Šiuolaikiniams mokslininkams juodoji skylė yra vienas paslaptingiausių reiškinių mūsų visatoje. Tokių objektų tyrimas yra sunkus, neįmanoma jų išbandyti „pagal patirtį“. Juodosios skylės medžiagos masė, tankis, šio objekto formavimosi procesai, matmenys – visa tai kelia specialistų susidomėjimą, o kartais – ir suglumimą. Panagrinėkime temą išsamiau. Pirmiausia išanalizuokime, kas yra toks objektas.
Bendra informacija
Nuostabi kosminio objekto savybė yra mažo spindulio, didelio juodosios skylės medžiagos tankio ir neįtikėtinai didelės masės derinys. Visos šiuo metu žinomos fizinės tokio objekto savybės mokslininkams atrodo keistos, dažnai nepaaiškinamos. Net labiausiai patyrę astrofizikai vis dar stebisi tokių reiškinių ypatumais. Pagrindinis bruožas, leidžiantis mokslininkams nustatyti juodąją skylę, yra įvykių horizontas, tai yra riba, dėl kuriosniekas negrįžta, įskaitant šviesą. Jei zona yra atskirta visam laikui, atskyrimo riba nurodoma kaip įvykių horizontas. Laikinai atskyrus, matomo horizonto buvimas yra fiksuotas. Kartais laikinas yra labai laisva sąvoka, tai yra, regionas gali būti atskirtas laikotarpiui, viršijančiam dabartinį Visatos amžių. Jei yra matomas horizontas, kuris egzistuoja ilgą laiką, sunku jį atskirti nuo įvykių horizonto.
Daugeliu atžvilgių juodosios skylės savybės, ją sudarančios medžiagos tankis priklauso nuo kitų fizinių savybių, kurios veikia mūsų pasaulio įstatymuose. Sferiškai simetriškos juodosios skylės įvykių horizontas yra rutulys, kurio skersmenį lemia jos masė. Kuo daugiau masės traukiama į vidų, tuo didesnė skylė. Ir vis dėlto jis lieka stebėtinai mažas žvaigždžių fone, nes gravitacinis slėgis suspaudžia viską viduje. Jei įsivaizduosime skylę, kurios masė atitinka mūsų planetą, tai tokio objekto spindulys neviršys kelių milimetrų, tai yra, jis bus dešimčia milijardų mažesnis nei žemės. Spindulys buvo pavadintas Schwarzschildo, mokslininko, kuris pirmasis išvedė juodąsias skyles kaip Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos sprendimą, vardu.
O viduje?
Patekęs į tokį objektą, žmogus vargu ar pastebės ant savęs didžiulį tankį. Juodosios skylės savybės nėra gerai suprantamos, kad būtų galima įsitikinti, kas nutiks, tačiau mokslininkai mano, kad kertant horizontą nieko ypatingo atskleisti nepavyks. Tai paaiškinama Einšteino atitikmeniuprincipas, paaiškinantis, kodėl horizonto kreivumą formuojantis laukas ir plokštumai būdingas pagreitis stebėtojui nesiskiria. Sekant kirtimo procesą iš tolo, matosi, kad objektas ima lėtėti netoli horizonto, tarsi laikas šioje vietoje slenka lėtai. Po kurio laiko objektas kirs horizontą ir pateks į Schwarzschild spindulį.
Materijos tankis juodojoje skylėje, objekto masė, jo matmenys ir potvynio jėgos bei gravitacinis laukas yra glaudžiai susiję. Kuo didesnis spindulys, tuo mažesnis tankis. Spindulys didėja didėjant svoriui. Potvynių jėgos yra atvirkščiai proporcingos svoriui kvadratu, tai yra, didėjant matmenims ir mažėjant tankiui, objekto potvynio jėgos mažėja. Įveikti horizontą dar nepastebėjus šio fakto bus galima, jei objekto masė labai didelė. Pirmosiomis bendrosios reliatyvumo teorijos dienomis buvo manoma, kad horizonte yra singuliarumas, tačiau paaiškėjo, kad taip nėra.
Apie tankį
Kaip parodė tyrimai, juodosios skylės tankis, priklausomai nuo masės, gali būti didesnis ar mažesnis. Skirtingiems objektams šis indikatorius skiriasi, bet visada mažėja didėjant spinduliui. Gali atsirasti supermasyvių skylių, kurios susidaro plačiai dėl medžiagos kaupimosi. Vidutiniškai tokių objektų, kurių masė atitinka bendrą kelių milijardų mūsų sistemos šviesuolių masę, tankis yra mažesnis už vandens tankį. Kartais jį galima palyginti su dujų tankio lygiu. Šio objekto potvynių ir atoslūgių jėga įsijungia jau stebėtojui kertant horizontąįvykius. Hipotetinis tyrinėtojas nenukentėtų artėdamas prie horizonto ir nukristų daugybę tūkstančių kilometrų, jei rastų apsaugą nuo disko plazmos. Jei stebėtojas neatsigręžia, nepastebės, kad horizontas peržengtas, o pasukęs galvą greičiausiai pamatys horizonte sustingusius šviesos spindulius. Laikas stebėtojui tekės labai lėtai, jis iki pat mirties momento galės sekti įvykius šalia skylės – arba ją, arba Visatą.
Norėdami nustatyti supermasyvios juodosios skylės tankį, turite žinoti jos masę. Raskite šio dydžio reikšmę ir erdvės objektui būdingą Schwarzschildo tūrį. Vidutiniškai toks rodiklis, anot astrofizikų, yra išskirtinai mažas. Įspūdingu procentu atvejų jis yra mažesnis už oro tankio lygį. Reiškinys paaiškinamas taip. Schwarzschild spindulys yra tiesiogiai susijęs su svoriu, o tankis yra atvirkščiai susijęs su tūriu, taigi ir Schwarzschild spinduliu. Tūris yra tiesiogiai susijęs su kubo spinduliu. Masė didėja tiesiškai. Atitinkamai, tūris auga greičiau nei svoris, o vidutinis tankis tampa mažesnis, tuo didesnis tiriamo objekto spindulys.
Smalsu sužinoti
Skyulei būdinga potvynio jėga yra gravitacijos jėgos gradientas, kuris horizonte yra gana didelis, todėl net fotonai negali iš čia pabėgti. Tuo pačiu metu parametro padidėjimas vyksta gana sklandžiai, todėl stebėtojas gali įveikti horizontą nerizikuodamas sau.
Juodosios skylės tankio tyrimaiobjekto centras vis dar gana ribotas. Astrofizikai nustatė, kad kuo arčiau centrinis singuliarumas, tuo didesnis tankio lygis. Anksčiau minėtas skaičiavimo mechanizmas leidžia susidaryti labai vidutinišką supratimą apie tai, kas vyksta.
Mokslininkai turi labai ribotas idėjas apie tai, kas vyksta skylėje, jos struktūrą. Astrofizikų teigimu, tankio pasiskirstymas skylėje išoriniam stebėtojui nėra labai reikšmingas, bent jau dabartiniu lygiu. Daug informatyvesnė gravitacijos, svorio specifikacija. Kuo didesnė masė, tuo stipresnis centras, horizontas yra atskirti vienas nuo kito. Taip pat yra tokių prielaidų: tiesiog už horizonto materijos iš esmės nėra, ją galima aptikti tik objekto gelmėse.
Ar žinomi skaičiai?
Mokslininkai ilgą laiką galvojo apie juodosios skylės tankį. Buvo atlikti tam tikri tyrimai, bandyta skaičiuoti. Štai vienas iš jų.
Saulės masė yra 210^30 kg. Kelis kartus už Saulę didesnio objekto vietoje gali susidaryti skylė. Lengviausios skylės tankis įvertintas vidutiniškai 10^18 kg/m3. Tai yra eilės tvarka didesnis už atomo branduolio tankį. Maždaug toks pat skirtumas nuo vidutinio tankio lygio, būdingo neutroninei žvaigždei.
Gali būti itin lengvų skylių, kurių matmenys atitinka subbranduolines daleles. Tokių objektų tankio indeksas bus pernelyg didelis.
Jei mūsų planeta taps skyle, jos tankis bus maždaug 210^30 kg/m3. Tačiau mokslininkams nepavykoatskleisti procesus, dėl kurių mūsų kosminis namas gali virsti juodąja skyle.
Išsamiau apie skaičius
Paukščių tako centre esančios juodosios skylės tankis yra 1,1 mln. kg/m3. Šio objekto masė atitinka 4 milijonus saulės masių. Apskaičiuota, kad skylės spindulys yra 12 milijonų km. Nurodytas juodosios skylės tankis Paukščių Tako centre leidžia suprasti supermasyvių skylių fizinius parametrus.
Jei kurio nors objekto svoris yra 10^38 kg, tai yra, apskaičiuota, kad jis yra maždaug 100 milijonų Saulės, tai astronominio objekto tankis atitiks mūsų planetoje randamo granito tankio lygį.
Tarp visų šiuolaikiniams astrofizikams žinomų skylių viena sunkiausių skylių buvo rasta OJ 287 kvazare. Jos svoris atitinka 18 milijardų mūsų sistemos šviestuvų. Koks yra juodosios skylės tankis, mokslininkai apskaičiavo be didelių sunkumų. Vertė pasirodė nykiai maža. Tai tik 60 g/m3. Palyginimui: mūsų planetos atmosferos oro tankis yra 1,29 mg/m3.
Iš kur atsiranda skylių?
Mokslininkai ne tik atliko tyrimus, siekdami nustatyti juodosios skylės tankį, palyginti su mūsų sistemos žvaigžde ar kitais kosminiais kūnais, bet ir bandė nustatyti, iš kur atsiranda skylės, kokie yra tokių skylių susidarymo mechanizmai. paslaptingi objektai. Dabar yra keturių skylių atsiradimo būdų idėja. Suprantamiausias variantas – žvaigždės žlugimas. Kai jis tampa didelis, sintezė branduolyje baigiasi,slėgis dingsta, medžiaga krenta į svorio centrą, todėl atsiranda skylė. Artėjant prie centro tankis didėja. Anksčiau ar vėliau indikatorius tampa toks reikšmingas, kad išoriniai objektai nepajėgia įveikti gravitacijos poveikio. Nuo šio momento atsiranda nauja skylė. Šis tipas yra labiau paplitęs nei kiti ir vadinamas saulės masės skylėmis.
Kitas gana dažnas skylių tipas yra itin masyvi. Tai dažniau pastebima galaktikos centruose. Objekto masė, palyginti su aukščiau aprašyta saulės masės skyle, yra milijardus kartų didesnė. Mokslininkai dar nenustatė tokių objektų pasireiškimo procesų. Daroma prielaida, kad pagal aukščiau aprašytą mechanizmą pirmiausia susidaro skylė, tada sugeriamos kaimyninės žvaigždės, o tai lemia augimą. Tai įmanoma, jei galaktikos zona yra tankiai apgyvendinta. Medžiagos absorbcija vyksta greičiau, nei gali paaiškinti aukščiau pateikta schema, ir mokslininkai dar negali atspėti, kaip absorbcija vyksta.
Prielaidos ir idėjos
Astrofizikams labai sudėtinga tema yra pirminės skylės. Tokie, ko gero, atsiranda iš bet kokios masės. Jie gali susidaryti dideliais svyravimais. Tikriausiai tokių skylių atsiradimas įvyko ankstyvojoje Visatoje. Kol kas tyrimai, skirti juodųjų skylių savybėms, ypatybėms (įskaitant tankį), jų atsiradimo procesams, neleidžia nustatyti modelio, kuris tiksliai atkartotų pirminės skylės atsiradimo procesą. Šiuo metu žinomi modeliai dažniausiai yra tokie, kad, jei jie būtų įgyvendinti iš tikrųjų,būtų per daug skylių.
Tarkime, kad Didysis hadronų greitintuvas gali tapti skylės, kurios masė atitinka Higso bozoną, susidarymo š altiniu. Atitinkamai, juodosios skylės tankis bus labai didelis. Jei tokia teorija pasitvirtina, ją galima laikyti netiesioginiu papildomų matmenų buvimo įrodymu. Šiuo metu ši spekuliacinė išvada dar nepatvirtinta.
Spinduliavimas iš skylės
Skylės emisija paaiškinama kvantiniu medžiagos poveikiu. Erdvė yra dinamiška, todėl dalelės čia visiškai kitokios nei mes įpratę. Prie skylės iškraipomas ne tik laikas; dalelės supratimas labai priklauso nuo to, kas ją stebi. Jei kas nors įkrenta į skylę, jam atrodo, kad jis pasineria į vakuumą, o tolimam stebėtojui tai atrodo kaip zona, užpildyta dalelėmis. Poveikis paaiškinamas laiko ir erdvės tempimu. Spinduliavimą iš skylės pirmasis nustatė Hawkingas, kurio pavadinimas buvo suteiktas reiškiniui. Spinduliuotė turi temperatūrą, kuri yra atvirkščiai susijusi su mase. Kuo mažesnis astronominio objekto svoris, tuo aukštesnė temperatūra (taip pat ir juodosios skylės tankis). Jei skylė yra supermasyvi arba jos masė panaši į žvaigždę, būdinga jos spinduliavimo temperatūra bus žemesnė nei mikrobangų fono. Dėl šios priežasties jos neįmanoma stebėti.
Ši spinduliuotė paaiškina duomenų praradimą. Taip vadinamas terminis reiškinys, turintis vieną išskirtinę savybę – temperatūrą. Informacijos apie skylių susidarymo procesus tyrimo metu nėra, tačiau tokią spinduliuotę skleidžiantis objektas tuo pačiu metu praranda masę (todėl augajuodosios skylės tankis) sumažėja. Procesą lemia ne medžiaga, iš kurios susidaro skylė, nepriklauso nuo to, kas į ją vėliau buvo įsiurbta. Mokslininkai negali pasakyti, kas tapo skylės pagrindu. Be to, tyrimai parodė, kad spinduliuotė yra negrįžtamas procesas, ty toks, kurio kvantinėje mechanikoje tiesiog negali būti. Tai reiškia, kad spinduliuotė negali būti suderinta su kvantine teorija, o dėl nenuoseklumo reikia toliau dirbti šia kryptimi. Nors mokslininkai mano, kad Hokingo spinduliuotė turi turėti informacijos, mes tiesiog dar neturime priemonių, galimybių ją aptikti.
Smalsu: apie neutronines žvaigždes
Jei yra supermilžinas, tai nereiškia, kad toks astronominis kūnas yra amžinas. Laikui bėgant jis keičiasi, išmeta išorinius sluoksnius. Iš likučių gali atsirasti b altųjų nykštukų. Antrasis variantas – neutroninės žvaigždės. Konkrečius procesus lemia pirminio kūno branduolinė masė. Jei jis vertinamas 1,4–3 saulės spindulių ribose, tada supermilžino sunaikinimą lydi labai didelis slėgis, dėl kurio elektronai tarsi įspaudžiami į protonus. Tai veda prie neutronų susidarymo, neutrinų emisijos. Fizikoje tai vadinama neutronų išsigimusiomis dujomis. Jo spaudimas toks, kad žvaigždė nebegali susitraukti.
Tačiau, kaip parodė tyrimai, tikriausiai ne visos neutroninės žvaigždės atsirado tokiu būdu. Kai kurios iš jų yra didelių, sprogusių kaip antroji supernovos, liekanos.
Tomo kūno spindulysmažiau nei daugiau masės. Daugeliui jis svyruoja nuo 10 iki 100 km. Buvo atlikti tyrimai juodųjų skylių, neutroninių žvaigždžių tankiams nustatyti. Antrojo, kaip parodė bandymai, parametras yra gana artimas atominiam. Konkretūs astrofizikų nustatyti skaičiai: 10^10 g/cm3.
Smalsu sužinoti: teorija ir praktika
Neutroninės žvaigždės teoriškai buvo prognozuojamos praėjusio amžiaus 60-70-aisiais. Pirmieji buvo atrasti pulsarai. Tai mažos žvaigždės, kurių sukimosi greitis labai didelis, o magnetinis laukas išties grandiozinis. Daroma prielaida, kad pulsaras paveldi šiuos parametrus iš pirminės žvaigždės. Sukimosi laikotarpis svyruoja nuo milisekundžių iki kelių sekundžių. Pirmieji žinomi pulsarai skleidė periodinę radijo bangą. Šiandien žinomi pulsarai su rentgeno spindulių spektro spinduliuote, gama spinduliuote.
Aprašytas neutroninių žvaigždžių formavimosi procesas gali tęstis – niekas negali jo sustabdyti. Jei branduolio masė yra daugiau nei trys saulės masės, tada taškinis kūnas yra labai kompaktiškas, jis vadinamas skylėmis. Nebus įmanoma nustatyti juodosios skylės, kurios masė didesnė už kritinę, savybių. Jei dalis masės prarandama dėl Hokingo spinduliuotės, spindulys kartu sumažės, todėl svorio reikšmė vėl bus mažesnė už šio objekto kritinę vertę.
Ar skylė gali mirti?
Mokslininkai daro prielaidas apie procesų egzistavimą dėl dalelių ir antidalelių dalyvavimo. Elementų svyravimas gali sukelti tuščios erdvės apibūdinimąnulinis energijos lygis, kuris (čia paradoksas!) nebus lygus nuliui. Tuo pačiu metu kūnui būdingas įvykių horizontas gaus mažos energijos spektrą, būdingą absoliučiai juodam kūnui. Tokia spinduliuotė sukels masės praradimą. Horizontas šiek tiek susitrauks. Tarkime, kad yra dvi poros dalelės ir jos antagonisto. Dalelė sunaikinama iš vienos poros, o jos antagonistas – iš kitos. Dėl to iš skylės išskrenda fotonai. Antroji siūlomų dalelių pora patenka į skylę, kartu sugerdama tam tikrą kiekį masės, energijos. Palaipsniui tai veda prie juodosios skylės mirties.
Išvada
Kai kurių nuomone, juodoji skylė yra savotiškas kosminis dulkių siurblys. Skylė gali praryti žvaigždę, ji netgi gali „suvalgyti“galaktiką. Daugeliu atžvilgių skylės savybių paaiškinimą, taip pat jos formavimosi ypatumus galima rasti reliatyvumo teorijoje. Iš jo žinoma, kad laikas yra tęstinis, kaip ir erdvė. Tai paaiškina, kodėl glaudinimo procesų negalima sustabdyti, jie yra neriboti ir neriboti.
Tai šios paslaptingos juodosios skylės, dėl kurių astrofizikai blaškosi savo smegenimis daugiau nei dešimtmetį.
