Conceptul de gaură neagră este cunoscut de toată lumea - de la școlari până la vârstnici, este folosit în literatura de știință și ficțiune, în media galbenă și pe conferințe științifice. Dar nu toată lumea știe ce sunt exact aceste găuri.

Din istoria găurilor negre

1783 Prima ipoteză pentru existența unui astfel de fenomen precum o gaură neagră a fost înaintată în 1783 de omul de știință englez John Michell. În teoria sa, el a combinat două creații ale lui Newton - optică și mecanică. Ideea lui Michell a fost următoarea: dacă lumina este un flux de particule minuscule, atunci, ca toate celelalte corpuri, particulele ar trebui să experimenteze atracție. câmp gravitațional. Se pare că, cu cât steaua este mai masivă, cu atât este mai dificil pentru lumina să reziste atracției sale. La 13 ani după Michell, astronomul și matematicianul francez Laplace a prezentat (cel mai probabil independent de omologul său britanic) o teorie similară.

1915 Cu toate acestea, toate lucrările lor au rămas nerevendicate până la începutul secolului al XX-lea. În 1915, Albert Einstein a publicat Teoria Generală a Relativității și a arătat că gravitația este o curbură a spațiului-timp cauzată de materie, iar câteva luni mai târziu, astronomul și fizicianul teoretician german Karl Schwarzschild a folosit-o pentru a rezolva o problemă astronomică specifică. El a explorat structura spațiu-timp curbat în jurul Soarelui și a redescoperit fenomenul găurilor negre.

(John Wheeler a inventat termenul „găuri negre”)

1967 Fizicianul american John Wheeler a conturat un spațiu care poate fi mototolit, ca o bucată de hârtie, într-un punct infinitezimal și a desemnat termenul „Gaura Neagră”.

1974 Fizicianul britanic Stephen Hawking a demonstrat că găurile negre, deși înghit materie fără întoarcere, pot emite radiații și în cele din urmă se evaporă. Acest fenomen se numește „radiație Hawking”.

2013 Cele mai recente cercetări privind pulsari și quasari, precum și descoperirea radiației cosmice de fond cu microunde, au făcut în sfârșit posibilă descrierea conceptului de găuri negre. În 2013, norul de gaz G2 s-a apropiat foarte mult de gaura neagră și este probabil să fie absorbit de aceasta, observarea procesului unic oferă oportunități mari pentru noi descoperiri ale caracteristicilor găurilor negre.

(Obiect masiv Săgetător A*, masa sa este de 4 milioane de ori mai mare decât Soarele, ceea ce implică un grup de stele și formarea unei găuri negre)

2017. Un grup de oameni de știință din colaborarea Event Horizon Telescope din mai multe țări, care leagă opt telescoape din diferite puncte ale continentelor Pământului, au efectuat observații ale unei găuri negre, care este un obiect supermasiv și este situat în galaxia M87, constelația Fecioarei. Masa obiectului este de 6,5 miliarde (!) mase solare, de ori gigantice mai mare decât obiectul masiv Săgetător A *, pentru comparație, diametrul este puțin mai mic decât distanța de la Soare la Pluto.

Observațiile au fost efectuate în mai multe etape, începând din primăvara anului 2017 și în perioadele anului 2018. Cantitatea de informații a fost calculată în petabytes, care apoi a trebuit să fie descifrată și să se obțină o imagine autentică a unui obiect ultra-depărtat. Prin urmare, a fost nevoie de încă doi ani întregi pentru a pre-scana toate datele și a le combina într-un singur întreg.

2019 Datele au fost decodificate cu succes și aduse la vedere, producând prima imagine a unei găuri negre.

(Prima imagine a unei găuri negre din galaxia M87 din constelația Fecioarei)

Rezoluția imaginii vă permite să vedeți umbra punctului fără întoarcere în centrul obiectului. Imaginea a fost obținută ca urmare a observațiilor interferometrice cu o linie de bază extra lungă. Acestea sunt așa-numitele observații sincrone ale unui obiect de la mai multe radiotelescoape, interconectate printr-o rețea și situate în părți diferite. globulîndreptată într-o singură direcție.

Ce sunt de fapt găurile negre?

O explicație laconică a fenomenului sună așa.

O gaură neagră este o regiune spațiu-timp a cărei atracție gravitațională este atât de puternică încât niciun obiect, inclusiv cuante de lumină, nu o poate părăsi.

O gaură neagră a fost cândva o stea masivă. Atâta timp cât reacțiile termonucleare mențin o presiune ridicată în intestine, totul rămâne normal. Dar, în timp, aprovizionarea cu energie se epuizează și corpul ceresc, sub influența propriei gravitații, începe să se micșoreze. Etapa finală a acestui proces este prăbușirea nucleului stelar și formarea unei găuri negre.

• 1. Ejectia unui jet de gaura neagra la viteza mare


• 2. Un disc de materie crește într-o gaură neagră


• 3. Gaură neagră


• 4. Schema detaliată a regiunii găurii negre


• 5. Dimensiunea noilor observații găsite

Cea mai comună teorie spune că există fenomene similare în fiecare galaxie, inclusiv în centrul Căii Lactee. Gravitația uriașă a găurii este capabilă să țină mai multe galaxii în jurul ei, împiedicându-le să se îndepărteze una de cealaltă. „Zona de acoperire” poate fi diferită, totul depinde de masa stelei care s-a transformat într-o gaură neagră și poate fi de mii de ani lumină.

raza Schwarzschild

Principala proprietate a unei găuri negre este că orice materie care intră în ea nu se poate întoarce niciodată. Același lucru este valabil și pentru lumină. În miezul lor, găurile sunt corpuri care absorb complet toată lumina care cade asupra lor și nu o emit pe a lor. Astfel de obiecte pot apărea vizual ca cheaguri de întuneric absolut.

• 1. Mișcarea materiei la jumătate din viteza luminii


• 2. Inel fotonic


• 3. Inel fotonic interior


• 4. Orizontul evenimentelor într-o gaură neagră

Pe baza Teoriei Generale a Relativității a lui Einstein, dacă un corp se apropie de o distanță critică de centrul găurii, nu se mai poate întoarce. Această distanță se numește raza Schwarzschild. Ce se întâmplă exact în această rază nu este cunoscut cu certitudine, dar există cea mai comună teorie. Se crede că toată materia unei găuri negre este concentrată într-un punct infinit de mic, iar în centrul său există un obiect cu densitate infinită, pe care oamenii de știință îl numesc o perturbare singulară.

Cum cade într-o gaură neagră

(În imagine, gaura neagră a Săgetător A * arată ca un grup de lumină extrem de strălucitor)

Nu cu mult timp în urmă, în 2011, oamenii de știință au descoperit un nor de gaz, dându-i numele simplu G2, care emite lumină neobișnuită. O astfel de strălucire poate da frecare în gaz și praf, cauzată de acțiunea găurii negre Săgetător A* și care se rotesc în jurul acesteia sub forma unui disc de acreție. Astfel, devenim observatori ai fenomenului uimitor de absorbție a unui nor de gaz de către o gaură neagră supermasivă.

Potrivit unor studii recente, cea mai apropiată abordare a unei găuri negre va avea loc în martie 2014. Putem recrea o imagine a modului în care se va desfășura acest spectacol incitant.

• 1. Când apare pentru prima dată în date, un nor de gaz seamănă cu o minge uriașă de gaz și praf.


• 2. Acum, din iunie 2013, norul se află la zeci de miliarde de kilometri distanță de gaura neagră. Cade în el cu o viteză de 2500 km/s.


• 3. Se așteaptă ca norul să treacă de gaura neagră, dar forțele de maree cauzate de diferența de atracție care acționează asupra marginilor de început și de mers ale norului vor face ca acesta să devină din ce în ce mai alungit.


• 4. După ce norul este rupt, cea mai mare parte din el se va contopi în discul de acreție din jurul Săgetător A*, generând în el unde de soc. Temperatura va crește la câteva milioane de grade.


• 5. O parte din nor va cădea direct în gaura neagră. Nimeni nu știe exact ce se va întâmpla cu această substanță, dar este de așteptat ca în procesul de cădere să emită fluxuri puternice. raze Xși nimeni altcineva nu o va vedea.

Video: gaura neagră înghite un nor de gaz

(Simularea pe computer a cât de mult din norul de gaz G2 va fi distrus și consumat de gaura neagră Săgetător A*)

Ce se află în interiorul unei găuri negre

Există o teorie care susține că o gaură neagră în interior este practic goală, iar toată masa sa este concentrată într-un punct incredibil de mic situat în centrul ei - o singularitate.

Potrivit unei alte teorii care există de o jumătate de secol, tot ceea ce cade într-o gaură neagră intră într-un alt univers situat chiar în gaura neagră. Acum această teorie nu este cea principală.

Și există o a treia teorie, cea mai modernă și tenace, conform căreia tot ceea ce cade într-o gaură neagră se dizolvă în vibrațiile corzilor de pe suprafața ei, care este desemnată ca orizontul evenimentelor.

Deci, care este orizontul evenimentului? Este imposibil să privești în interiorul unei găuri negre chiar și cu un telescop super-puternic, deoarece chiar și lumina, care pătrunde într-o pâlnie cosmică gigantică, nu are nicio șansă să iasă înapoi. Tot ceea ce poate fi luat în considerare cumva se află în imediata sa vecinătate.

Orizontul evenimentelor este o linie condiționată a suprafeței de sub care nimic (nici gaz, nici praf, nici stele, nici lumină) nu poate scăpa. Și acesta este punctul foarte misterios de neîntoarcere în găurile negre ale Universului.

Între francezi și britanici există uneori o pe jumătate de glumă și uneori o controversă serioasă: cine ar trebui considerat descoperitorul posibilității existenței stelelor invizibile - francezul P. Laplace sau englezul J. Michell? În 1973, cunoscuții fizicieni teoreticieni englezi S. Hawking și G. Ellis, într-o carte dedicată problemelor matematice speciale moderne ale structurii spațiului și timpului, au citat lucrarea lui P. Laplace francez cu o dovadă a posibilității existența stelelor negre; atunci opera lui J. Michell nu era încă cunoscută. În toamna anului 1984, celebrul astrofizician englez M Rice, vorbind la o conferință la Toulouse, spunea că, deși nu este foarte convenabil să vorbești în Franța, trebuie să sublinieze că englezul J. Michell a fost primul care a prezis stele invizibile, și a arătat un instantaneu al primei pagini a lucrării corespunzătoare. Această remarcă istorică a fost primită atât cu aplauze, cât și cu zâmbete din partea celor prezenți.

Cum să nu-ți amintești discuțiile dintre francezi și britanici despre cine a prezis poziția planetei Neptun din tulburările în mișcarea lui Uranus: francezul U. Le Verrier sau englezul J. Adams? După cum se știe, ambii oameni de știință au indicat în mod independent corect poziția noua planeta. Apoi francezul U. Le Verrier a fost mai norocos. Aceasta este soarta multor descoperiri. Adesea, acestea se fac aproape simultan și independent. oameni diferiti De obicei, se acordă prioritate celor care au pătruns mai adânc în esența problemei, dar uneori acestea sunt doar capriciile norocului.

Dar predicția lui P. Laplace și J. Michell nu era încă o predicție reală a unei găuri negre. De ce?

Cert este că pe vremea lui P. Laplace nu se știa încă că mai rapid decat luminaîn natură, nimic nu se poate mișca. Este imposibil să depășești lumina în gol! Acest lucru a fost stabilit de Einstein în teorie specială relativitatea deja în secolul nostru. Prin urmare, pentru P. Laplace, steaua pe care o considera era doar neagră (neluminoasă), și nu putea ști că o astfel de stea își pierde în vreun fel capacitatea de a „comunica” cu lumea exterioară, de a „raporta” orice. lumi îndepărtate despre evenimentele care au loc pe ea . Cu alte cuvinte, nu știa încă că nu este doar un „negru”, ci și o „gaură” în care se putea cădea, dar imposibil de ieșit. Acum știm că dacă lumina nu poate scăpa dintr-o regiune a spațiului, atunci nimic nu poate scăpa deloc și numim un astfel de obiect gaură neagră.

Un alt motiv pentru care raționamentul lui P. Laplace nu poate fi considerat riguros este că a considerat câmpuri gravitaționale de forță enormă, în care corpurile care cădeau sunt accelerate la viteza luminii, iar lumina care iese în sine poate fi întârziată și a aplicat legea gravitației Newton.

A. Einstein a arătat că teoria gravitației lui Newton este inaplicabilă pentru astfel de câmpuri și a creat noua teorie, valabil pentru superputeri, precum și pentru domeniile în schimbare rapidă (pentru care teoria newtoniană este și inaplicabilă!), și. a numit-o teoria generală a relativității. Concluziile acestei teorii trebuie folosite pentru a demonstra posibilitatea existenței găurilor negre și pentru a studia proprietățile acestora.

Teoria generala Relativitatea este o teorie uimitoare. Este atât de profund și zvelt încât evocă un sentiment de plăcere estetică oricui ajunge să o cunoască. Fizicienii sovietici L. Landau și E. Lifshitz în manualul lor „Teoria câmpului” au numit-o „cea mai frumoasă dintre toate teoriile fizice existente”. Fizicianul german Max Born a spus despre descoperirea teoriei relativității: „Îl admir ca pe o operă de artă”. DAR fizician sovietic V. Ginzburg a scris că evocă „... un sentiment... asemănător cu cel experimentat prin privirea la cele mai remarcabile capodopere de pictură, sculptură sau arhitectură”.

Numeroase încercări de prezentare populară a teoriei lui Einstein pot, desigur, să dea o impresie generală despre aceasta. Dar, sincer, seamănă la fel de puțin cu încântarea de a cunoaște teoria în sine ca și de a cunoaște o reproducere. Madonna Sixtina” diferă de experiența care ia naștere când se consideră originalul, creat de geniul lui Rafael.

Și totuși, când nu există posibilitatea de a admira originalul, poți (și ar trebui!) să te familiarizezi cu reproducerile disponibile, mai bune decât cele bune (și sunt de tot felul).

Novikov I.D.

Găurile negre - poate cele mai misterioase și enigmatice obiecte astronomice din Universul nostru, au atras atenția experților și au entuziasmat imaginația scriitorilor de science fiction încă de la descoperirea lor. Ce sunt găurile negre și cum arată? Găurile negre sunt stele stinse, datorită caracteristicilor lor fizice, care posedă astfel de stele densitate mare iar gravitația atât de puternică încât nici măcar lumina nu poate scăpa.

Istoria descoperirii găurilor negre

Pentru prima dată, existența teoretică a găurilor negre, cu mult înainte de descoperirea lor efectivă, a fost sugerată de cineva D. Michel (un preot englez din Yorkshire, care este pasionat de astronomie în timpul liber) în 1783. Conform calculelor sale, dacă îl luăm pe al nostru și îl comprimăm (în termeni informatici moderni, arhivați-l) pe o rază de 3 km, se formează o forță gravitațională atât de mare (doar uriașă), încât nici măcar lumina nu o poate părăsi. Așa a apărut conceptul de „gaură neagră”, deși de fapt nu este deloc neagră, în opinia noastră, termenul de „gaură întunecată” ar fi mai potrivit, pentru că tocmai absența luminii are loc.

Mai târziu, în 1918, marele savantul Albert Einstein. Dar abia în 1967, prin eforturile astrofizicianului american John Wheeler, conceptul de găuri negre a câștigat în sfârșit un loc în cercurile academice.

Oricum ar fi, atât D. Michel, cât și Albert Einstein, și John Wheeler în lucrările lor au presupus doar existența teoretică a acestor obiecte cerești misterioase în spațiul cosmic, cu toate acestea, adevărata descoperire a găurilor negre a avut loc în 1971, a fost apoi că au fost observate pentru prima dată în spațiu.telescop.

Așa arată o gaură neagră.

Cum se formează găurile negre în spațiu?

După cum știm din astrofizică, toate stelele (inclusiv Soarele nostru) au o cantitate limitată de combustibil. Și, deși viața unei stele poate dura miliarde de ani, mai devreme sau mai târziu această aprovizionare condiționată de combustibil se încheie, iar steaua „se stinge”. Procesul de „stingere” a unei stele este însoțit de reacții intense, în timpul cărora steaua suferă o transformare semnificativă și, în funcție de mărimea sa, se poate transforma într-o pitică albă, o stea neutronică sau o gaură neagră. Mai mult, cele mai mari stele, care au dimensiuni incredibil de impresionante, se transformă de obicei într-o gaură neagră - datorită comprimării acestor dimensiuni incredibile, are loc o creștere multiplă a masei și a forței gravitaționale a găurii negre nou formate, care se transformă într-un un fel de aspirator galactic - absoarbe totul și tot ce îl înconjoară.

O gaură neagră înghite o stea.

O mică notă - Soarele nostru, după standardele galactice, nu este deloc o stea mare, iar după estompare, care va avea loc în aproximativ câteva miliarde de ani, cel mai probabil nu se va transforma într-o gaură neagră.

Dar să fim sinceri cu tine - astăzi, oamenii de știință încă nu cunosc toate complexitățile formării unei găuri negre, fără îndoială, acesta este un proces astrofizic extrem de complex, care în sine poate dura milioane de ani. Deși este posibil să se avanseze în această direcție, detectarea și studiul ulterioar al așa-numitelor găuri negre intermediare, adică stelelor aflate în stare de dispariție, în care are loc procesul activ de formare a unei găuri negre. . Apropo, o stea similară a fost descoperită de astronomi în 2014 în brațul unei galaxii spirale.

Câte găuri negre există în univers

Conform teoriilor oamenilor de știință moderni, în galaxia noastră Calea Lactee pot exista până la sute de milioane de găuri negre. Nu pot fi mai puțini în galaxia de lângă noi, către care nu există nimic de zburat din Calea Lactee - 2,5 milioane de ani lumină.

Teoria găurilor negre

În ciuda masei uriașe (care este de sute de mii de ori mai mare decât masa Soarelui nostru) și a forței incredibile a gravitației, nu a fost ușor să vezi găurile negre printr-un telescop, deoarece acestea nu emit deloc lumină. Oamenii de știință au reușit să observe o gaură neagră abia în momentul „mesei” ei - absorbția unei alte stele, în acest moment apare o radiație caracteristică, care poate fi deja observată. Astfel, teoria găurii negre și-a găsit o confirmare reală.

Proprietățile găurilor negre

Principala proprietate a unei găuri negre sunt câmpurile gravitaționale incredibile, care nu permit spațiului și timpului înconjurător să rămână în starea lor obișnuită. Da, ai auzit bine, timpul într-o gaură neagră curge de multe ori mai lent decât de obicei, iar dacă ai fi acolo, apoi te întorci înapoi (dacă ai fi atât de norocos, desigur) ai fi surprins să observi că au trecut secole pe Pământ, și nici nu vei îmbătrâni, ai timp. Deși să fim sinceri, dacă ai fi fost într-o gaură neagră, cu greu ai fi supraviețuit, deoarece forța gravitațională de acolo este așa încât orice obiect material ar fi pur și simplu sfâșiat, nici măcar în părți, în atomi.

Dar dacă ai fi chiar aproape de o gaură neagră, în limitele câmpului gravitațional al acesteia, atunci ți-ar fi și greu, pentru că cu cât ai rezistat mai mult gravitației ei, încercând să zburezi, cu atât mai repede ai cădea în ea. Motivul acestui aparent paradox este câmpul de vortex gravitațional, pe care îl posedă toate găurile negre.

Ce se întâmplă dacă o persoană cade într-o gaură neagră

Evaporarea găurilor negre

Astronomul englez S. Hawking a descoperit fapt interesant: se întâmplă să emită şi găuri negre . Adevărat, acest lucru se aplică numai găurilor cu masă relativ mică. Gravitația puternică din jurul lor creează perechi de particule și antiparticule, una dintre perechi este trasă în interior de orificiu, iar a doua este ejectată în exterior. Astfel, o gaură neagră radiază antiparticule dure și raze gamma. Această evaporare sau radiație dintr-o gaură neagră a fost numită după omul de știință care a descoperit-o - „Hawking radiation”.

Cea mai mare gaură neagră

Conform teoriei găurilor negre, în centrul aproape tuturor galaxiilor există găuri negre uriașe cu mase de la câteva milioane la câteva miliarde de mase solare. Și relativ recent, oamenii de știință au descoperit cele mai mari două găuri negre cunoscute până în prezent, ele se află în două galaxii din apropiere: NGC 3842 și NGC 4849.

NGC 3842 este cea mai strălucitoare galaxie din constelația Leului, situată la o distanță de 320 de milioane de ani lumină de noi. În centrul acesteia se află o gaură neagră uriașă cu o masă de 9,7 miliarde de mase solare.

NGC 4849 este o galaxie din clusterul Coma, la 335 de milioane de ani lumină distanță, cu o gaură neagră la fel de impresionantă.

Zonele de acțiune ale câmpului gravitațional al acestor găuri negre gigantice, sau în termeni academici, orizontul lor de evenimente, este de aproximativ 5 ori distanța de la Soare la! O astfel de gaură neagră ne-ar mânca sistem solarși nici nu ar tresari.

Cea mai mică gaură neagră

Dar există reprezentanți foarte mici în vasta familie a găurilor negre. Așadar, cea mai pitică gaură neagră descoperită de oamenii de știință în acest moment în masa sa este de numai 3 ori masa Soarelui nostru. De fapt, acesta este minimul teoretic necesar pentru formarea unei găuri negre, dacă acea stea ar fi fost puțin mai mică, gaura nu s-ar fi format.

Găurile negre sunt canibali

Da, există un astfel de fenomen, așa cum am scris mai sus, găurile negre sunt un fel de „aspiratoare galactice” care absorb tot ce le înconjoară, inclusiv... alte găuri negre. Recent, astronomii au descoperit că o gaură neagră dintr-o galaxie este mâncată de un alt mare mâncăcios negru dintr-o altă galaxie.

• Conform ipotezelor unor oameni de știință, găurile negre nu sunt doar aspiratoare galactice care aspiră totul în sine, dar în anumite circumstanțe pot genera noi universuri.
• Găurile negre se pot evapora în timp. Am scris mai sus că a fost descoperit de către omul de știință englez Stephen Hawking că găurile negre au proprietatea de radiație și după o perioadă foarte lungă de timp, când nu există nimic de absorbit în jur, gaura neagră va începe să se evapore mai mult, până când în cele din urmă se va evapora. renunță la toată masa sa în spațiul înconjurător. Deși aceasta este doar o presupunere, o ipoteză.
• Găurile negre încetinesc timpul și îndoaie spațiul. Am scris deja despre dilatarea timpului, dar spațiul în condițiile unei găuri negre va fi complet curbat.
• Găurile negre limitează numărul de stele din univers. Și anume, câmpurile lor gravitaționale împiedică răcirea norilor de gaz în spațiu, din care, după cum știți, se nasc stele noi.

Găuri negre pe Discovery Channel, videoclip

Și în concluzie, vă oferim un documentar științific interesant despre găurile negre de pe canalul Discovery.

Când am scris articolul, am încercat să-l fac cât mai interesant, util și de calitate. Aș fi recunoscător pentru orice feedback și critică constructivă sub formă de comentarii la articol. De asemenea, puteți scrie dorința/întrebarea/sugestia dumneavoastră pe e-mailul meu [email protected] sau pe Facebook, cu respect, autorul.

Datorită creșterii relativ recente a interesului pentru realizarea de filme științifice populare despre explorarea spațiului, spectatorul modern a auzit multe despre fenomene precum singularitatea sau gaura neagră. Cu toate acestea, filmele, evident, nu dezvăluie natura deplină a acestor fenomene și uneori chiar distorsionează construcția. teorii științifice pentru mai multa eficienta. Din acest motiv, prezentarea multora oameni moderni despre aceste fenomene fie complet superficial, fie complet eronat. Una dintre soluțiile problemei este Acest articol, în care vom încerca să înțelegem rezultatele cercetărilor existente și să răspundem la întrebarea - ce este o gaură neagră?

În 1784, preotul și naturalistul englez John Michell a menționat pentru prima dată într-o scrisoare către Royal Society un corp masiv ipotetic care are o atracție gravitațională atât de puternică încât a doua viteză cosmică ar depăși viteza luminii. A doua viteză de evacuare este viteza de care ar avea nevoie un obiect relativ mic pentru a depăși atracția gravitațională corp cerescși să treacă dincolo de orbita închisă în jurul acestui corp. Conform calculelor sale, un corp cu densitatea Soarelui și cu o rază de 500 de raze solare va avea o secundă viteza cosmică egală cu viteza luminii. În acest caz, chiar și lumina nu va părăsi suprafața unui astfel de corp și, prin urmare, acest corp va absorbi doar lumina care vine și va rămâne invizibil pentru observator - un fel de pată neagră pe fundalul spațiului întunecat.

Cu toate acestea, conceptul de corp supermasiv propus de Michell nu a atras prea mult interes până la opera lui Einstein. Amintiți-vă că acesta din urmă a definit viteza luminii ca fiind viteza limită a transferului de informații. În plus, Einstein a extins teoria gravitației pentru viteze apropiate de viteza luminii (). Ca urmare, nu mai era relevant să se aplice teoria newtoniană la găurile negre.

ecuația lui Einstein

Ca urmare a aplicării relativității generale la găurile negre și a rezolvării ecuațiilor Einstein, au fost dezvăluiți principalii parametri ai unei găuri negre, dintre care există doar trei: masa, incarcare electricași moment unghiular. Trebuie remarcată contribuția semnificativă a astrofizicianului indian Subramanyan Chandrasekhar, care a creat o monografie fundamentală: „ teorie matematică găuri negre."

Astfel, soluția ecuațiilor Einstein este reprezentată de patru opțiuni pentru patru tipuri posibile de găuri negre:

• Gaură neagră fără rotație și fără încărcare - soluția lui Schwarzschild. Una dintre primele descrieri ale unei găuri negre (1916) folosind ecuațiile lui Einstein, dar fără a lua în considerare doi dintre cei trei parametri ai corpului. Soluția fizicianului german Karl Schwarzschild vă permite să calculați câmpul gravitațional extern al unui corp masiv sferic. O caracteristică a conceptului de găuri negre al omului de știință german este prezența unui orizont de evenimente și a celui din spatele acestuia. De asemenea, Schwarzschild a calculat mai întâi raza gravitațională, care a primit numele său, care determină raza sferei pe care ar fi situat orizontul evenimentelor pentru un corp cu o masă dată.
• O gaură neagră fără rotație cu o sarcină - soluția Reisner-Nordström. O soluție propusă în 1916-1918, ținând cont de posibila sarcină electrică a unei găuri negre. Această sarcină nu poate fi arbitrar de mare și este limitată din cauza repulsiei electrice care rezultă. Acesta din urmă trebuie compensat prin atracția gravitațională.
• O gaură neagră cu rotație și fără sarcină - soluția lui Kerr (1963). O gaură neagră Kerr rotativă diferă de una statică prin prezența așa-numitei ergosfere (citiți mai departe despre aceasta și despre alte componente ale unei găuri negre).
• BH cu rotație și încărcare - soluție Kerr-Newman. Această soluție a fost calculată în 1965 și este în prezent cea mai completă, deoarece ia în considerare toți cei trei parametri BH. Cu toate acestea, încă se presupune că găurile negre din natură au o încărcătură nesemnificativă.

Formarea unei găuri negre

Există mai multe teorii despre modul în care se formează și apare o gaură neagră, dintre care cea mai faimoasă este apariția unei stele cu masă suficientă ca urmare a colapsului gravitațional. O astfel de compresie poate pune capăt evoluției stelelor cu o masă mai mare de trei mase solare. După terminarea reacțiilor termonucleare în interiorul unor astfel de stele, ele încep să se micșoreze rapid într-una superdensă. Dacă presiunea gazului unei stele neutronice nu poate compensa forțele gravitaționale, adică masa stelei depășește așa-numita. Limita Oppenheimer-Volkov, apoi colapsul continuă, drept urmare materia este comprimată într-o gaură neagră.

Al doilea scenariu care descrie nașterea unei găuri negre este comprimarea gazului protogalactic, adică gazul interstelar care se află în stadiul de transformare într-o galaxie sau într-un fel de cluster. În cazul presiunii interne insuficiente pentru a compensa aceleași forțe gravitaționale, poate apărea o gaură neagră.

Alte două scenarii rămân ipotetice:

• Ca urmare, apariția unei găuri negre - așa-numita. găuri negre primordiale.
• Apariția ca urmare a reacțiilor nucleare la energii mari. Un exemplu de astfel de reacții sunt experimentele pe colisionare.

Structura și fizica găurilor negre

Structura unei găuri negre după Schwarzschild include doar două elemente care au fost menționate mai devreme: singularitatea și orizontul evenimentelor unei găuri negre. Vorbind pe scurt despre singularitate, se poate observa că este imposibil să se tragă o linie dreaptă prin ea și, de asemenea, că majoritatea teoriilor fizice existente nu funcționează în interiorul ei. Astfel, fizica singularității rămâne un mister pentru oamenii de știință de astăzi. gaură neagră - acesta este un fel de graniță, trecere pe care, un obiect fizic își pierde capacitatea de a se întoarce înapoi dincolo de el și fără echivoc „cădea” în singularitatea unei găuri negre.

Structura unei găuri negre devine ceva mai complicată în cazul soluției Kerr, și anume, în prezența rotației BH. Soluția lui Kerr implică faptul că gaura are o ergosferă. Ergosferă - o anumită zonă situată în afara orizontului evenimentelor, în interiorul căreia toate corpurile se mișcă în direcția de rotație a găurii negre. Această zonă nu este încă incitantă și este posibil să o părăsești, spre deosebire de orizontul evenimentului. Ergosfera este probabil un fel de analog al unui disc de acreție, care reprezintă o substanță care se rotește în jurul corpurilor masive. Dacă o gaură neagră statică Schwarzschild este reprezentată ca o sferă neagră, atunci gaura neagră Kerry, datorită prezenței unei ergosfere, are forma unui elipsoid oblat, în forma căruia am văzut adesea găuri negre în desene, în vechile filme sau jocuri video.

• Cât cântărește o gaură neagră? - Cel mai mare material teoretic despre aspectul unei găuri negre este disponibil pentru scenariul apariției acesteia ca urmare a prăbușirii unei stele. În acest caz, masa maximă a unei stele neutronice și masa minimă a unei găuri negre sunt determinate de limita Oppenheimer-Volkov, conform căreia limita inferioară a masei BH este de 2,5 - 3 mase solare. Cea mai grea gaură neagră descoperită vreodată (în galaxia NGC 4889) are o masă de 21 de miliarde de mase solare. Cu toate acestea, nu trebuie să uităm de găurile negre, rezultate ipotetic din reacții nucleare la energii mari, precum cele de la colisionare. Masa unor astfel de găuri negre cuantice, cu alte cuvinte „găuri negre Planck” este de ordinul , și anume 2 10 −5 g.
• Dimensiunea găurii negre. Raza minimă BH poate fi calculată din masa minimă (2,5 - 3 mase solare). Dacă raza gravitațională a Soarelui, adică zona în care s-ar afla orizontul evenimentelor, este de aproximativ 2,95 km, atunci raza minimă a unui BH de 3 mase solare va fi de aproximativ nouă kilometri. Astfel de dimensiuni relativ mici nu se potrivesc în cap când vine vorba de obiecte masive care atrag totul în jur. Cu toate acestea, pentru găurile negre cuantice, raza este de -10 -35 m.
• Densitatea medie a unei găuri negre depinde de doi parametri: masă și rază. Densitatea unei găuri negre cu o masă de aproximativ trei mase solare este de aproximativ 6 10 26 kg/m³, în timp ce densitatea apei este de 1000 kg/m³. Cu toate acestea, astfel de găuri negre mici nu au fost găsite de oamenii de știință. Majoritatea BH-urilor detectate au mase mai mari de 105 mase solare. Există un model interesant conform căruia, cu cât gaura neagră este mai masivă, cu atât densitatea acesteia este mai mică. În acest caz, o modificare a masei cu 11 ordine de mărime implică o modificare a densității cu 22 de ordine de mărime. Astfel, o gaură neagră cu o masă de 1 ·10 9 mase solare are o densitate de 18,5 kg/m³, care este cu o densitate mai mică decât densitatea aurului. Iar găurile negre cu o masă mai mare de 10 10 mase solare pot avea o densitate medie mai mică decât densitatea aerului. Pe baza acestor calcule, este logic să presupunem că formarea unei găuri negre are loc nu datorită comprimării materiei, ci ca urmare a acumulării unei cantități mari de materie într-un anumit volum. În cazul găurilor negre cuantice, densitatea acestora poate fi de aproximativ 10 94 kg/m³.
• Temperatura unei găuri negre este, de asemenea, invers proporțională cu masa acesteia. Această temperatură este direct legată de . Spectrul acestei radiații coincide cu spectrul unui corp complet negru, adică un corp care absoarbe toată radiația incidentă. Spectrul de radiații al unui corp negru depinde doar de temperatura acestuia, apoi temperatura unei găuri negre poate fi determinată din spectrul de radiații Hawking. După cum am menționat mai sus, această radiație este cu atât mai puternică, cu atât mai mică este gaura neagră. În același timp, radiația Hawking rămâne ipotetică, deoarece nu a fost încă observată de astronomi. De aici rezultă că dacă radiația Hawking există, atunci temperatura BH-urilor observate este atât de scăzută încât nu permite detectarea radiației indicate. Conform calculelor, chiar și temperatura unei găuri cu o masă de ordinul masei Soarelui este neglijabil de mică (1 ·10 -7 K sau -272°C). Temperatura găurilor negre cuantice poate atinge aproximativ 10 12 K, iar prin evaporarea lor rapidă (aproximativ 1,5 min.), astfel de BH-uri pot emite energie de ordinul a zece milioane. bombe atomice. Dar, din fericire, crearea unor astfel de obiecte ipotetice va necesita energie de 10 14 ori mai mare decât cea obținută astăzi la Large Hadron Collider. În plus, astfel de fenomene nu au fost niciodată observate de astronomi.

Din ce este făcut un CHD?

O altă întrebare îi îngrijorează atât pe oamenii de știință, cât și pe cei care sunt pur și simplu pasionați de astrofizică - în ce constă o gaură neagră? Nu există un răspuns unic la această întrebare, deoarece nu este posibil să privim dincolo de orizontul evenimentelor din jurul vreunei găuri negre. În plus, așa cum am menționat mai devreme, modelele teoretice ale unei găuri negre oferă doar 3 dintre componentele sale: ergosfera, orizontul evenimentelor și singularitatea. Este logic să presupunem că în ergosferă există doar acele obiecte care au fost atrase de gaura neagră și care se învârt acum în jurul ei - diferite tipuri de corpuri cosmice și gaz cosmic. Orizontul evenimentelor este doar o graniță subțire implicită, odată dincolo de care, aceleași corpuri cosmice sunt atrase irevocabil către ultima componentă principală a găurii negre - singularitatea. Natura singularității nu a fost studiată astăzi și este prea devreme să vorbim despre compoziția sa.

Conform unor ipoteze, o gaură neagră poate consta din neutroni. Dacă urmărim scenariul apariției unei găuri negre ca urmare a comprimării unei stele într-o stea neutronică cu comprimarea ei ulterioară, atunci, probabil, partea principală a găurii negre este formată din neutroni, dintre care stea neutronică. Cu cuvinte simple: Când o stea se prăbușește, atomii ei sunt comprimați în așa fel încât electronii se combină cu protonii, formând astfel neutroni. O astfel de reacție are loc într-adevăr în natură, odată cu formarea unui neutron, are loc emisia de neutrini. Totuși, acestea sunt doar presupuneri.

Ce se întâmplă dacă cazi într-o gaură neagră?

Căderea într-o gaură neagră astrofizică duce la întinderea corpului. Luați în considerare un astronaut ipotetic sinucigaș care se îndreaptă într-o gaură neagră purtând nimic altceva decât un costum spațial, cu picioarele înainte. Trecând orizontul evenimentelor, astronautul nu va observa nicio schimbare, în ciuda faptului că nu mai are ocazia să se întoarcă. La un moment dat, astronautul va ajunge într-un punct (puțin în spatele orizontului evenimentelor) în care va începe să aibă loc deformarea corpului său. Deoarece câmpul gravitațional al unei găuri negre este neuniform și este reprezentat de un gradient de forță care crește spre centru, picioarele astronautului vor fi supuse unui efect gravitațional semnificativ mai mare decât, de exemplu, capul. Apoi, din cauza gravitației, sau mai degrabă, a forțelor mareelor, picioarele vor „cădea” mai repede. Astfel, corpul începe să se întindă treptat în lungime. Pentru a descrie acest fenomen, astrofizicienii au venit cu un termen destul de creativ - spaghetificare. Întinderea ulterioară a corpului îl va descompune probabil în atomi, care, mai devreme sau mai târziu, vor ajunge la o singularitate. Se poate doar ghici ce va simți o persoană în această situație. Este de remarcat faptul că efectul de întindere a corpului este invers proporțional cu masa găurii negre. Adică, dacă un BH cu masa a trei Sori întinde/rupe instantaneu corpul, atunci gaura neagră supermasivă va avea forțe de maree mai mici și, există sugestii că unele materiale fizice ar putea „tolera” o astfel de deformare fără a-și pierde structura.

După cum știți, în apropierea obiectelor masive, timpul curge mai lent, ceea ce înseamnă că timpul pentru un astronaut sinucigaș va curge mult mai lent decât pentru pământeni. În acest caz, poate că va supraviețui nu numai prietenilor săi, ci și Pământului însuși. Vor fi necesare calcule pentru a determina cât de mult timp va încetini pentru un astronaut, cu toate acestea, din cele de mai sus, se poate presupune că astronautul va cădea în gaura neagră foarte lent și poate pur și simplu să nu trăiască pentru a vedea momentul în care corpul său începe. a deforma.

Este de remarcat faptul că, pentru un observator din afară, toate corpurile care au zburat până la orizontul evenimentelor vor rămâne la marginea acestui orizont până când imaginea lor va dispărea. Motivul acestui fenomen este deplasarea gravitațională spre roșu. Simplificând oarecum, putem spune că lumina care cade pe corpul unui astronaut sinucigaș „înghețat” la orizontul evenimentului își va schimba frecvența datorită timpului său încetinit. Pe măsură ce timpul trece mai încet, frecvența luminii va scădea și lungimea de undă va crește. Ca urmare a acestui fenomen, la ieșire, adică pentru un observator extern, lumina se va deplasa treptat către frecvența joasă - roșu. Va avea loc o schimbare a luminii de-a lungul spectrului, pe măsură ce astronautul sinucigaș se îndepărtează din ce în ce mai mult de observator, deși aproape imperceptibil, iar timpul lui curge din ce în ce mai lent. Astfel, lumina reflectată de corpul său va depăși în curând spectrul vizibil (imaginea va dispărea), iar în viitor corpul astronautului poate fi detectat doar în regiunea infraroșu, mai târziu în regiunea radiofrecvenței, și ca urmare, radiația va fi complet evazivă.

În ciuda a ceea ce s-a scris mai sus, se presupune că în găurile negre supermasive foarte mari, forțele mareelor ​​nu se schimbă atât de mult cu distanța și acționează aproape uniform asupra corpului în cădere. În acest caz, căderea nava spatialaîși va păstra structura. Apare o întrebare rezonabilă - unde duce o gaură neagră? La această întrebare se poate răspunde prin munca unor oameni de știință, legând două astfel de fenomene precum găurile de vierme și găurile negre.

În 1935, Albert Einstein și Nathan Rosen, ținând cont, au formulat o ipoteză despre existența așa-numitelor găuri de vierme, conectând două puncte de spațiu-timp prin locuri cu curbură semnificativă a acestora din urmă - podul Einstein-Rosen. sau gaura de vierme. Pentru o curbură atât de puternică a spațiului, vor fi necesare corpuri cu o masă gigantică, cu rolul cărora găurile negre ar face față perfect.

Podul Einstein-Rosen este considerat o gaură de vierme impenetrabilă, deoarece este mic și instabil.

acceptabil gaură de vierme eventual în cadrul teoriei găurilor albe și negre. Unde gaura albă este rezultatul informațiilor care au căzut în gaura neagră. Gaura albă este descrisă în cadrul relativității generale, dar astăzi rămâne ipotetică și nu a fost descoperită. Un alt model gaură de vierme propus de oamenii de știință americani Kip Thorne și studentul său absolvent Mike Morris, care poate fi acceptabil. Totuși, ca și în cazul găurii de vierme Morris-Thorne, la fel și în cazul găurilor albe și negre, posibilitatea de deplasare necesită existența așa-numitei materii exotice, care are energie negativă și rămâne totodată ipotetică.

Găuri negre în univers

Existența găurilor negre a fost confirmată relativ recent (septembrie 2015), dar înainte de acel moment exista deja o mulțime de material teoretic despre natura găurilor negre, precum și multe obiecte candidate pentru rolul unei găuri negre. În primul rând, ar trebui să țineți cont de dimensiunile găurii negre, deoarece însăși natura fenomenului depinde de ele:

• gaura neagră de masă stelară. Astfel de obiecte se formează ca urmare a prăbușirii unei stele. După cum am menționat mai devreme, masa minimă a unui corp capabil să formeze o astfel de gaură neagră este de 2,5 - 3 mase solare.
• Găuri negre greutate medie . Un tip intermediar condiționat de găuri negre care au crescut din cauza absorbției obiectelor din apropiere, cum ar fi o acumulare de gaz, o stea vecină (în sisteme de două stele) și altele corpuri spațiale.
• Gaura neagra supermasiva. Obiecte compacte cu 10 5 -10 10 mase solare. Proprietățile distinctive ale unor astfel de BH sunt paradoxal densitatea scăzută, precum și forțele slabe de maree, care au fost discutate mai devreme. Este această gaură neagră supermasivă din centrul galaxiei noastre Calea Lactee (Sagittarius A*, Sgr A*), precum și majoritatea celorlalte galaxii.

Candidații pentru CHD

Cea mai apropiată gaură neagră, sau mai degrabă un candidat pentru rolul unei găuri negre, este un obiect (V616 Unicorn), care se află la o distanță de 3000 de ani lumină de Soare (în galaxia noastră). Este format din două componente: o stea cu o masă de jumătate din masa solară, precum și un corp mic invizibil, a cărui masă este de 3 - 5 mase solare. Dacă acest obiect se dovedește a fi o mică gaură neagră de masă stelară, atunci de dreapta va fi cea mai apropiată gaură neagră.

După acest obiect, a doua cea mai apropiată gaură neagră este Cyg X-1 (Cyg X-1), care a fost primul candidat pentru rolul unei găuri negre. Distanța până la acesta este de aproximativ 6070 de ani lumină. Destul de bine studiat: are o masă de 14,8 mase solare și o rază a orizontului de evenimente de aproximativ 26 km.

Potrivit unor surse, un alt candidat cel mai apropiat pentru rolul unei găuri negre ar putea fi un cadavru sistem stelar V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), estimat în 1999 la 1600 de ani lumină distanță. Cu toate acestea, studiile ulterioare au mărit această distanță de cel puțin 15 ori.

Câte găuri negre sunt în galaxia noastră?

Nu există un răspuns exact la această întrebare, deoarece este destul de dificil să le observăm, iar pe parcursul întregului studiu al cerului, oamenii de știință au reușit să detecteze aproximativ o duzină de găuri negre în interior. Calea lactee. Fără a ne deda la calcule, observăm că în galaxia noastră există aproximativ 100 - 400 de miliarde de stele și aproximativ fiecare a miilea stea are suficientă masă pentru a forma o gaură neagră. Este probabil ca milioane de găuri negre s-ar fi putut forma în timpul existenței Căii Lactee. Deoarece este mai ușor să înregistrați găuri negre uriașe, este logic să presupunem că majoritatea BH-urilor din galaxia noastră nu sunt supermasive. Este de remarcat faptul că cercetările NASA din 2005 sugerează prezența unui întreg roi de găuri negre (10-20 mii) care orbitează în jurul centrului galaxiei. În plus, în 2016, astrofizicienii japonezi au descoperit un satelit masiv în apropierea obiectului * - o gaură neagră, nucleul Căii Lactee. Datorită razei mici (0,15 ani lumină) a acestui corp, precum și a masei sale uriașe (100.000 de mase solare), oamenii de știință sugerează că acest obiect este și o gaură neagră supermasivă.

Miezul galaxiei noastre, gaura neagră a Căii Lactee (Săgetător A*, Sgr A* sau Săgetător A*) este supermasiv și are o masă de 4,31 10 6 mase solare și o rază de 0,00071 ani lumină (6,25 ore lumină). sau 6,75 miliarde km). Temperatura Săgetător A* împreună cu grupul din jurul său este de aproximativ 1 10 7 K.

Cea mai mare gaură neagră

Cea mai mare gaură neagră din univers pe care oamenii de știință au reușit să o detecteze este o gaură neagră supermasivă, blazarul FSRQ, în centrul galaxiei S5 0014+81, la o distanță de 1,2·10 10 ani lumină de Pământ. Conform rezultatelor preliminare ale observației, folosind observatorul spațial Swift, masa găurii negre a fost de 40 de miliarde (40 10 9) de mase solare, iar raza Schwarzschild a unei astfel de găuri a fost de 118,35 miliarde de kilometri (0,013 ani lumină). În plus, conform calculelor, a apărut acum 12,1 miliarde de ani (1,6 miliarde de ani după Marea explozie). Dacă această gaură neagră uriașă nu absoarbe materia care o înconjoară, atunci va trăi pentru a vedea epoca găurilor negre - una dintre erele în dezvoltarea Universului, în timpul căreia găurile negre vor domina în ea. Dacă nucleul galaxiei S5 0014+81 continuă să crească, atunci va deveni una dintre ultimele găuri negre care vor exista în Univers.

Celelalte două găuri negre cunoscute, deși nu sunt numite, au cea mai mare valoare pentru studiul găurilor negre, deoarece acestea au confirmat existența lor experimental și au dat, de asemenea, rezultate importante pentru studiul gravitației. Vorbim despre evenimentul GW150914, care se numește ciocnirea a două găuri negre într-una singură. Acest eveniment a permis înregistrarea.

Detectarea găurilor negre

Înainte de a lua în considerare metodele de detectare a găurilor negre, ar trebui să răspundem la întrebarea - de ce o gaură neagră este neagră? - răspunsul la acesta nu necesită cunoștințe profunde în astrofizică și cosmologie. Cert este că o gaură neagră absoarbe toată radiația care cade pe ea și nu radiază deloc, dacă nu ții cont de ipotetic. Dacă luăm în considerare acest fenomen mai detaliat, putem presupune că în interiorul găurilor negre nu există procese care să conducă la eliberarea de energie sub formă de radiație electromagnetică. Atunci, dacă gaura neagră radiază, atunci se află în spectrul Hawking (care coincide cu spectrul unui corp încălzit, absolut negru). Cu toate acestea, așa cum am menționat mai devreme, această radiație nu a fost detectată, ceea ce sugerează o temperatură complet scăzută a găurilor negre.

O altă teorie general acceptată spune că radiația electromagnetică nu este deloc capabilă să părăsească orizontul evenimentelor. Cel mai probabil fotonii (particulele de lumină) nu sunt atrași de obiecte masive, deoarece, conform teoriei, ei înșiși nu au masă. Oricum, gaura neagră încă „atrage” fotonii luminii prin distorsiunea spațiu-timpului. Dacă ne imaginăm o gaură neagră în spațiu ca un fel de depresiune pe suprafața netedă a spațiu-timpului, atunci există o anumită distanță de centrul găurii negre, apropiindu-se de care lumina nu se va mai putea îndepărta de ea. Adică, aproximativ vorbind, lumina începe să „cade” în „groapă”, care nici măcar nu are „fund”.

În plus, având în vedere efectul deplasării către roșu gravitaționale, este posibil ca lumina dintr-o gaură neagră să-și piardă frecvența, deplasându-se de-a lungul spectrului către regiunea radiației cu frecvență joasă a undelor lungi, până când pierde cu totul energie.

Deci, o gaură neagră este neagră și, prin urmare, greu de detectat în spațiu.

Metode de detectare

Luați în considerare metodele pe care le folosesc astronomii pentru a detecta o gaură neagră:

Pe lângă metodele menționate mai sus, oamenii de știință asociază adesea obiecte precum găurile negre și. Quazarii sunt niște acumulări de corpuri cosmice și gaze, care sunt printre cele mai strălucitoare obiecte astronomice din Univers. Deoarece au o intensitate mare a luminiscenței la dimensiuni relativ mici, există motive să credem că centrul acestor obiecte este o gaură neagră supermasivă, care atrage materia înconjurătoare spre sine. Datorită unei atracții gravitaționale atât de puternice, materia atrasă este atât de încălzită încât radiază intens. Detectarea unor astfel de obiecte este de obicei comparată cu detectarea unei găuri negre. Uneori, quasarii pot radia jeturi de plasmă încălzită în două direcții - jeturi relativiste. Motivele apariției unor astfel de jeturi (jet) nu sunt complet clare, dar sunt probabil cauzate de interacțiunea câmpurilor magnetice ale BH și discul de acreție și nu sunt emise de o gaură neagră directă.

Un jet în galaxia M87 lovind din centrul unei găuri negre

Rezumând cele de mai sus, ne putem imagina, de aproape: este un obiect sferic negru, în jurul căruia se rotește materia puternic încălzită, formând un disc de acreție luminos.

Fuziunea și ciocnirea găurilor negre

Unul dintre cele mai interesante fenomene din astrofizică este ciocnirea găurilor negre, care face posibilă și detectarea unor astfel de corpuri astronomice masive. Astfel de procese sunt de interes nu numai pentru astrofizicieni, deoarece au ca rezultat fenomene slab studiate de fizicieni. Cel mai clar exemplu este evenimentul menționat anterior numit GW150914, când două găuri negre s-au apropiat atât de mult încât, ca urmare a atracției gravitaționale reciproce, s-au contopit într-una singură. O consecință importantă a acestei coliziuni a fost apariția undelor gravitaționale.

Conform definiției undelor gravitaționale, acestea sunt modificări ale câmpului gravitațional care se propagă într-o manieră asemănătoare undelor din obiecte masive în mișcare. Când două astfel de obiecte se apropie unul de celălalt, ele încep să se rotească în jurul unui centru de greutate comun. Pe măsură ce se apropie unul de altul, rotația lor în jurul propriei axe crește. Astfel de oscilații variabile ale câmpului gravitațional la un moment dat pot forma o undă gravitațională puternică care se poate propaga în spațiu timp de milioane de ani lumină. Așadar, la o distanță de 1,3 miliarde de ani lumină, a avut loc o ciocnire a două găuri negre, care au format o undă gravitațională puternică care a ajuns pe Pământ pe 14 septembrie 2015 și a fost înregistrată de detectoarele LIGO și VIRGO.

Cum mor găurile negre?

Evident, pentru ca o gaură neagră să înceteze să mai existe, ar trebui să-și piardă toată masa. Cu toate acestea, conform definiției ei, nimic nu poate părăsi gaura neagră dacă aceasta și-a depășit orizontul de evenimente. Se știe că, pentru prima dată, fizicianul teoretician sovietic Vladimir Gribov a menționat posibilitatea emiterii de particule de către o gaură neagră în discuția sa cu un alt om de știință sovietic Yakov Zel'dovich. El a susținut că, din punctul de vedere al mecanicii cuantice, o gaură neagră este capabilă să emită particule printr-un efect de tunel. Mai târziu, cu ajutorul mecanicii cuantice, și-a construit propria teorie, oarecum diferită, fizicianul teoretician englez Stephen Hawking. Puteți citi mai multe despre acest fenomen. Pe scurt, în vid există așa-numitele particule virtuale care se nasc constant în perechi și se anihilează reciproc, fără a interacționa cu lumea exterioară. Dar dacă astfel de perechi apar la orizontul de evenimente al găurii negre, atunci gravitația puternică este ipotetic capabilă să le separe, o particulă căzând în gaura neagră, iar cealaltă plecând de la gaura neagră. Și deoarece o particulă care a zburat dintr-o gaură poate fi observată și, prin urmare, are energie pozitivă, o particulă care a căzut într-o gaură trebuie să aibă energie negativă. Astfel, gaura neagră își va pierde energia și va avea loc un efect numit evaporare a găurii negre.

Conform modelelor disponibile ale unei găuri negre, așa cum am menționat mai devreme, pe măsură ce masa ei scade, radiația sa devine mai intensă. Apoi, în etapa finală a existenței unei găuri negre, când aceasta poate fi redusă la dimensiunea unei găuri negre cuantice, va elibera o cantitate imensă de energie sub formă de radiație, care poate fi echivalentă cu mii sau chiar milioane de bombe atomice. Acest eveniment amintește oarecum de explozia unei găuri negre, ca aceeași bombă. Conform calculelor, găurile negre primordiale ar fi putut fi născute în urma Big Bang-ului, iar cele dintre ele, a căror masă este de ordinul a 10 12 kg, ar fi trebuit să se evapore și să explodeze în jurul timpului nostru. Oricum ar fi, astfel de explozii nu au fost niciodată văzute de astronomi.

În ciuda mecanismului propus de Hawking pentru distrugerea găurilor negre, proprietățile radiației lui Hawking provoacă un paradox în mecanica cuantică. Dacă o gaură neagră absoarbe un corp și apoi pierde masa rezultată din absorbția acestui corp, atunci indiferent de natura corpului, gaura neagră nu va diferi de ceea ce era înainte de absorbția corpului. În acest caz, informațiile despre corp se pierd pentru totdeauna. Din punct de vedere al calculelor teoretice, transformarea stării pure inițiale în starea mixtă („termică”) rezultată nu corespunde teoriei actuale a mecanicii cuantice. Acest paradox se numește uneori dispariția informațiilor într-o gaură neagră. O soluție reală la acest paradox nu a fost niciodată găsită. Opțiuni cunoscute pentru rezolvarea paradoxului:

• Incoerența teoriei lui Hawking. Aceasta implică imposibilitatea distrugerii găurii negre și creșterea constantă a acesteia.
• Prezența găurilor albe. În acest caz, informația absorbită nu dispare, ci este pur și simplu aruncată în alt Univers.
• Incoerența teoriei general acceptate a mecanicii cuantice.

Problemă nerezolvată a fizicii găurilor negre

Judecând după tot ceea ce a fost descris mai devreme, găurile negre, deși au fost studiate de o perioadă relativ lungă de timp, au încă multe caracteristici, ale căror mecanisme nu sunt încă cunoscute de oamenii de știință.

• În 1970, un om de știință englez a formulat așa-numitul. „principiul cenzurii cosmice” – „Natura detestă singularitatea goală”. Aceasta înseamnă că singularitatea se formează numai în locuri ascunse vederii, precum centrul unei găuri negre. Cu toate acestea, acest principiu nu a fost încă dovedit. Există și calcule teoretice conform cărora poate să apară o singularitate „goală”.
• Nici „teorema fără păr”, conform căreia găurile negre au doar trei parametri, nu a fost dovedită.
• O teorie completă a magnetosferei găurii negre nu a fost dezvoltată.
• Natura și fizica singularității gravitaționale nu au fost studiate.
• Nu se știe cu siguranță ce se întâmplă în etapa finală a existenței unei găuri negre și ce rămâne după dezintegrarea sa cuantică.

Fapte interesante despre găurile negre

Rezumând cele de mai sus, putem evidenția câteva interesante și caracteristici neobișnuite natura găurilor negre:

• Găurile negre au doar trei parametri: masa, sarcina electrică și momentul unghiular. Ca urmare a unui număr atât de mic de caracteristici ale acestui corp, teorema care afirmă acest lucru se numește „teorema fără păr”. De aici provine și sintagma „o gaură neagră nu are păr”, ceea ce înseamnă că două găuri negre sunt absolut identice, cei trei parametri ai lor menționați fiind aceiași.
• Densitatea unei găuri negre poate fi mai mică decât densitatea aerului, iar temperatura este aproape de zero absolut. Din aceasta putem presupune că formarea unei găuri negre are loc nu datorită comprimării materiei, ci ca urmare a acumulării unei cantități mari de materie într-un anumit volum.
• Timpul pentru corpurile absorbite de găurile negre trece mult mai lent decât pentru un observator extern. În plus, corpurile absorbite sunt întinse semnificativ în interiorul găurii negre, care a fost numită spaghetificare de către oamenii de știință.
• S-ar putea să existe aproximativ un milion de găuri negre în galaxia noastră.
• Probabil că există o gaură neagră supermasivă în centrul fiecărei galaxii.
• În viitor, conform modelului teoretic, Universul va ajunge în așa-numita era a găurilor negre, când găurile negre vor deveni corpurile dominante în Univers.