija pretpostavlja da su uz takve superdivove trebale nastati crne mini-rupe mase oko 10 14 g i polumjera oko 10 -12 cm (veličine atomske jezgre). Mogli bi se pojaviti u prvim trenucima postojanja Svemira kao manifestacija vrlo jake nehomogenosti prostor-vremena s kolosalnom gustoćom energije. Uvjete koji su tada postojali u Svemiru istraživači sada ostvaruju na snažnim sudaračima (akceleratorima na sudarajućim snopovima). Eksperimenti u CERN-u početkom ove godine omogućili su dobivanje kvark-gluonske plazme - materije koja je postojala prije pojave elementarnih čestica. Istraživanje ovog stanja materije nastavlja se u Brookhavenu, američkom akceleratorskom centru. Sposoban je ubrzati čestice do energije jedan i pol do dva reda veličine veće od akceleratora u
CERN. Nadolazeći eksperiment izazvao je ozbiljnu tjeskobu: hoće li se tijekom njegove provedbe pojaviti crna mini rupa koja će saviti naš prostor i uništiti Zemlju?

Taj je strah izazvao tako snažan odgovor da je američka vlada bila prisiljena sazvati mjerodavno povjerenstvo da testira tu mogućnost. Komisija, koju su činili istaknuti istraživači, zaključila je da je energija akceleratora preniska za stvaranje crne rupe (ovaj eksperiment je opisan u časopisu Nauka i Zhizn, br. 3, 2000.).

KAKO VIDJETI NEVIDLJIVO

Crne rupe ne emitiraju ništa, čak ni svjetlost. No, astronomi su ih naučili vidjeti, odnosno pronaći "kandidate" za ovu ulogu. Postoje tri načina za otkrivanje crne rupe.

1. Potrebno je pratiti kruženje zvijezda u nakupinama oko određenog težišta. Ako se pokaže da u ovom centru nema ničega, a zvijezde se, takoreći, vrte oko praznog mjesta, možemo sasvim pouzdano reći: u ovoj "praznini" postoji crna rupa. Na temelju toga pretpostavljena je prisutnost crne rupe u središtu naše Galaksije i procijenjena njena masa.

2. Crna rupa aktivno usisava materiju u sebe iz okolnog prostora. Na njega spiralno padaju međuzvjezdana prašina, plin, materija obližnjih zvijezda, tvoreći takozvani akrecijski disk, sličan Saturnovom prstenu. (Upravo je to bilo zastrašujuće u eksperimentu u Brookhavenu: crna mini rupa koja je nastala u akceleratoru počet će usisati Zemlju u sebe, a taj proces nije mogla zaustaviti nijedna sila.) Približavajući se Schwarzschildovoj sferi, čestice doživljavaju ubrzanje i počnu zračiti u rendgenskom području. Ovo zračenje ima karakterističan spektar sličan dobro proučenom zračenju čestica ubrzanih u sinkrotronu. A ako takvo zračenje dolazi iz neke regije Svemira, možemo sa sigurnošću reći da tamo mora postojati crna rupa.

3. Kada se dvije crne rupe spoje, dolazi do gravitacijskog zračenja. Računa se da ako je masa svake od deset solarnih masa, onda kada se spoje za nekoliko sati u obliku gravitacijski valovi oslobodit će se energija koja odgovara 1% njihove ukupne mase. To je tisuću puta više od svjetlosti, topline i druge energije koju je Sunce emitiralo tijekom cijelog razdoblja svog postojanja – pet milijardi godina. Nadaju se da će otkriti gravitacijsko zračenje uz pomoć gravitacijsko-valnih zvjezdarnica LIGO i drugih, koje se sada grade u Americi i Europi uz sudjelovanje ruskih istraživača (vidi "Znanost i život" br. 5, 2000.).

Pa ipak, iako astronomi ne sumnjaju u postojanje crnih rupa, nitko ne može kategorički ustvrditi da se točno jedna od njih nalazi u određenoj točki u svemiru. Znanstvena etika, savjesnost istraživača zahtijevaju nedvosmislen odgovor na postavljeno pitanje, koji ne tolerira odstupanja. Nije dovoljno procijeniti masu nevidljivog objekta, potrebno je izmjeriti njegov polumjer i pokazati da ne prelazi Schwarzschildov. A čak ni unutar naše Galaksije ovaj problem još nije riješen. Zato znanstvenici pokazuju određenu suzdržanost u izvješćivanju o svom otkriću, a znanstveni časopisi doslovno su puni izvješća o teoretskom radu i opažanjima učinaka koji mogu rasvijetliti njihovu misteriju.

Istina, crne rupe imaju i još jedno svojstvo, teoretski predviđeno, koje bi ih, možda, omogućilo vidjeti. Ali, međutim, pod jednim uvjetom: masa crne rupe mora biti mnogo manja od mase Sunca.

CRNA RUPA MOŽDA BITI "BIJELA"

Dugo su se crne rupe smatrale utjelovljenjem tame, objektima koji u vakuumu, u nedostatku apsorpcije materije, ne zrače ništa. Međutim, 1974. godine poznati engleski teoretičar Stephen Hawking pokazao je da se crnim rupama može dodijeliti temperatura i stoga moraju zračiti.

Prema konceptima kvantne mehanike, vakuum nije praznina, već svojevrsna "pjena prostor-vremena", mješavina virtualnih (u našem svijetu neuočljivih) čestica. Međutim, kvantne fluktuacije energije sposobne su "izbaciti" par čestica-antičestica iz vakuuma. Na primjer, kada se sudare dva ili tri gama kvanta, elektron i pozitron će se pojaviti kao iz ničega. Ovaj i slični fenomeni su više puta uočeni u laboratorijima.

Upravo kvantne fluktuacije određuju procese zračenja crnih rupa. Ako par čestica s energijama E i -E(ukupna energija para je nula), nastaje u blizini Schwarzschildove sfere, daljnja sudbinačestice će biti različite. Mogu se uništiti gotovo odmah ili zajedno otići ispod horizonta događaja. U tom se slučaju stanje crne rupe neće promijeniti. Ali ako samo jedna čestica prođe ispod horizonta, promatrač će registrirati drugu, a činit će mu se da ju je stvorila crna rupa. U ovom slučaju, crna rupa koja je apsorbirala česticu s energijom -E, smanjit će svoju energiju, i to s energijom E- povećati.

Hawking je izračunao brzine kojima se odvijaju svi ti procesi i došao do zaključka da je vjerojatnost apsorpcije čestica s negativnom energijom veća. To znači da crna rupa gubi energiju i masu – isparava. Osim toga, zrači kao potpuno crno tijelo s temperaturom T = 6 . 10 -8 M sa / M kelvini, gdje M c je masa Sunca (2,1033 g), M je masa crne rupe. Ovaj jednostavan odnos pokazuje da je temperatura crne rupe čija je masa šest puta veća od Sunčeve stomilijuntni dio stupnja. Jasno je da tako hladno tijelo ne zrači praktički ništa, a svi navedeni argumenti ostaju na snazi. Još jedna stvar - mini rupe. Lako je vidjeti da su s masom od 10 14 -10 30 grama zagrijane na desetke tisuća stupnjeva i bijelo vruće! Međutim, odmah treba napomenuti da nema proturječnosti sa svojstvima crnih rupa: ovo zračenje emitira sloj iznad Schwarzschildove sfere, a ne ispod nje.

Dakle, crna rupa, koja je izgledala kao zauvijek smrznuti objekt, prije ili kasnije nestaje, isparavajući. Štoviše, kako "gubi na težini", brzina isparavanja se povećava, ali i dalje traje iznimno dugo. Procjenjuje se da bi mini-rupe teške 10 14 grama, koje su se pojavile neposredno nakon Velikog praska prije 10-15 milijardi godina, do našeg vremena trebale potpuno ispariti. Na posljednji korak Tijekom života njihova temperatura doseže kolosalnu vrijednost, pa produkti isparavanja moraju biti čestice iznimno velike energije. Moguće je da su oni ti koji stvaraju široke atmosferske pljuskove - EAS-ove u Zemljinoj atmosferi. U svakom slučaju, porijeklo čestica anomalno visoke energije još je jedan važan i zanimljiv problem koji se može usko povezati s ništa manje uzbudljivim pitanjima fizike crnih rupa.