Mūsdienu zinātniekiem melnais caurums ir viena no noslēpumainākajām parādībām mūsu Visumā. Šādu objektu izpēte ir sarežģīta, nav iespējams tos izmēģināt "pēc pieredzes". Melnā cauruma vielas masa, blīvums, šī objekta veidošanās procesi, izmēri - tas viss izraisa interesi speciālistu vidū un brīžiem - apjukumu. Apskatīsim tēmu sīkāk. Vispirms analizēsim, kas ir šāds objekts.
Vispārīga informācija
Apbrīnojama kosmiskā objekta iezīme ir maza rādiusa, liela melnā cauruma vielas blīvuma un neticami lielas masas kombinācija. Visas šobrīd zināmās šāda objekta fizikālās īpašības zinātniekiem šķiet dīvainas, bieži vien neizskaidrojamas. Pat vispieredzējušākie astrofiziķi joprojām ir pārsteigti par šādu parādību īpatnībām. Galvenā iezīme, kas ļauj zinātniekiem identificēt melno caurumu, ir notikumu horizonts, tas ir, robeža, kuras dēļ.nekas neatgriežas, ieskaitot gaismu. Ja zona ir pastāvīgi atdalīta, atdalīšanas robeža tiek apzīmēta kā notikumu horizonts. Ar pagaidu atdalīšanu redzama horizonta klātbūtne ir fiksēta. Reizēm laika jēdziens ir ļoti brīvs, tas ir, reģions var būt atdalīts uz laiku, kas pārsniedz pašreizējo Visuma vecumu. Ja ir redzams horizonts, kas pastāv ilgu laiku, to ir grūti atšķirt no notikumu horizonta.
Daudzos veidos melnā cauruma īpašības, to veidojošās vielas blīvums ir saistītas ar citām fizikālām īpašībām, kas darbojas mūsu pasaules likumos. Sfēriski simetriska melnā cauruma notikumu horizonts ir sfēra, kuras diametru nosaka tās masa. Jo lielāka masa tiek ievilkta uz iekšu, jo lielāks ir caurums. Un tomēr tas paliek pārsteidzoši mazs uz zvaigžņu fona, jo gravitācijas spiediens saspiež visu iekšā. Ja iedomājamies caurumu, kura masa atbilst mūsu planētai, tad šāda objekta rādiuss nepārsniegs dažus milimetrus, tas ir, tas būs par desmit miljardiem mazāks nekā zemei. Rādiuss tika nosaukts pēc Švarcšilda, zinātnieka, kurš pirmais izsecināja melnos caurumus kā Einšteina vispārējās relativitātes teorijas risinājumu.
Un iekšā?
Iekļuvis šādā objektā, diez vai cilvēks uz sevis pamanīs milzīgu blīvumu. Melnā cauruma īpašības nav labi izprotamas, lai būtu droši, kas notiks, taču zinātnieki uzskata, ka, šķērsojot horizontu, nekas īpašs nevar atklāties. To izskaidro līdzvērtīgs Einšteinsprincips, kas izskaidro, kāpēc lauks, kas veido horizonta izliekumu, un plaknei raksturīgais paātrinājums novērotājam neatšķiras. Sekojot šķērsošanas procesam no attāluma, var redzēt, ka objekts pie horizonta sāk palēnināties, it kā šajā vietā laiks ritētu lēni. Pēc kāda laika objekts šķērsos horizontu, iekritīs Švarcšilda rādiusā.
Matērijas blīvums melnajā caurumā, objekta masa, tā izmēri un paisuma spēki, kā arī gravitācijas lauks ir cieši saistīti. Jo lielāks rādiuss, jo mazāks blīvums. Rādiuss palielinās līdz ar svaru. Paisuma spēki ir apgriezti proporcionāli svaram kvadrātā, tas ir, palielinoties izmēriem un samazinoties blīvumam, objekta paisuma spēki samazinās. Apvārsni būs iespējams pārvarēt pirms šī fakta pamanīšanas, ja objekta masa ir ļoti liela. Vispārējās relativitātes teorijas sākumā tika uzskatīts, ka pie apvāršņa ir singularitāte, taču izrādījās, ka tas tā nav.
Par blīvumu
Kā liecina pētījumi, melnā cauruma blīvums atkarībā no masas var būt lielāks vai mazāks. Dažādiem objektiem šis indikators mainās, bet vienmēr samazinās, palielinoties rādiusam. Var parādīties supermasīvi caurumi, kas veidojas ekstensīvā veidā materiāla uzkrāšanās dēļ. Vidēji šādu objektu blīvums, kuru masa atbilst vairāku miljardu gaismekļu kopējai masai mūsu sistēmā, ir mazāks par ūdens blīvumu. Dažreiz tas ir salīdzināms ar gāzes blīvuma līmeni. Šī objekta paisuma spēks tiek aktivizēts jau pēc tam, kad novērotājs šķērso horizontunotikumiem. Hipotētiskais pētnieks neciestu, tuvojoties horizontam, un nokristu daudzus tūkstošus kilometru, ja atrastu aizsardzību no diska plazmas. Ja vērotājs neatskatīsies atpakaļ, viņš nepamanīs, ka horizonts ir šķērsots, un, pagriežot galvu, viņš, iespējams, ieraudzīs pie horizonta sastingušus gaismas starus. Laiks novērotājam ritēs ļoti lēni, viņš varēs izsekot notikumiem bedres tuvumā līdz pat nāves brīdim – vai nu viņai, vai Visumam.
Lai noteiktu supermasīva melnā cauruma blīvumu, jums jāzina tā masa. Atrodiet šī daudzuma vērtību un Švarcšilda tilpumu, kas raksturīgs kosmosa objektam. Vidēji šāds rādītājs, pēc astrofiziķu domām, ir ārkārtīgi mazs. Iespaidīgā procentuālā daļā gadījumu tas ir mazāks par gaisa blīvuma līmeni. Parādība ir izskaidrota šādi. Švarcšilda rādiuss ir tieši saistīts ar svaru, savukārt blīvums ir apgriezti saistīts ar tilpumu un līdz ar to arī Švarcšilda rādiusu. Tilpums ir tieši saistīts ar kuba rādiusu. Masa palielinās lineāri. Attiecīgi tilpums aug ātrāk nekā svars, un vidējais blīvums kļūst mazāks, jo lielāks ir pētāmā objekta rādiuss.
Interesanti uzzināt
Caurumam raksturīgais paisuma spēks ir gravitācijas spēka gradients, kas pie horizonta ir diezgan liels, tāpēc no šejienes nevar aizbēgt pat fotoni. Tajā pašā laikā parametra pieaugums notiek diezgan vienmērīgi, kas ļauj novērotājam pārvarēt horizontu, neapdraudot sevi.
Pētījumi par melnā cauruma blīvumuobjekta centrs joprojām ir samērā ierobežots. Astrofiziķi ir noskaidrojuši, ka jo tuvāk centrālā singularitāte, jo augstāks ir blīvuma līmenis. Iepriekš minētais aprēķinu mehānisms ļauj iegūt ļoti vidēju priekšstatu par notiekošo.
Zinātniekiem ir ārkārtīgi ierobežoti priekšstati par bedrē notiekošo, tās uzbūvi. Pēc astrofiziķu domām, blīvuma sadalījums caurumā nav īpaši nozīmīgs ārējam novērotājam, vismaz pašreizējā līmenī. Daudz informatīvāka smaguma, svara specifikācija. Jo lielāka masa, jo spēcīgāks centrs, horizonts ir atdalīti viens no otra. Ir arī tādi pieņēmumi: tieši aiz horizonta matērijas principā nav, to var noteikt tikai objekta dziļumos.
Vai ir zināmi kādi skaitļi?
Zinātnieki jau ilgu laiku ir domājuši par melnā cauruma blīvumu. Tika veikti atsevišķi pētījumi, mēģināts aprēķināt. Šeit ir viens no tiem.
Saules masa ir 210^30 kg. Objekta vietā var veidoties caurums, kas ir vairākas reizes lielāks par Sauli. Vieglākā cauruma blīvums tiek lēsts vidēji 10^18 kg/m3. Tas ir par lielumu augstāks par atoma kodola blīvumu. Aptuveni tāda pati atšķirība no vidējā blīvuma līmeņa, kas raksturīgs neitronu zvaigznei.
Iespējama ultravieglu caurumu esamība, kuru izmēri atbilst subnukleārajām daļiņām. Šādiem objektiem blīvuma indekss būs pārmērīgi liels.
Ja mūsu planēta kļūs par caurumu, tās blīvums būs aptuveni 210^30 kg/m3. Tomēr zinātniekiem tas nav izdeviesatklāt procesus, kuru rezultātā mūsu kosmosa māja var pārvērsties par melno caurumu.
Par skaitļiem sīkāk
Melnā cauruma blīvums Piena Ceļa centrā tiek lēsts 1,1 miljona kg/m3. Šī objekta masa atbilst 4 miljoniem saules masu. Tiek lēsts, ka bedres rādiuss ir 12 miljoni km. Norādītais melnā cauruma blīvums Piena Ceļa centrā sniedz priekšstatu par supermasīvo caurumu fiziskajiem parametriem.
Ja kāda objekta svars ir 10^38 kg, tas ir, tiek lēsts, ka tas ir aptuveni 100 miljoni Saules, tad astronomiskā objekta blīvums atbildīs uz mūsu planētas sastopamā granīta blīvuma līmenim.
No visiem mūsdienu astrofiziķiem zināmajiem caurumiem viens no smagākajiem caurumiem tika atrasts kvazārā OJ 287. Tā svars atbilst 18 miljardiem mūsu sistēmas gaismekļu. Kāds ir melnā cauruma blīvums, zinātnieki ir aprēķinājuši bez lielām grūtībām. Vērtība izrādījās izzūdoši maza. Tas ir tikai 60 g/m3. Salīdzinājumam: mūsu planētas atmosfēras gaisa blīvums ir 1,29 mg/m3.
No kurienes rodas caurumi?
Zinātnieki ne tikai veica pētījumus, lai noteiktu melnā cauruma blīvumu salīdzinājumā ar mūsu sistēmas zvaigzni vai citiem kosmiskajiem ķermeņiem, bet arī mēģināja noteikt, no kurienes nāk caurumi, kādi ir to veidošanās mehānismi. noslēpumaini objekti. Tagad ir ideja par četriem caurumu parādīšanās veidiem. Saprotamākais variants ir zvaigznes sabrukums. Kad tas kļūst liels, sintēze kodolā ir pabeigta,spiediens pazūd, matērija nokrīt uz smaguma centru, tāpēc parādās caurums. Tuvojoties centram, blīvums palielinās. Agrāk vai vēlāk indikators kļūst tik nozīmīgs, ka ārējie objekti nespēj pārvarēt gravitācijas ietekmi. No šī brīža parādās jauns caurums. Šis veids ir biežāk nekā citi, un to sauc par saules masas caurumiem.
Cits diezgan izplatīts caurumu veids ir supermasīvs. Tos biežāk novēro galaktikas centros. Objekta masa, salīdzinot ar iepriekš aprakstīto saules masas caurumu, ir miljardiem reižu lielāka. Zinātnieki vēl nav noskaidrojuši šādu objektu izpausmes procesus. Tiek pieņemts, ka saskaņā ar iepriekš aprakstīto mehānismu vispirms tiek izveidots caurums, pēc tam tiek absorbētas blakus esošās zvaigznes, kas noved pie augšanas. Tas ir iespējams, ja galaktikas zona ir blīvi apdzīvota. Vielas absorbcija notiek ātrāk, nekā to var izskaidrot ar iepriekš minēto shēmu, un zinātnieki vēl nevar uzminēt, kā notiek absorbcija.
Pieņēmumi un idejas
Astrofiziķiem ļoti grūts temats ir pirmatnējie caurumi. Tādi, iespējams, parādās no jebkuras masas. Tie var veidoties lielās svārstībās. Iespējams, šādu caurumu parādīšanās notika agrīnajā Visumā. Līdz šim pētījumi, kas veltīti melno caurumu īpašībām, iezīmēm (tostarp blīvumam), to parādīšanās procesiem, neļauj noteikt modeli, kas precīzi atveido primārā cauruma parādīšanās procesu. Pašlaik zināmie modeļi pārsvarā ir tādi, ka, ja tie tiktu ieviesti patiesībā,būtu pārāk daudz caurumu.
Pieņemsim, ka lielais hadronu paātrinātājs var kļūt par cauruma veidošanās avotu, kura masa atbilst Higsa bozonam. Attiecīgi melnā cauruma blīvums būs ļoti liels. Ja šāda teorija tiek apstiprināta, to var uzskatīt par netiešu pierādījumu papildu dimensiju klātbūtnei. Šobrīd šis spekulatīvais secinājums vēl nav apstiprināts.
Radiācija no cauruma
Cauruma emisija ir izskaidrojama ar matērijas kvantu ietekmi. Telpa ir dinamiska, tāpēc daļiņas šeit ir pilnīgi atšķirīgas no tām, pie kurām esam pieraduši. Blakus bedrei tiek izkropļots ne tikai laiks; daļiņas izpratne lielā mērā ir atkarīga no tā, kurš to novēro. Ja kāds iekrīt bedrē, viņam šķiet, ka viņš iegrimst vakuumā, un attālam novērotājam tā izskatās kā daļiņu piepildīta zona. Efekts izskaidrojams ar laika un telpas stiepšanu. Radiāciju no cauruma pirmais identificēja Hokings, kura vārds tika dots parādībai. Radiācijas temperatūra ir apgriezti saistīta ar masu. Jo mazāks ir astronomiskā objekta svars, jo augstāka ir temperatūra (kā arī melnā cauruma blīvums). Ja caurums ir supermasīvs vai tā masa ir salīdzināma ar zvaigzni, tā starojuma raksturīgā temperatūra būs zemāka par mikroviļņu fonu. Šī iemesla dēļ viņu nav iespējams novērot.
Šis starojums izskaidro datu zudumu. Tas ir termiskās parādības nosaukums, kam ir viena izteikta īpašība - temperatūra. Pētījumā nav informācijas par caurumu veidošanās procesiem, taču objekts, kas izstaro šādu starojumu, vienlaikus zaudē masu (tātad augmelnā cauruma blīvums) tiek samazināts. Procesu nenosaka viela, no kuras veidojas bedre, nav atkarīgs no tā, kas tajā iesūkts vēlāk. Zinātnieki nevar pateikt, kas kļuva par bedres pamatni. Turklāt pētījumi ir parādījuši, ka starojums ir neatgriezenisks process, tas ir, tāds, kas kvantu mehānikā vienkārši nevar pastāvēt. Tas nozīmē, ka starojumu nevar saskaņot ar kvantu teoriju, un neatbilstība prasa turpmāku darbu šajā virzienā. Lai gan zinātnieki uzskata, ka Hokinga starojumam vajadzētu saturēt informāciju, mums vienkārši vēl nav līdzekļu, iespēju to atklāt.
Ziņkārīgs: par neitronu zvaigznēm
Ja eksistē supermilzis, tas nenozīmē, ka šāds astronomisks ķermenis ir mūžīgs. Laika gaitā tas mainās, izmet ārējos slāņus. No paliekām var parādīties b altie punduri. Otra iespēja ir neitronu zvaigznes. Konkrētus procesus nosaka primārā ķermeņa kodolmasa. Ja tas tiek lēsts 1,4-3 saules robežās, tad supergiganta iznīcināšanu pavada ļoti augsts spiediens, kura dēļ elektroni it kā tiek iespiesti protonos. Tas noved pie neitronu veidošanās, neitrīno emisijas. Fizikā to sauc par neitronu deģenerētu gāzi. Tā spiediens ir tāds, ka zvaigzne vairs nevar sarauties.
Tomēr, kā liecina pētījumi, iespējams, ne visas neitronu zvaigznes parādījās šādā veidā. Dažas no tām ir lielas paliekas, kas uzsprāga kā otrā supernova.
Toma ķermeņa rādiussmazāka nekā lielāka masa. Lielākajai daļai tas svārstās no 10 līdz 100 km. Tika veikti pētījumi, lai noteiktu melno caurumu, neitronu zvaigžņu blīvumu. Otrajam, kā liecina testi, parametrs ir salīdzinoši tuvs atomu parametram. Astrofiziķu noteiktie konkrētie skaitļi: 10^10 g/cm3.
Interesanti uzzināt: teorija un prakse
Neitronu zvaigznes teorētiski tika prognozētas pagājušā gadsimta 60. un 70. gados. Pulsāri bija pirmie, kas tika atklāti. Tās ir mazas zvaigznes, kuru rotācijas ātrums ir ļoti liels, un magnētiskais lauks ir patiesi grandiozs. Tiek pieņemts, ka pulsārs šos parametrus manto no sākotnējās zvaigznes. Rotācijas periods svārstās no milisekundēm līdz vairākām sekundēm. Pirmie zināmie pulsāri izstaroja periodisku radio emisiju. Mūsdienās ir zināmi pulsāri ar rentgenstaru spektra starojumu, gamma starojumu.
Aprakstītais neitronu zvaigžņu veidošanās process var turpināties – nekas to nevar apturēt. Ja kodola masa ir vairāk nekā trīs saules masas, tad smailais ķermenis ir ļoti kompakts, to sauc par caurumiem. Melnajam caurumam, kura masa ir lielāka par kritisko, īpašības noteikt nebūs iespējams. Ja daļa no masas tiek zaudēta Hokinga starojuma dēļ, rādiuss vienlaikus samazināsies, tāpēc svara vērtība atkal būs mazāka par šī objekta kritisko vērtību.
Vai caurums var nomirt?
Zinātnieki izvirza pieņēmumus par procesu esamību daļiņu un antidaļiņu līdzdalības dēļ. Elementu svārstības var izraisīt tukšās vietas raksturojumunulles enerģijas līmenis, kas (šeit ir paradokss!) nebūs vienāds ar nulli. Tajā pašā laikā ķermenim raksturīgais notikumu horizonts saņems zemas enerģijas spektru, kas raksturīgs absolūti melnajam ķermenim. Šāds starojums izraisīs masas zudumu. Apvārsnis nedaudz saruks. Pieņemsim, ka ir divi daļiņu un tās antagonistu pāri. Notiek daļiņas iznīcināšana no viena pāra un tās antagonists no cita pāra. Tā rezultātā ir fotoni, kas izlido no cauruma. Otrais piedāvāto daļiņu pāris iekrīt caurumā, vienlaikus absorbējot zināmu daudzumu masas, enerģijas. Pamazām tas noved pie melnā cauruma nāves.
Nobeigumā
Pēc dažu domām, melnais caurums ir sava veida kosmisks putekļsūcējs. Caurums var norīt zvaigzni, tas var pat “apēst” galaktiku. Daudzējādā ziņā cauruma īpašību, kā arī tās veidošanās pazīmju skaidrojums ir atrodams relativitātes teorijā. No tā zināms, ka laiks ir nepārtraukts, tāpat kā telpa. Tas izskaidro, kāpēc saspiešanas procesus nevar apturēt, tie ir neierobežoti un neierobežoti.
Tie ir šie noslēpumainie melnie caurumi, par kuriem astrofiziķi ir mīdījuši savas smadzenes vairāk nekā desmit gadus.
