Za sodobne znanstvenike je črna luknja eden najbolj skrivnostnih pojavov v našem vesolju. Preučevanje takšnih predmetov je težko, ni jih mogoče preizkusiti "iz izkušenj". Masa, gostota snovi črne luknje, procesi nastanka tega predmeta, dimenzije - vse to vzbuja zanimanje strokovnjakov in včasih - zmedenost. Razmislimo o temi podrobneje. Najprej analizirajmo, kaj je tak predmet.
Splošne informacije
Neverjetna lastnost kozmičnega objekta je kombinacija majhnega polmera, visoke gostote snovi črne luknje in neverjetno velike mase. Vse trenutno znane fizikalne lastnosti takega predmeta se znanstvenikom zdijo čudne, pogosto nerazložljive. Tudi najbolj izkušeni astrofiziki so še vedno presenečeni nad posebnostmi takšnih pojavov. Glavna značilnost, ki omogoča znanstvenikom, da prepoznajo črno luknjo, je obzorje dogodkov, to je meja, zaradi katerenič se ne vrne, vključno s svetlobo. Če je območje trajno ločeno, je ločitvena meja označena kot obzorje dogodkov. Z začasno ločitvijo se določi prisotnost vidnega obzorja. Včasih je časovni koncept zelo ohlapen, to pomeni, da je regija lahko ločena za obdobje, ki presega trenutno starost vesolja. Če je vidno obzorje, ki obstaja že dlje časa, ga je težko ločiti od obzorja dogodkov.
V mnogih pogledih so lastnosti črne luknje, gostota snovi, ki jo tvori, posledica drugih fizikalnih lastnosti, ki delujejo v naših svetovnih zakonih. Horizont dogodkov sferično simetrične črne luknje je krogla, katere premer je določen z njeno maso. Večja ko je masa potegnjena navznoter, večja je luknja. A kljub temu ostaja presenetljivo majhna na ozadju zvezd, saj gravitacijski pritisk stisne vse v sebi. Če si predstavljamo luknjo, katere masa ustreza našemu planetu, potem polmer takega predmeta ne bo presegel nekaj milimetrov, torej bo deset milijard manjši od zemlje. Polmer je bil poimenovan po Schwarzschildu, znanstveniku, ki je prvi izpeljal črne luknje kot rešitev Einsteinove splošne teorije relativnosti.
In notri?
Človek, ko je prišel v tak predmet, verjetno ne bo opazil velike gostote na sebi. Lastnosti črne luknje niso dobro razumljene, da bi bili prepričani, kaj se bo zgodilo, vendar znanstveniki verjamejo, da ob prečkanju obzorja ni mogoče razkriti nič posebnega. To je razloženo z enakovrednim Einsteinovcemnačelo, ki pojasnjuje, zakaj se polje, ki tvori ukrivljenost obzorja, in pospešek, ki je lasten ravnini, za opazovalca ne razlikujeta. Ko sledite procesu prečkanja z razdalje, lahko vidite, da se predmet začne upočasnjevati blizu obzorja, kot da čas na tem mestu teče počasi. Čez nekaj časa bo predmet prečkal obzorje, padel v polmer Schwarzschilda.
Gostota snovi v črni luknji, masa predmeta, njegove dimenzije in plimske sile ter gravitacijsko polje so tesno povezani. Večji kot je polmer, manjša je gostota. Polmer se povečuje s težo. Sile plimovanja so obratno sorazmerne s kvadratom teže, to je, ko se dimenzije povečajo in gostota zmanjša, se plimne sile predmeta zmanjšajo. Če je masa predmeta zelo velika, bo mogoče premagati obzorje, preden opazite to dejstvo. V zgodnjih dneh splošne teorije relativnosti je veljalo, da je na obzorju singularnost, vendar se je izkazalo, da ni tako.
O gostoti
Kot so pokazale študije, je gostota črne luknje, odvisno od mase, lahko večja ali manjša. Za različne predmete se ta indikator razlikuje, vendar se vedno zmanjšuje z naraščajočim polmerom. Lahko se pojavijo supermasivne luknje, ki nastajajo na ekstenzivni način zaradi kopičenja materiala. V povprečju je gostota takšnih objektov, katerih masa ustreza skupni masi več milijard svetilk v našem sistemu, manjša od gostote vode. Včasih je primerljiva s stopnjo gostote plina. Plimna sila tega predmeta se aktivira že po tem, ko opazovalec prečka obzorjedogodkov. Hipotetični raziskovalec ne bi bil poškodovan, ko bi se približal obzorju, in bi padel na tisoče kilometrov, če bi našel zaščito pred plazmo diska. Če se opazovalec ne ozre nazaj, ne bo opazil, da je bilo obzorje prečkano, in če obrne glavo, bo verjetno videl svetlobne žarke, zamrznjene na obzorju. Čas za opazovalca bo tekel zelo počasi, lahko bo spremljal dogodke v bližini luknje do trenutka smrti - bodisi nje bodisi vesolja.
Če želite določiti gostoto supermasivne črne luknje, morate poznati njeno maso. Poiščite vrednost te količine in prostornino Schwarzschilda, ki je neločljivo povezana z vesoljskim objektom. V povprečju je ta kazalnik po mnenju astrofizikov izjemno majhen. V impresivnem odstotku primerov je nižja od stopnje gostote zraka. Pojav je razložen na naslednji način. Schwarzschildov polmer je neposredno povezan s težo, medtem ko je gostota obratno sorazmerna s prostornino in s tem Schwarzschildov polmer. Prostornina je neposredno povezana s kubiranim polmerom. Masa raste linearno. V skladu s tem prostornina raste hitreje od teže in povprečna gostota postaja manjša, večji je polmer preučevanega predmeta.
Zanima me
Sila plimovanja, ki je lastna luknji, je gradient sile gravitacije, ki je na obzorju precej velika, tako da tudi fotoni ne morejo pobegniti od tu. Hkrati se dvig parametra odvija precej gladko, kar omogoča opazovalcu, da premaga obzorje brez tveganja zase.
Študije gostote črne luknjesredišče objekta je še relativno omejeno. Astrofiziki so ugotovili, da bližje kot je osrednja singularnost, višja je raven gostote. Prej omenjeni mehanizem izračuna vam omogoča, da dobite zelo povprečno predstavo o tem, kaj se dogaja.
Znanstveniki imajo izjemno omejene ideje o tem, kaj se dogaja v luknji, njeni strukturi. Po mnenju astrofizikov porazdelitev gostote v luknji za zunanjega opazovalca, vsaj na trenutni ravni, ni zelo pomembna. Veliko bolj informativna specifikacija teže, teže. Večja kot je masa, močnejše je središče, obzorje, ločeno drug od drugega. Obstajajo tudi takšne predpostavke: tik za obzorjem materije načeloma ni, zaznamo jo lahko le v globinah predmeta.
Ali so kakšne številke znane?
Znanstveniki že dolgo razmišljajo o gostoti črne luknje. Izvedene so bile določene študije, poskusi so bili izračunani. Tukaj je eden izmed njih.
Sončna masa je 210^30 kg. Na mestu predmeta, ki je nekajkrat večji od Sonca, lahko nastane luknja. Gostota najlažje luknje je ocenjena na povprečno 10^18 kg/m3. To je za red velikosti višje od gostote jedra atoma. Približno enaka razlika od povprečne stopnje gostote, značilne za nevtronsko zvezdo.
Mogoč je obstoj ultralahkih lukenj, katerih dimenzije ustrezajo subnuklearnim delcem. Za takšne predmete bo indeks gostote previsok.
Če naš planet postane luknja, bo njegova gostota približno 210^30 kg/m3. Vendar znanstvenikom ni uspelorazkrivajo procese, zaradi katerih se lahko naša vesoljska hiša spremeni v črno luknjo.
Podrobneje o številkah
Gostota črne luknje v središču Rimske ceste je ocenjena na 1,1 milijona kg/m3. Masa tega predmeta ustreza 4 milijonom sončnih mas. Polmer luknje je ocenjen na 12 milijonov km. Navedena gostota črne luknje v središču Rimske ceste daje predstavo o fizičnih parametrih supermasivnih lukenj.
Če je teža nekega predmeta 10^38 kg, to je ocenjena na približno 100 milijonov Soncev, potem bo gostota astronomskega objekta ustrezala ravni gostote granita, ki ga najdemo na našem planetu.
Med vsemi luknjami, ki jih poznajo sodobni astrofiziki, je bila ena najtežjih lukenj najdena v kvazarju OJ 287. Njegova teža ustreza 18 milijardam svetil našega sistema. Kakšna je gostota črne luknje, so znanstveniki brez večjih težav izračunali. Vrednost se je izkazala za izginjajoče majhno. Je samo 60 g/m3. Za primerjavo: atmosferski zrak našega planeta ima gostoto 1,29 mg/m3.
Od kod prihajajo luknje?
Znanstveniki niso izvedli le raziskave za določitev gostote črne luknje v primerjavi z zvezdo našega sistema ali drugimi kozmičnimi telesi, temveč so poskušali ugotoviti, od kod prihajajo luknje, kakšni so mehanizmi za nastanek takšnih skrivnostni predmeti. Zdaj obstaja ideja o štirih načinih za videz lukenj. Najbolj razumljiva možnost je propad zvezde. Ko postane velik, je sinteza v jedru končana,tlak izgine, snov pade v težišče, zato se pojavi luknja. Ko se približate središču, se gostota poveča. Prej ali slej indikator postane tako pomemben, da zunanji predmeti ne morejo premagati učinkov gravitacije. Od te točke naprej se pojavi nova luknja. Ta vrsta je pogostejša od drugih in se imenuje sončne masne luknje.
Druga dokaj pogosta vrsta luknje je supermasivna. Te pogosteje opazimo v galaktičnih središčih. Masa predmeta v primerjavi z zgoraj opisano sončno masno luknjo je milijarde krat večja. Znanstveniki še niso ugotovili procesov manifestacije takšnih predmetov. Predpostavlja se, da se po zgoraj opisanem mehanizmu najprej oblikuje luknja, nato se absorbirajo sosednje zvezde, kar vodi v rast. To je mogoče, če je območje galaksije gosto poseljeno. Absorpcija snovi se zgodi hitreje, kot lahko razloži zgornja shema, in znanstveniki še ne morejo uganiti, kako poteka absorpcija.
Predpostavke in ideje
Zelo težka tema za astrofizike so primordialne luknje. Takšni se verjetno pojavljajo iz katere koli mase. Lahko nastanejo v velikih nihanjih. Verjetno se je pojav takšnih lukenj zgodil v zgodnjem vesolju. Dosedanje študije, posvečene lastnostim, značilnostim (vključno z gostoto) črnih lukenj, procesom njihovega videza, nam ne omogočajo določitve modela, ki natančno reproducira proces videza primarne luknje. Trenutno znani modeli so večinoma takšni, da bi, če bi bili izvedeni v resnici,bilo bi preveč lukenj.
Predpostavimo, da lahko Veliki hadronski trkalnik postane vir nastanka luknje, katere masa ustreza Higgsovemu bozonu. V skladu s tem bo gostota črne luknje zelo velika. Če je taka teorija potrjena, se lahko šteje za posreden dokaz za prisotnost dodatnih dimenzij. Trenutno ta špekulativni sklep še ni potrjen.
Sevanje iz luknje
Emisija luknje je razložena s kvantnimi učinki snovi. Prostor je dinamičen, zato so delci tukaj povsem drugačni, kot smo jih vajeni. V bližini luknje ni popačen le čas; razumevanje delca je v veliki meri odvisno od tega, kdo ga opazuje. Če nekdo pade v luknjo, se mu zdi, da se potopi v vakuum, za oddaljenega opazovalca pa je videti kot cona, napolnjena z delci. Učinek je razložen z raztezanjem časa in prostora. Sevanje iz luknje je prvi identificiral Hawking, čigar ime je dalo pojavu. Sevanje ima temperaturo, ki je obratno sorazmerna z maso. Manjša kot je teža astronomskega objekta, višja je temperatura (pa tudi gostota črne luknje). Če je luknja supermasivna ali ima maso, primerljivo z zvezdo, bo prirojena temperatura njenega sevanja nižja od mikrovalovnega ozadja. Zaradi tega je ni mogoče opazovati.
To sevanje pojasnjuje izgubo podatkov. To je ime toplotnega pojava, ki ima eno posebno kakovost - temperaturo. Ni podatkov o procesih nastajanja lukenj skozi študijo, vendar predmet, ki oddaja takšno sevanje, hkrati izgubi maso (in zato rastegostota črne luknje) se zmanjša. Proces ni določen s snovjo, iz katere nastane luknja, ni odvisen od tega, kaj se je vanjo kasneje posrkalo. Znanstveniki ne morejo reči, kaj je postalo osnova luknje. Poleg tega so študije pokazale, da je sevanje nepovraten proces, torej tak, ki v kvantni mehaniki preprosto ne more obstajati. To pomeni, da sevanja ni mogoče uskladiti s kvantno teorijo, nedoslednost pa zahteva nadaljnje delo v tej smeri. Čeprav znanstveniki verjamejo, da bi Hawkingovo sevanje moralo vsebovati informacije, pa še nimamo sredstev, zmožnosti, da bi ga zaznali.
Radovedno: o nevtronskih zvezdah
Če obstaja supergigant, to ne pomeni, da je tako astronomsko telo večno. Sčasoma se spremeni, zavrže zunanje plasti. Iz ostankov se lahko pojavijo beli palčki. Druga možnost so nevtronske zvezde. Specifične procese določa jedrska masa primarnega telesa. Če je ocenjeno v 1,4-3 sončnih, potem uničenje supergiganta spremlja zelo visok tlak, zaradi katerega so elektroni tako rekoč stisnjeni v protone. To vodi do nastanka nevtronov, emisije nevtrinov. V fiziki se temu reče nevtronski degenerirani plin. Njen pritisk je takšen, da se zvezda ne more več skrčiti.
Vendar, kot so pokazale študije, verjetno niso vse nevtronske zvezde nastale na ta način. Nekateri med njimi so ostanki velikih, ki so eksplodirali kot druga supernova.
Tomov polmer telesamanj kot večja masa. Pri večini se giblje med 10-100 km. Izvedene so bile študije za določanje gostote črnih lukenj, nevtronskih zvezd. Pri drugem je, kot so pokazali testi, parameter relativno blizu atomskemu. Posebne številke, ki so jih določili astrofiziki: 10^10 g/cm3.
Radovedno vedeti: teorija in praksa
Nevtronske zvezde so bile v teoriji predvidene v 60. in 70. letih prejšnjega stoletja. Pulsarji so bili prvi odkriti. To so majhne zvezde, katerih hitrost vrtenja je zelo visoka, magnetno polje pa je resnično veličastno. Domneva se, da pulsar podeduje te parametre od prvotne zvezde. Čas vrtenja se giblje od milisekund do nekaj sekund. Prvi znani pulzarji so oddajali periodično radijsko oddajanje. Danes so znani pulsarji s sevanjem rentgenskega spektra, sevanjem gama.
Opisani proces nastajanja nevtronskih zvezd se lahko nadaljuje – nič ga ne more ustaviti. Če je jedrska masa več kot tri sončne mase, je točkovno telo zelo kompaktno, imenujemo ga luknje. Lastnosti črne luknje z maso, večjo od kritične, ne bo mogoče določiti. Če se del mase izgubi zaradi Hawkingovega sevanja, se bo polmer hkrati zmanjšal, tako da bo vrednost teže spet manjša od kritične vrednosti za ta predmet.
Ali lahko luknja umre?
Znanstveniki postavljajo domneve o obstoju procesov zaradi sodelovanja delcev in antidelcev. Nihanje elementov lahko povzroči karakterizacijo praznega prostoraničelna raven energije, ki (tukaj je paradoks!) ne bo enaka nič. Hkrati bo obzorje dogodkov, ki je lastno telesu, prejelo nizkoenergijski spekter, ki je lasten absolutnemu črnemu telesu. Takšno sevanje bo povzročilo izgubo mase. Obzorje se bo nekoliko skrčilo. Recimo, da obstajata dva para delca in njegov antagonist. Prišlo je do anihilacije delca iz enega para in njegovega antagonista iz drugega. Posledično so fotoni, ki letijo iz luknje. Drugi par predlaganih delcev pade v luknjo in hkrati absorbira nekaj mase, energije. Postopoma to vodi v smrt črne luknje.
Kot zaključek
Po mnenju nekaterih je črna luknja neke vrste kozmični sesalnik. Luknja lahko pogoltne zvezdo, lahko celo "poje" galaksijo. V teoriji relativnosti je v mnogih pogledih mogoče najti razlago lastnosti luknje, pa tudi značilnosti njenega nastanka. Iz nje se ve, da je čas neprekinjen, prav tako prostor. To pojasnjuje, zakaj procesov stiskanja ni mogoče ustaviti, so neomejeni in neomejeni.
To so te skrivnostne črne luknje, nad katerimi si astrofiziki razbijajo možgane že več kot desetletje.
