Af alle de hypotetiske objekter i universet, der er forudsagt af videnskabelige teorier, giver sorte huller det mest uhyggelige indtryk. Og selvom antagelser om deres eksistens begyndte at komme til udtryk næsten halvandet århundrede før Einsteins offentliggørelse af generel relativitet, blev der overbevist bevis for deres eksistens virkelighed for nylig.
Lad os starte med at se på, hvordan generel relativitet adresserer spørgsmålet om tyngdekraften. Newtons tyngdelov hedder, at en kraft af gensidig tiltrækning virker mellem to store masser i universet. På grund af denne gravitationsattraktion drejer Jorden sig omkring Solen. Generel relativitet tvinger os til at se på Sun-Earth-systemet anderledes. I henhold til denne teori, i nærværelse af et så massivt himmellegeme som Solen, er rumtid som sådan perforeret under dens vægt, og ensartetheden af dens væv forstyrres. Forestil dig en elastisk trampolin med en tung kugle (for eksempel fra en bowlingbane) hviler på den. Det strakte stof bøjer sig under sin vægt og skaber et vakuum omkring det. På samme måde skubber Solen rumtid omkring sig selv.
I henhold til dette billede ruller Jorden simpelthen rundt om den dannede tragt (bortset fra at en lille kugle, der ruller rundt om en tung en på en trampolin, uundgåeligt mister hastigheden og spiralen tættere på en stor en). Og det, som vi sædvanligvis opfatter som tyngdekraften i vores hverdag, er heller ikke andet end en ændring i rumtidens geometri og ikke en styrke i Newtons forståelse. Indtil videre er der ikke blevet opfundet nogen mere vellykket forklaring af tyngdekraften end den generelle relativitetsteori.
Forestil dig nu, hvad der vil ske, hvis vi - inden for rammerne af det foreslåede billede - øger og øger massen af en tung kugle uden at øge dens fysiske størrelse? Når den er absolut elastisk, vil tragten uddybe, indtil dens øverste kanter konvergerer et sted højt over den helt tunge kugle, og derefter ophører den ganske enkelt med at eksistere, når den ses fra overfladen. I det virkelige univers, efter at have akkumuleret en tilstrækkelig masse og massefylde af stof, smækker et objekt en rum-tid-fælde omkring sig selv, stoffet i rum-tid lukkes, og det mister sin forbindelse med resten af universet og bliver usynlig for det. Sådan ser et sort hul ud.
Schwarzschild og hans samtidige mente, at sådanne mærkelige rumgenstande ikke eksisterede i naturen. Einstein selv holdt ikke kun dette synspunkt, men troede også forkert at have lykkedes ham med at underbygge sin mening matematisk.
I 1930'erne beviste den unge indiske astrofysiker Chandrasekhar, at en stjerne, der brugte sit nukleare brændstof, kaster sin skal og omdannes til en langsomt afkøling, hvid dværg, hvis dens masse er mindre end 1,4 gange solens masse. Snart indså den amerikanske Fritz Zwicky, at supernovaeksplosioner producerer ekstremt tætte organer af neutronmateriale; senere kom Lev Landau til den samme konklusion. Efter Chandrasekhar's arbejde var det tydeligt, at kun stjerner med en masse på mere end 1,4 solmasser kan gennemgå en sådan udvikling. Derfor opstod et naturligt spørgsmål - er der en øvre massegrænse for supernovaer, der efterlader neutronstjerner?
I slutningen af 1930'erne konstaterede den kommende far til den amerikanske atombombe, Robert Oppenheimer, at en sådan grænse findes og ikke overstiger et par solmasser. Det var da ikke muligt at give en mere præcis vurdering; det vides nu, at masserne af neutronstjerner skal være i intervallet 1,5-3 Ms. Men selv fra de omtrentlige beregninger af Oppenheimer og hans kandidatstuderende George Volkov fulgte det, at de mest massive efterkommere af supernovaer ikke bliver neutronstjerner, men går ind i en anden tilstand. I 1939 beviste Oppenheimer og Hartland Snyder ved hjælp af en idealiseret model, at en massiv kollapsende stjerne sammentrækker sin gravitationsradius. Fra deres formler følger det faktisk, at stjernen ikke stopper der, men medforfatterne afholdt sig fra en sådan radikal konklusion.
Salgsfremmende video:
1911-09-07 - 2008-13-04.
Det endelige svar blev fundet i anden halvdel af det 20. århundrede gennem indsatsen fra en hel galakse af strålende teoretiske fysikere, inklusive sovjetiske. Det viste sig, at en sådan sammenbrud altid komprimerer stjernen "hele vejen" og ødelægger dens stof fuldstændigt. Som et resultat opstår en singularitet, et "superkoncentrat" af tyngdefeltet, lukket i et uendeligt lille volumen. For et stationært hul er dette et punkt for en roterende en ring. Rumtidens krumning og følgelig tyngdekraften nær singulariteten har en tendens til uendelighed. I slutningen af 1967 var den amerikanske fysiker John Archibald Wheeler den første til at kalde et sådant sidste stjernekollaps et sort hul. Det nye udtryk blev forelsket i fysikere og glade journalister, der spredte det rundt om i verden (selvom franskmændene først ikke kunne lide det, da udtrykket trou noir antydede tvivlsomme foreninger).
Den vigtigste egenskab ved et sort hul er, at uanset hvad der kommer ind i det, kommer det ikke tilbage. Dette gælder endda for lys, og det er grunden til, at sorte huller fik deres navn: en krop, der absorberer alt lyset, der falder på det og ikke udsender sit eget, ser ud til at være absolut sort. I henhold til den generelle relativitet, hvis et objekt nærmer sig midten af et sort hul i en kritisk afstand - denne afstand kaldes Schwarzschild-radius - kan det aldrig gå tilbage. (Den tyske astronom Karl Schwarzschild (1873-1916) i de sidste år af hans liv, ved hjælp af ligningerne af Einsteins generelle relativitetsteori, beregnet tyngdefeltet omkring en masse på nulvolumen.) For solens masse er Schwarzschild-radius 3 km, det vil sige for at vende vores Solen er i et sort hul, du er nødt til at komprimere hele sin masse til størrelsen af en lille by!
Inden i Schwarzschild-radius forudsiger teorien endnu fremmere fænomener: alt sagen om et sort hul samles ind i et uendeligt lille punkt med uendelig tæthed i centrum - matematikere kalder et sådant objekt en enestående forstyrrelse. Med en uendelig massefylde optager enhver endelig masse af stof, matematisk set, nul rumlig volumen. Hvorvidt dette fænomen faktisk forekommer i et sort hul, kan vi selvfølgelig ikke eksperimentelt kontrollere, da alt, hvad der kommer inden i Schwarzschild-radius, ikke kommer tilbage.
Når vi ikke har mulighed for at "undersøge" et sort hul i den traditionelle betydning af ordet "look", kan vi ikke desto mindre opdage dets tilstedeværelse ved indirekte tegn på indflydelsen fra dets supermægtige og helt usædvanlige tyngdefelt på sagen omkring det.
Supermassive sorte huller
I midten af vores Mælkevej og andre galakser er et utroligt massivt sort hul millioner millioner gange tungere end Solen. Disse supermassive sorte huller (som de fik dette navn) blev opdaget ved at observere arten af bevægelsen af interstellar gas nær galaksernes centre. Gasser, bedømt efter observationer, roterer i tæt afstand fra et supermassivt objekt, og enkle beregninger ved hjælp af lovene i Newtonian mekanik viser, at objektet, der tiltrækker dem, med en lille diameter, har en uhyrlig masse. Kun et sort hul kan dreje den interstellare gas i midten af galaksen på denne måde. Faktisk har astrofysikere allerede fundet snesevis af så massive sorte huller i centrum af nærliggende galakser, og har stærkt mistanke om, at midten af enhver galakse er et sort hul.
Stjernemasse sorte huller
I henhold til vores nuværende ideer om udviklingen af stjerner, når en stjerne med en masse, der overstiger ca. 30 gange solenes masse, dør med en supernovaeksplosion, spreder dens ydre skal, og dens indre lag kollapser hurtigt mod midten og danner et sort hul i stedet for stjernen, der har brugt sine brændstofreserver. Det er praktisk talt umuligt at opdage et sort hul af denne oprindelse isoleret i interstellar rummet, da det er i et sjældent vakuum og ikke manifesterer sig på nogen måde med hensyn til gravitationsinteraktioner. Hvis et sådant hul dog var en del af et binært stjernesystem (to varme stjerner, der kredser rundt om deres massepunkt), vil det sorte hul stadig have en gravitationseffekt på dets tvillingstjerne. Astronomer har i dag mere end et dusin kandidater til rollen som stjernesystemer af denne art,skønt der ikke er opnået stærk dokumentation for nogen af dem.
I et binært system med et sort hul i dets sammensætning vil substansen af den "levende" stjerne uundgåeligt "flyde" i retning af det sorte hul. Og stoffet, der suges ud af det sorte hul, hvirvler, når det falder ned i det sorte hul i en spiral, og forsvinder, når det krydser Schwarzschild-radius. Når man nærmer sig den fatale grænse, vil stoffet, der suges ind i det sorte huls tragt, uundgåeligt blive tykkere og opvarmes på grund af stigningen i kollisioner mellem partiklerne, der absorberes af hullet, indtil det varmer op til bølgestrålingen i røntgenområdet i det elektromagnetiske spektrum. Astronomer kan måle periodiciteten af ændringer i intensiteten af røntgenstråler af denne art og beregne, sammenligne det med andre tilgængelige data, den omtrentlige masse af et objekt, der "trækker" stof på sig selv. Hvis objektets masse overstiger Chandrasekhar-grænsen (1,4 solmasser),dette objekt kan ikke være en hvid dværg, hvor vores stjerne er bestemt til at udarte. I de fleste af de identificerede tilfælde af observation af sådanne binære røntgenstjerner er en neutronstjerne et massivt objekt. Mere end et dusin tilfælde er imidlertid allerede talt, når den eneste rimelige forklaring er tilstedeværelsen af et sort hul i et binært stjernesystem.
Alle andre typer sorte huller er meget mere spekulative og udelukkende baseret på teoretisk forskning - der er overhovedet ikke noget eksperimentelt bevis på, at de eksisterer. For det første er dette sorte mini-huller med en masse, der kan sammenlignes med massen af et bjerg og komprimeret med en protons radius. Ideen om deres oprindelse i det indledende stadium af dannelsen af universet umiddelbart efter Big Bang blev udtrykt af den engelske kosmolog Stephen Hawking (se The Hidden Principle of the Irreversibility of Time). Hawking antydede, at mini-hul-eksplosioner kunne forklare det virkelig mystiske fænomen med mejslede gammastråler i universet. For det andet forudsiger nogle teorier om elementære partikler eksistensen i universet - på mikroniveau - af en reel sigte af sorte huller, som er en slags skum fra affaldet fra universet. Diameteren på sådanne mikrohuller er angiveligt ca. 10–33 cm - de er milliarder gange mindre end en proton. I øjeblikket har vi ikke forhåbninger om eksperimentel verifikation af endda selve kendsgerningen om eksistensen af sådanne sorte hulpartikler, let ikke på en eller anden måde at undersøge deres egenskaber.
Og hvad sker der med observatøren, hvis han pludselig befinder sig på den anden side af gravitationsradiusen, ellers kaldet begivenhedshorisonten. Det er her den mest fantastiske egenskab ved sorte huller begynder. Det er ikke for ingenting, at vi altid har nævnt tid, eller rettere tid, når vi taler om sorte huller. I henhold til Einsteins relativitetsteori, jo hurtigere en krop bevæger sig, jo mere bliver dens masse, men den langsommere tid begynder at gå! Ved lave hastigheder under normale forhold er denne effekt usynlig, men hvis kroppen (rumskibet) bevæger sig med en hastighed tæt på lysets hastighed, øges dens masse, og tiden bremser! Når kroppens hastighed er lig lysets hastighed, går massen til uendelig, og tiden stopper! Dette fremgår af strenge matematiske formler. Lad os gå tilbage til det sorte hul. Lad os forestille os en fantastisk situationnår et rumskib med astronauter om bord nærmer sig dens gravitationsradius eller begivenhedshorisont. Det er tydeligt, at begivenhedshorisonten er så navngivet, fordi vi kun kan observere eventuelle begivenheder (generelt observere noget) op til denne grænse. At vi ikke er i stand til at overholde denne grænse. Ikke desto mindre vil astronauterne være inde i rumfartøjet, der nærmer sig det sorte hul, det samme som før, fordi på deres vagt vil tiden køre "normalt". Rumfartøjet vil roligt krydse begivenhedshorisonten og gå videre. Men da dens hastighed vil være tæt på lysets hastighed, når rumskibet midten af det sorte hul bogstaveligt talt i et øjeblik.at vi kun kan observere eventuelle begivenheder (generelt observere noget) op til denne grænse. At vi ikke er i stand til at overholde denne grænse. Ikke desto mindre vil astronauterne være inde i rumfartøjet, der nærmer sig det sorte hul, det samme som før, fordi på deres vagt vil tiden køre "normalt". Rumfartøjet vil roligt krydse begivenhedshorisonten og gå videre. Men da dens hastighed vil være tæt på lysets hastighed, når rumskibet midten af det sorte hul bogstaveligt talt i et øjeblik.at vi kun kan observere eventuelle begivenheder (generelt observere noget) op til denne grænse. At vi ikke er i stand til at overholde denne grænse. Ikke desto mindre vil astronauterne være inde i rumfartøjet, der nærmer sig det sorte hul, det samme som før, fordi på deres vagt vil tiden køre "normalt". Rumfartøjet vil roligt krydse begivenhedshorisonten og gå videre. Men da dens hastighed vil være tæt på lysets hastighed, når rumskibet midten af det sorte hul bogstaveligt talt i et øjeblik. Men da dens hastighed vil være tæt på lysets hastighed, når rumskibet midten af det sorte hul bogstaveligt talt i et øjeblik. Men da dens hastighed vil være tæt på lysets hastighed, når rumskibet midten af det sorte hul bogstaveligt talt i et øjeblik.
Og for en ekstern observatør stopper rumfartøjet simpelthen i begivenhedshorisonten og forbliver der næsten for evigt! Dette er paradokset for den kolossale gravitation af sorte huller. Spørgsmålet er naturligt, vil astronauterne overleve og gå i uendelighed i henhold til uret fra en ekstern observatør. Ikke. Og pointen er slet ikke den enorme gravitation, men tidevandskræfterne, som i et så lille og massivt legeme varierer meget på små afstande. Når en astronaut er 1 m 70 cm høj, vil tidevandskræfterne ved hans hoved være meget mindre end ved hans fødder, og han vil simpelthen blive revet fra hinanden i begivenhedshorisonten. Så generelt set regnede vi ud, hvad sorte huller er, men indtil videre talte vi om sorte huller med stjernemasse. I øjeblikket har astronomer formået at finde supermassive sorte huller, hvis masse kan være en milliard solskin!Supermassive sorte huller adskiller sig ikke i egenskaber fra deres mindre kolleger. De er kun meget mere massive og er som regel placeret i galaksernes centre - universets stjernernes øer. I midten af vores galakse (Mælkevejen) er der også et supermassivt sort hul. Den kolossale masse af sådanne sorte huller vil gøre det muligt at søge efter dem ikke kun i Our Galaxy, men også i centrum af fjerne galakser beliggende i en afstand af millioner og milliarder lysår fra Jorden og Solen. Europæiske og amerikanske forskere har foretaget en global søgning efter supermassive sorte huller, som ifølge moderne teoretiske beregninger skulle være placeret i midten af enhver galakse. Den kolossale masse af sådanne sorte huller vil gøre det muligt at søge efter dem ikke kun i Our Galaxy, men også i centrum af fjerne galakser beliggende i en afstand af millioner og milliarder lysår fra Jorden og Solen. Europæiske og amerikanske forskere har foretaget en global søgning efter supermassive sorte huller, som ifølge moderne teoretiske beregninger skulle være placeret i midten af enhver galakse. Den kolossale masse af sådanne sorte huller vil gøre det muligt at søge efter dem ikke kun i Our Galaxy, men også i centrum af fjerne galakser beliggende i en afstand af millioner og milliarder lysår fra Jorden og Solen. Europæiske og amerikanske forskere har foretaget en global søgning efter supermassive sorte huller, som ifølge moderne teoretiske beregninger skulle være placeret i midten af enhver galakse.
Moderne teknologi gør det muligt at registrere tilstedeværelsen af disse sammenbrud i galakserne i nærheden, men meget få af dem er blevet fundet. Dette betyder, at enten sorte huller simpelthen gemmer sig i tæt gas og støvskyer i den centrale del af galakser, eller de er i fjernere hjørner af universet. Så sorte huller kan detekteres ved røntgenstråling, der udsendes under akkretionen af stof på dem, og for at gøre en folketælling af sådanne kilder blev satellitter med røntgen-teleskoper om bord lanceret i det komiske rum nær jorden. Mens de søgte efter røntgenkilder, fandt pladsobservatorierne Chandra og Rossi, at himlen var fyldt med baggrundsrøntgenstråler og var millioner gange lysere end synlige stråler. Meget af denne baggrund røntgenstråling fra himlen skal komme fra sorte huller. Normalt i astronomi taler de om tre typer sorte huller. Den første er sorte huller med stjernemasser (ca. 10 solmasser). De er dannet af massive stjerner, når de løber tør for termonukleart brændstof. Den anden er supermassive sorte huller i centrum af galakser (masser fra en million til milliarder af solen). Og endelig er der oprindelige sorte huller dannet i begyndelsen af universets liv, hvis masser er små (af størrelsesordenen for en stor asteroide). Således forbliver en lang række mulige sorte hulmasser uudfyldte. Men hvor er disse huller? Ved at udfylde pladsen med røntgenstråler, ønsker de ikke desto mindre ikke at vise deres ægte "ansigt". Men for at opbygge en klar teori om forholdet mellem baggrund røntgenstråling og sorte huller, skal du kende deres antal. I øjeblikket har rumteleskoper lykkedes at registrere kun et lille antal supermassive sorte huller, hvis eksistens kan betragtes som bevist. Indirekte tegn tillader os at bringe antallet af observerede sorte huller, der er ansvarlig for baggrundsstråling, til 15%. Vi må antage, at resten af de supermassive sorte huller simpelthen gemmer sig bag et tykt lag støvskyer, der kun transmitterer højenergi-røntgenstråler eller er for langt til at blive opdaget med moderne observationsmidler.at resten af de supermassive sorte huller simpelthen gemmer sig bag et tykt lag støvede skyer, der kun tillader højenergi-røntgenstråler at passere gennem eller er for langt væk til at blive opdaget af moderne observationsindretninger.at resten af de supermassive sorte huller simpelthen gemmer sig bag et tykt lag støvede skyer, der kun tillader højenergi-røntgenstråler at passere gennem eller er for langt væk til at blive opdaget af moderne observationsindretninger.
Supermassivt sort hul (kvarter) i midten af galaksen M87 (røntgenbillede). En udkast (jet) fra begivenhedshorisonten er synlig. Billede fra webstedet www.college.ru/astronomy
At finde skjulte sorte huller er en af de største udfordringer ved moderne røntgenstronomi. De seneste gennembrud på dette område, der er forbundet med forskning med Chandra- og Rossi-teleskoperne, dækker ikke desto mindre kun lavenergiområdet for røntgenstråler - cirka 2000–20.000 elektron volt (til sammenligning er energien til optisk stråling ca. 2 elektronvolt). volt). Væsentlige ændringer til disse undersøgelser kan foretages af det europæiske rumteleskop "Integral", som er i stand til at trænge ind i det stadig utilstrækkeligt studerede område af røntgenstråler med energier på 20.000-300.000 elektronvolt. Betydningen af at studere denne type røntgenstråler er, at selv om himmelens røntgenbaggrund er af lav energi, vises der flere strålingstoppe (punkter) med en energi på ca. 30.000 elektron volt på denne baggrund. Videnskabsmænd åbner stadig bare sløret for mysteriet om, hvad der giver anledning til disse toppe, og Integral er det første tilstrækkeligt følsomme teleskop, der er i stand til at finde sådanne kilder til røntgenstråler. Ifølge astronomer genererer stråler med høj energi de såkaldte Compton-tykke genstande, det vil sige supermassive sorte huller indkapslet i et støvet skald. Det er Compton-objekter, der er ansvarlige for de 30.000 elektron-volt røntgen-toppe i baggrundsstrålingsfeltet. Det er Compton-objekter, der er ansvarlige for de 30.000 elektron-volt røntgen-toppe i baggrundsstrålingsfeltet. Det er Compton-objekter, der er ansvarlige for de 30.000 elektron-volt røntgen-toppe i baggrundsstrålingsfeltet.
Men fortsat forskning kom forskere til den konklusion, at Compton-genstande kun udgør 10% af antallet af sorte huller, der skulle skabe højenergitoppe. Dette er en alvorlig hindring for den videre udvikling af teorien. Så de manglende røntgenstråler kommer ikke fra Compton-tykke, men fra almindelige supermassive sorte huller? Hvad så med støvgardiner til lavenergi røntgenbilleder? Svaret ser ud til at ligge i det faktum, at mange sorte huller (Compton-genstande) har haft tid nok til at absorbere al den gas og støv, der indhyllede dem, men før det havde de mulighed for at erklære sig selv med højenergi-røntgenstråler. Efter at have absorberet alt det, var sådanne sorte huller allerede i stand til at generere røntgenstråler i begivenhedshorisonten. Det bliver klart, hvorfor disse sorte huller ikke kan detekteres,og det bliver muligt at tilskrive de manglende kilder til baggrundsstråling til deres konto, eftersom selv om det sorte hul ikke længere udsender, fortsætter den stråling, der tidligere er skabt af det, sin rejse gennem universet. Det er dog fuldstændigt muligt, at de manglende sorte huller er mere skjult, end astronomer antager, det vil sige, at vi ikke ser dem, betyder ikke, at de ikke er det. Vi har bare ikke nok kraft til at se dem. I mellemtiden planlægger NASA-forskere at udvide søgningen efter skjulte sorte huller endnu længere ind i universet. Det er der, den underwater del af isbjerget er placeret, siger de. I flere måneder gennemføres forskning som en del af Swift-missionen. Gennemtrængning i det dybe univers vil afsløre skjulte sorte huller,finde det manglende link til baggrundstråling og kaste lys over deres aktivitet i det tidlige univers.
Nogle sorte huller betragtes som mere aktive end deres stille naboer. Aktive sorte huller absorberer det omgivende stof, og hvis en "gape" -stjerne, der flyver forbi, kommer ind i tyngdekraften, vil den bestemt "blive spist" på den mest barbariske måde (revet i flis). Det absorberede stof falder ned på det sorte hul opvarmes til enorme temperaturer og oplever en blitz i gamma-, røntgen- og ultravioletområdet. Der er også et supermassivt sort hul i midten af Mælkevejen, men det er vanskeligere at studere end huller i nærliggende eller endda fjerne galakser. Dette skyldes en tæt mur af gas og støv, der står i vejen for centrum af vores Galaxy, fordi solsystemet er placeret næsten i kanten af den galaktiske disk. Derfor er observationer af aktiviteten af sorte huller meget mere effektive i de galakser, hvis kerne er klart synlig. Når man observerede en af de fjerne galakser beliggende i stjernebilledet Bootes i en afstand af 4 milliarder lysår, lykkedes det astronomer for første gang at spore fra begyndelsen til næsten slutningen processen med optagelse af en stjerne af et supermassivt sort hul. I tusinder af år hvilede denne gigantiske kollaps roligt i midten af en ikke navngivet elliptisk galakse, indtil en af stjernerne turde komme tæt nok på den.
Det sorte huls kraftige tyngdekraft rev stjernen fra hinanden. Stoffer af stof begyndte at falde på det sorte hul, og når de nåede begivenhedshorisonten, blussede de op i det ultraviolette område. Disse fakler blev optaget af NASAs nye rumteleskop Galaxy Evolution Explorer, der studerer himlen i ultraviolet lys. Teleskopet fortsætter med at observere adfærden hos det fornemme objekt endnu i dag. det sorte huls måltid er ikke slut endnu, og resterne af stjernen falder fortsat ned i afgrunden af tid og rum. Observationer af sådanne processer vil i sidste ende hjælpe med til bedre at forstå, hvordan sorte huller udvikler sig med deres forældregalakser (eller omvendt, galakser udvikler sig med deres forældre sorte hul). Tidligere observationer viser, at sådanne overskridelser ikke er usædvanlige i universet. Forskere har beregnetat en stjerne i gennemsnit absorberes af et supermassivt sort hul i en typisk galakse en gang hvert 10.000 år, men da der er et stort antal galakser, kan stjerneabsorption observeres meget oftere.