Vzhľadom na relatívne nedávny nárast záujmu o tvorbu populárno-vedeckých filmov na tému vesmírneho prieskumu, moderný diváci už veľa počuli o fenoménoch ako singularita alebo čierna diera. Filmy však zjavne neodhaľujú úplnú povahu týchto javov a niekedy dokonca skresľujú vytvorené vedecké teórie pre väčší efekt. Z tohto dôvodu je chápanie týchto javov mnohými modernými ľuďmi buď úplne povrchné, alebo úplne mylné. Jedným z riešení vzniknutého problému je tento článok, v ktorom sa pokúsime pochopiť doterajšie výsledky výskumu a odpovedať na otázku – čo je čierna diera?
V roku 1784 sa anglický kňaz a prírodovedec John Michell prvýkrát v liste Kráľovskej spoločnosti zmienil o istom hypotetickom masívnom telese, ktoré má takú silnú gravitačnú príťažlivosť, že jeho druhá úniková rýchlosť prekročí rýchlosť svetla. Druhá úniková rýchlosť je rýchlosť, ktorú bude potrebovať relatívne malý objekt, aby prekonal gravitačnú príťažlivosť nebeského telesa a prekonal uzavretú obežnú dráhu okolo tohto telesa. Podľa jeho výpočtov bude mať teleso s hustotou Slnka a polomerom 500 slnečných polomerov na svojom povrchu druhú kozmickú rýchlosť rovnajúcu sa rýchlosti svetla. V tomto prípade ani svetlo neopustí povrch takéhoto telesa, a preto toto teleso len pohltí prichádzajúce svetlo a zostane pre pozorovateľa neviditeľné – akási čierna škvrna na pozadí tmavého priestoru.
Michellov koncept supermasívneho tela však až do práce Einsteina nevzbudil veľký záujem. Pripomeňme, že ten druhý definoval rýchlosť svetla ako maximálnu rýchlosť prenosu informácie. Okrem toho Einstein rozšíril teóriu gravitácie na rýchlosti blízke rýchlosti svetla (). V dôsledku toho už nebolo relevantné aplikovať Newtonovu teóriu na čierne diery.
Einsteinova rovnica
V dôsledku aplikácie všeobecnej teórie relativity na čierne diery a riešenia Einsteinových rovníc boli identifikované hlavné parametre čiernej diery, z ktorých sú len tri: hmotnosť, elektrický náboj a moment hybnosti. Za zmienku stojí významný príspevok indického astrofyzika Subramaniana Chandrasekhara, ktorý vytvoril základnú monografiu: „Matematická teória čiernych dier“.
Riešenie Einsteinových rovníc je teda prezentované v štyroch možnostiach pre štyri možné typy čiernych dier:
- BH bez rotácie a bez náboja – Schwarzschildovo riešenie. Jeden z prvých popisov čiernej diery (1916) pomocou Einsteinových rovníc, ale bez zohľadnenia dvoch z troch parametrov tela. Riešenie nemeckého fyzika Karla Schwarzschilda umožňuje vypočítať vonkajšie gravitačné pole sférického masívneho telesa. Zvláštnosťou konceptu čiernych dier nemeckého vedca je prítomnosť horizontu udalostí a skrývanie sa za ním. Schwarzschild bol tiež prvým, kto vypočítal gravitačný polomer, ktorý dostal jeho meno, ktorý určuje polomer gule, na ktorej by sa nachádzal horizont udalostí pre teleso s danou hmotnosťou.
- BH bez rotácie s nábojom – riešenie Reisner-Nordström. Riešenie navrhnuté v rokoch 1916-1918 zohľadňujúce možný elektrický náboj čiernej diery. Tento náboj nemôže byť ľubovoľne veľký a je obmedzený v dôsledku výsledného elektrického odpudzovania. Ten musí byť kompenzovaný gravitačnou príťažlivosťou.
- BH s rotáciou a bez náboja - Kerrovo riešenie (1963). Rotujúca Kerrova čierna diera sa od statickej líši prítomnosťou takzvanej ergosféry (prečítajte si viac o tejto a ďalších zložkách čiernej diery).
- BH s rotáciou a nábojom - riešenie Kerr-Newman. Toto riešenie bolo vypočítané v roku 1965 av súčasnosti je najkompletnejšie, pretože zohľadňuje všetky tri parametre čiernej diery. Stále sa však predpokladá, že v prírode majú čierne diery zanedbateľný náboj.
Tvorba čiernych dier
Existuje niekoľko teórií o tom, ako vzniká a objavuje sa čierna diera, z ktorých najznámejšia je tá, že vzniká v dôsledku gravitačného kolapsu hviezdy s dostatočnou hmotnosťou. Takáto kompresia môže ukončiť vývoj hviezd s hmotnosťou väčšou ako tri hmotnosti Slnka. Po dokončení termonukleárnych reakcií vo vnútri takýchto hviezd sa začnú rýchlo stláčať do superhustých hviezd. Ak tlak plynu neutrónovej hviezdy nedokáže kompenzovať gravitačné sily, to znamená, že hmotnosť hviezdy prekonáva tzv. Oppenheimer-Volkoffov limit, potom kolaps pokračuje, výsledkom čoho je stlačenie hmoty do čiernej diery.
Druhým scenárom popisujúcim zrod čiernej diery je stlačenie protogalaktického plynu, teda medzihviezdneho plynu v štádiu premeny na galaxiu alebo nejaký druh zhluku. Ak nie je dostatočný vnútorný tlak na kompenzáciu rovnakých gravitačných síl, môže vzniknúť čierna diera.
Ďalšie dva scenáre zostávajú hypotetické:
- Výskyt čiernej diery v dôsledku tzv prvotné čierne diery.
- Výskyt v dôsledku jadrových reakcií prebiehajúcich pri vysokých energiách. Príkladom takýchto reakcií sú experimenty na urýchľovačoch.
Štruktúra a fyzika čiernych dier
Štruktúra čiernej diery podľa Schwarzschilda zahŕňa iba dva prvky, ktoré boli spomenuté skôr: singularitu a horizont udalostí čiernej diery. Stručne povedané o singularite, možno poznamenať, že nie je možné cez ňu nakresliť priamku a tiež, že väčšina existujúcich fyzikálnych teórií v nej nefunguje. Fyzika singularity teda zostáva pre vedcov záhadou. čierna diera je určitá hranica, prekročením ktorej fyzický objekt stráca možnosť vrátiť sa späť za svoje hranice a definitívne „spadne“ do singularity čiernej diery.
Štruktúra čiernej diery sa v prípade Kerrovho riešenia trochu skomplikuje, a to v prítomnosti rotácie čiernej diery. Kerrovo riešenie predpokladá, že diera má ergosféru. Ergosféra je určitá oblasť nachádzajúca sa mimo horizontu udalostí, vo vnútri ktorej sa všetky telesá pohybujú v smere rotácie čiernej diery. Táto oblasť ešte nie je vzrušujúca a je možné ju opustiť, na rozdiel od horizontu udalostí. Ergosféra je pravdepodobne nejakým druhom akrečného disku, ktorý predstavuje rotujúcu hmotu okolo masívnych telies. Ak je statická Schwarzschildova čierna diera znázornená ako čierna guľa, potom Kerryho čierna diera má v dôsledku prítomnosti ergosféry tvar splošteného elipsoidu, v podobe ktorého sme v starých kresbách často videli čierne diery. filmy alebo videohry.
- Koľko váži čierna diera? – Najviac teoretických materiálov o vzniku čiernej diery je k dispozícii pre scenár jej vzniku v dôsledku kolapsu hviezdy. V tomto prípade je maximálna hmotnosť neutrónovej hviezdy a minimálna hmotnosť čiernej diery určená Oppenheimerovou - Volkovovou hranicou, podľa ktorej je spodná hranica hmotnosti čiernej diery 2,5 - 3 hmotnosti Slnka. Najťažšia čierna diera, ktorá bola objavená (v galaxii NGC 4889), má hmotnosť 21 miliárd hmotností Slnka. Netreba však zabúdať ani na čierne diery, ktoré hypoteticky vznikajú ako dôsledok jadrových reakcií pri vysokých energiách, napríklad pri zrážačoch. Hmotnosť takýchto kvantových čiernych dier, inými slovami „Planckových čiernych dier“, má rádovú veľkosť, konkrétne 2·10−5 g.
- Veľkosť čiernej diery. Minimálny polomer čiernej diery možno vypočítať z minimálnej hmotnosti (2,5 – 3 hmotnosti Slnka). Ak je gravitačný polomer Slnka, teda oblasť, kde by sa nachádzal horizont udalostí, asi 2,95 km, tak minimálny polomer čiernej diery s hmotnosťou 3 Slnka bude asi deväť kilometrov. Takéto relatívne malé veľkosti sú ťažko pochopiteľné, keď hovoríme o masívnych objektoch, ktoré priťahujú všetko okolo nich. Pre kvantové čierne diery je však polomer 10 - 35 m.
- Priemerná hustota čiernej diery závisí od dvoch parametrov: hmotnosti a polomeru. Hustota čiernej diery s hmotnosťou asi troch hmotností Slnka je asi 6 10 26 kg/m³, zatiaľ čo hustota vody je 1000 kg/m³. Takéto malé čierne diery však vedci nenašli. Väčšina zistených čiernych dier má hmotnosť väčšiu ako 105 hmotností Slnka. Existuje zaujímavý vzor, podľa ktorého čím je čierna diera masívnejšia, tým je jej hustota nižšia. V tomto prípade zmena hmotnosti o 11 rádov znamená zmenu hustoty o 22 rádov. Čierna diera s hmotnosťou 1·10 9 hmotnosti Slnka má teda hustotu 18,5 kg/m³, čo je o jednu menej ako hustota zlata. A čierne diery s hmotnosťou viac ako 10 10 hmotností Slnka môžu mať priemernú hustotu menšiu ako hustotu vzduchu. Na základe týchto výpočtov je logické predpokladať, že k vzniku čiernej diery nedochádza v dôsledku stláčania hmoty, ale v dôsledku nahromadenia veľkého množstva hmoty v určitom objeme. V prípade kvantových čiernych dier môže byť ich hustota približne 10 94 kg/m³.
- Teplota čiernej diery tiež nepriamo závisí od jej hmotnosti. Táto teplota priamo súvisí s. Spektrum tohto žiarenia sa zhoduje so spektrom absolútne čierneho telesa, teda telesa, ktoré pohltí všetko dopadajúce žiarenie. Spektrum žiarenia absolútne čierneho telesa závisí len od jeho teploty, potom možno teplotu čiernej diery určiť z Hawkingovho spektra žiarenia. Ako už bolo spomenuté vyššie, toto žiarenie je tým silnejšie, čím je čierna diera menšia. Hawkingovo žiarenie zároveň zostáva hypotetické, keďže ho astronómovia ešte nepozorovali. Z toho vyplýva, že ak existuje Hawkingovo žiarenie, tak teplota pozorovaných čiernych dier je taká nízka, že neumožňuje toto žiarenie detekovať. Podľa výpočtov je dokonca aj teplota otvoru s hmotnosťou rádovo hmotnosti Slnka zanedbateľne malá (1·10 -7 K alebo -272°C). Teplota kvantových čiernych dier môže dosiahnuť asi 10 12 K a pri ich rýchlom vyparovaní (asi 1,5 minúty) môžu takéto čierne diery vyžarovať energiu asi desiatich miliónov atómových bômb. Ale, našťastie, vytvorenie takýchto hypotetických objektov by vyžadovalo energiu 10 14-krát väčšiu, ako je dnes dosiahnutá na Veľkom hadrónovom urýchľovači. Takéto javy navyše astronómovia nikdy nepozorovali.
Z čoho pozostáva čierna diera?
Ďalšia otázka znepokojuje vedcov aj tých, ktorí sa jednoducho zaujímajú o astrofyziku – z čoho pozostáva čierna diera? Na túto otázku neexistuje jednoznačná odpoveď, pretože nie je možné pozerať sa za horizont udalostí obklopujúci akúkoľvek čiernu dieru. Navyše, ako už bolo spomenuté, teoretické modely čiernej diery poskytujú iba 3 jej zložky: ergosféru, horizont udalostí a singularitu. Je logické predpokladať, že v ergosfére sú len tie objekty, ktoré čierna diera priťahovala a ktoré sa okolo nej teraz točia – rôzne druhy kozmických telies a kozmického plynu. Horizont udalostí je len tenká implicitná hranica, za ktorou sú tie isté kozmické telesá neodvolateľne priťahované k poslednej hlavnej zložke čiernej diery – singularite. Povaha singularity dnes nebola študovaná a je príliš skoro hovoriť o jej zložení.
Podľa niektorých predpokladov môže čierna diera pozostávať z neutrónov. Ak sa budeme riadiť scenárom výskytu čiernej diery v dôsledku stlačenia hviezdy na neutrónovú hviezdu s jej následným stlačením, tak pravdepodobne hlavnú časť čiernej diery tvoria neutróny, z ktorých je samotná neutrónová hviezda zložený. Jednoducho povedané: keď sa hviezda zrúti, jej atómy sa stlačia takým spôsobom, že sa elektróny spoja s protónmi, čím sa vytvoria neutróny. K podobnej reakcii v prírode skutočne dochádza a pri vzniku neutrónu vzniká neutrínové žiarenie. To sú však len domnienky.
Čo sa stane, ak spadnete do čiernej diery?
Pád do astrofyzikálnej čiernej diery spôsobuje natiahnutie tela. Uvažujme o hypotetickom samovražednom kozmonautovi, ktorý zamieri do čiernej diery len v skafandri, nohami napred. Pri prekročení horizontu udalostí astronaut nezaznamená žiadne zmeny, napriek tomu, že už nemá možnosť dostať sa späť. V určitom okamihu sa astronaut dostane do bodu (mierne za horizontom udalostí), v ktorom začne dochádzať k deformácii jeho tela. Keďže gravitačné pole čiernej diery je nerovnomerné a je reprezentované silovým gradientom zvyšujúcim sa smerom k stredu, nohy astronauta budú vystavené výrazne väčšiemu gravitačnému vplyvu ako napríklad hlava. Potom v dôsledku gravitácie, alebo skôr slapových síl, nohy „padnú“ rýchlejšie. Telo sa teda začne postupne predlžovať do dĺžky. Na opísanie tohto javu astrofyzici vymysleli dosť kreatívny termín – špagetovanie. Ďalšie naťahovanie tela ho pravdepodobne rozloží na atómy, ktoré skôr či neskôr dosiahnu singularitu. Dá sa len hádať, ako sa bude človek v tejto situácii cítiť. Stojí za zmienku, že účinok napínania tela je nepriamo úmerný hmotnosti čiernej diery. To znamená, že ak čierna diera s hmotnosťou troch Sĺnk okamžite natiahne/roztrhne telo, potom bude mať supermasívna čierna diera nižšie slapové sily a existujú návrhy, že niektoré fyzikálne materiály by mohli „tolerovať“ takúto deformáciu bez straty svojej štruktúry.
Ako viete, čas plynie pomalšie v blízkosti masívnych objektov, čo znamená, že čas pre astronauta samovražedného atentátnika bude plynúť oveľa pomalšie ako pre pozemšťanov. V tomto prípade možno prežije nielen svojich priateľov, ale aj samotnú Zem. Na určenie toho, o koľko času sa astronaut spomalí, budú potrebné výpočty, ale z vyššie uvedeného možno predpokladať, že astronaut bude padať do čiernej diery veľmi pomaly a možno sa jednoducho nedožije okamihu, keď jeho telo sa začne deformovať.
Pozoruhodné je, že pre pozorovateľa zvonku zostanú všetky telesá, ktoré vyletia k horizontu udalostí, na okraji tohto horizontu, kým ich obraz nezmizne. Dôvodom tohto javu je gravitačný červený posun. Trochu zjednodušene môžeme povedať, že svetlo dopadajúce na telo samovražedného kozmonauta „zamrznutého“ v horizonte udalostí zmení svoju frekvenciu v dôsledku spomaleného času. Ako čas plynie pomalšie, frekvencia svetla klesá a vlnová dĺžka sa zvyšuje. V dôsledku tohto javu sa na výstupe, teda pre vonkajšieho pozorovateľa, bude svetlo postupne posúvať smerom k nízkej frekvencii - červenej. Prebehne posun svetla pozdĺž spektra, keď sa samovražedný kozmonaut vzďaľuje od pozorovateľa, hoci takmer nebadateľne, a jeho čas plynie stále pomalšie. Svetlo odrazené jeho telom teda čoskoro presiahne viditeľné spektrum (obraz zmizne) a v budúcnosti bude možné telo astronauta zaznamenať len v oblasti infračerveného žiarenia, neskôr rádiofrekvencie a v dôsledku toho žiarenie bude úplne nepolapiteľné.
Napriek vyššie uvedenému sa predpokladá, že vo veľmi veľkých supermasívnych čiernych dierach sa slapové sily so vzdialenosťou až tak nemenia a pôsobia na padajúce teleso takmer rovnomerne. V tomto prípade by si padajúca kozmická loď zachovala svoju štruktúru. Vzniká rozumná otázka: kam vedie čierna diera? Na túto otázku môže odpovedať práca niektorých vedcov, spájajúca dva fenomény ako červie diery a čierne diery.
V roku 1935 Albert Einstein a Nathan Rosen predložili hypotézu o existencii takzvaných červích dier, ktoré spájajú dva body časopriestoru cez miesta ich výrazného zakrivenia - Einstein-Rosenov most alebo červiu dieru. Na takéto mohutné zakrivenie priestoru by boli potrebné telesá s gigantickou hmotnosťou, ktorých úlohu by dokonale plnili čierne diery.
Most Einstein-Rosen je považovaný za nepriechodnú červiu dieru, pretože je malý a nestabilný.
V rámci teórie čiernych a bielych dier je možná priechodná červia diera. Kde biela diera je výstupom informácií uväznených v čiernej diere. Biela diera je opísaná v rámci všeobecnej teórie relativity, ale dnes zostáva hypotetická a nebola objavená. Ďalší model červej diery navrhli americkí vedci Kip Thorne a jeho postgraduálny študent Mike Morris, ktorý môže byť priechodný. Ako v prípade Morris-Thorneovej červej diery, tak aj v prípade čiernych a bielych dier si však možnosť cestovania vyžaduje existenciu takzvanej exotickej hmoty, ktorá má negatívnu energiu a zostáva aj hypotetická.
Čierne diery vo vesmíre
Existencia čiernych dier bola potvrdená relatívne nedávno (september 2015), ale už predtým bolo k dispozícii množstvo teoretického materiálu o povahe čiernych dier, ako aj veľa kandidátskych objektov na úlohu čiernej diery. Najprv by ste mali vziať do úvahy veľkosť čiernej diery, pretože od nich závisí samotná povaha javu:
- Hviezdna hmotnosť čierna diera. Takéto objekty vznikajú v dôsledku kolapsu hviezdy. Ako už bolo spomenuté, minimálna hmotnosť telesa schopného vytvoriť takúto čiernu dieru je 2,5 - 3 hmotnosti Slnka.
- Stredne hmotné čierne diery. Podmienený prechodný typ čiernej diery, ktorý narástol v dôsledku absorpcie blízkych objektov, ako je zhluk plynu, susedná hviezda (v sústavách dvoch hviezd) a iné kozmické telesá.
- Supermasívna čierna diera. Kompaktné objekty s hmotnosťou 10 5 - 10 10 Slnka. Charakteristickými vlastnosťami takýchto čiernych dier je ich paradoxne nízka hustota, ako aj slabé slapové sily, ktoré boli spomenuté vyššie. Toto je presne supermasívna čierna diera v strede našej galaxie Mliečna dráha (Sagittarius A*, Sgr A*), ako aj väčšiny ostatných galaxií.
Kandidáti na ChD
Najbližšia čierna diera, či skôr kandidát na úlohu čiernej diery, je objekt (V616 Monoceros), ktorý sa nachádza vo vzdialenosti 3000 svetelných rokov od Slnka (v našej galaxii). Skladá sa z dvoch zložiek: hviezda s hmotnosťou polovice hmotnosti Slnka, ako aj neviditeľné malé teleso, ktorého hmotnosť je 3–5 hmotností Slnka. Ak sa tento objekt ukáže ako malá čierna diera s hviezdnou hmotnosťou, potom sa právom stane najbližšou čiernou dierou.
Po tomto objekte je druhou najbližšou čiernou dierou objekt Cygnus X-1 (Cyg X-1), ktorý bol prvým kandidátom na úlohu čiernej diery. Vzdialenosť k nej je približne 6070 svetelných rokov. Celkom dobre preštudovaný: má hmotnosť 14,8 hmotnosti Slnka a polomer horizontu udalostí asi 26 km.
Podľa niektorých zdrojov môže byť ďalším najbližším kandidátom na úlohu čiernej diery teleso v hviezdnom systéme V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), ktoré sa podľa odhadov v roku 1999 nachádzalo vo vzdialenosti 1600 svetelných rokov. Nasledujúce štúdie však túto vzdialenosť predĺžili najmenej 15-krát.
Koľko čiernych dier je v našej galaxii?
Na túto otázku neexistuje presná odpoveď, keďže ich pozorovanie je dosť náročné a počas celého obdobia skúmania oblohy sa vedcom podarilo v rámci Mliečnej dráhy objaviť asi tucet čiernych dier. Bez toho, aby sme sa púšťali do výpočtov, poznamenávame, že v našej galaxii je asi 100 – 400 miliárd hviezd a približne každá tisíca hviezda má dostatočnú hmotnosť na vytvorenie čiernej diery. Je pravdepodobné, že počas existencie Mliečnej dráhy mohli vzniknúť milióny čiernych dier. Keďže je jednoduchšie odhaliť čierne diery obrovskej veľkosti, je logické predpokladať, že s najväčšou pravdepodobnosťou väčšina čiernych dier v našej galaxii nie je supermasívna. Je pozoruhodné, že výskum NASA v roku 2005 naznačuje prítomnosť celého roja čiernych dier (10-20 tisíc), ktoré sa točia okolo stredu galaxie. Okrem toho v roku 2016 japonskí astrofyzici objavili v blízkosti objektu * masívny satelit - čiernu dieru, jadro Mliečnej dráhy. Kvôli malému polomeru (0,15 svetelného roka) tohto telesa, ako aj jeho obrovskej hmotnosti (100 000 hmotností Slnka), vedci predpokladajú, že aj tento objekt je supermasívnou čiernou dierou.
Jadro našej galaxie, čierna diera Mliečnej dráhy (Sagittarius A*, Sgr A* alebo Sagittarius A*) je supermasívne a má hmotnosť 4,31 10 6 hmotností Slnka a polomer 0,00071 svetelných rokov (6,25 svetelných hodín alebo 6,75 miliardy km). Teplota Strelca A* spolu so zhlukom okolo neho je asi 1·107 K.
Najväčšia čierna diera
Najväčšia čierna diera vo vesmíre, ktorú vedci objavili, je supermasívna čierna diera, FSRQ blazar, v strede galaxie S5 0014+81, vo vzdialenosti 1,2 10 10 svetelných rokov od Zeme. Podľa predbežných výsledkov pozorovania pomocou vesmírneho observatória Swift bola hmotnosť čiernej diery 40 miliárd (40·10 9) hmotností Slnka a Schwarzschildov polomer takejto diery bol 118,35 miliardy kilometrov (0,013 svetelných rokov). Navyše podľa výpočtov vznikol pred 12,1 miliardami rokov (1,6 miliardy rokov po Veľkom tresku). Ak táto obrovská čierna diera neabsorbuje hmotu, ktorá ju obklopuje, dožije sa éry čiernych dier - jednej z epoch vývoja vesmíru, počas ktorej v nej budú dominovať čierne diery. Ak bude jadro galaxie S5 0014+81 naďalej rásť, stane sa jednou z posledných čiernych dier, ktoré budú existovať vo vesmíre.
Ďalšie dve známe čierne diery, aj keď nemajú svoje vlastné mená, majú najväčší význam pre štúdium čiernych dier, pretože svoju existenciu potvrdili experimentálne a poskytli tiež dôležité výsledky pre štúdium gravitácie. Hovoríme o udalosti GW150914, čo je zrážka dvoch čiernych dier do jednej. Táto udalosť umožnila registráciu.
Detekcia čiernych dier
Pred zvažovaním metód detekcie čiernych dier by sme si mali odpovedať na otázku – prečo je čierna diera čierna? – odpoveď na to si nevyžaduje hlboké znalosti z astrofyziky a kozmológie. Čierna diera totiž pohltí všetko žiarenie dopadajúce na ňu a vôbec nevyžaruje, ak neberiete do úvahy to hypotetické. Ak tento jav zvážime podrobnejšie, môžeme predpokladať, že vo vnútri čiernych dier nedochádza k procesom vedúcim k uvoľňovaniu energie vo forme elektromagnetického žiarenia. Potom, ak čierna diera vyžaruje, robí to v Hawkingovom spektre (ktoré sa zhoduje so spektrom zahriateho, absolútne čierneho telesa). Ako však už bolo spomenuté, toto žiarenie nebolo detekované, čo naznačuje, že teplota čiernych dier je úplne nízka.
Iná všeobecne uznávaná teória hovorí, že elektromagnetické žiarenie nie je vôbec schopné opustiť horizont udalostí. Je najpravdepodobnejšie, že fotóny (častice svetla) nie sú priťahované masívnymi objektmi, pretože podľa teórie samotné nemajú žiadnu hmotnosť. Čierna diera však stále „priťahuje“ fotóny svetla prostredníctvom skreslenia časopriestoru. Ak si čiernu dieru vo vesmíre predstavíme ako akúsi priehlbinu na hladkom povrchu časopriestoru, potom od stredu čiernej diery existuje určitá vzdialenosť, pri ktorej priblížení sa svetlo už nebude môcť od nej vzdialiť. To znamená, že zhruba povedané, svetlo začne „padať“ do „diery“, ktorá nemá ani „spodok“.
Navyše, ak vezmeme do úvahy vplyv gravitačného červeného posunu, je možné, že svetlo v čiernej diere stratí svoju frekvenciu, posunie sa pozdĺž spektra do oblasti nízkofrekvenčného dlhovlnného žiarenia, až úplne stratí energiu.
Čierna diera má teda čiernu farbu, a preto je ťažké ju vo vesmíre odhaliť.
Detekčné metódy
Pozrime sa na metódy, ktoré astronómovia používajú na detekciu čiernej diery:
Okrem vyššie uvedených metód vedci často spájajú objekty ako čierne diery a. Kvazary sú určité zhluky kozmických telies a plynu, ktoré patria medzi najjasnejšie astronomické objekty vo vesmíre. Keďže majú vysokú intenzitu luminiscencie pri relatívne malých rozmeroch, existuje dôvod predpokladať, že stredom týchto objektov je supermasívna čierna diera, ktorá priťahuje okolitú hmotu. V dôsledku takej silnej gravitačnej príťažlivosti sa priťahovaná hmota tak zahrieva, že intenzívne vyžaruje. Objav takýchto objektov sa zvyčajne porovnáva s objavom čiernej diery. Niekedy môžu kvazary vyžarovať prúdy ohriatej plazmy v dvoch smeroch - relativistické prúdy. Dôvody vzniku takýchto výtryskov nie sú úplne jasné, ale pravdepodobne sú spôsobené interakciou magnetických polí čiernej diery a akrečného disku a nie sú emitované priamou čiernou dierou.
Prúd v galaxii M87 strieľajúci zo stredu čiernej diery
Aby sme to zhrnuli, viete si to predstaviť zblízka: ide o sférický čierny objekt, okolo ktorého rotuje vysoko zahriata hmota a vytvára svietiaci akrečný disk.
Splynutia a zrážky čiernych dier
Jedným z najzaujímavejších javov v astrofyzike je zrážka čiernych dier, vďaka ktorej je možné odhaliť aj také masívne astronomické telesá. Takéto procesy sú zaujímavé nielen pre astrofyzikov, pretože ich výsledkom sú javy, ktoré fyzici neštudujú. Najvýraznejším príkladom je už spomínaná udalosť s názvom GW150914, kedy sa dve čierne diery priblížili tak blízko, že v dôsledku ich vzájomnej gravitačnej príťažlivosti sa spojili do jednej. Dôležitým dôsledkom tejto kolízie bol vznik gravitačných vĺn.
Gravitačné vlny sú podľa definície zmeny v gravitačnom poli, ktoré sa vlnovito šíria z masívnych pohybujúcich sa objektov. Keď sa dva takéto objekty priblížia, začnú sa otáčať okolo spoločného ťažiska. Keď sa približujú, ich rotácia okolo vlastnej osi sa zvyšuje. Takéto striedavé kmity gravitačného poľa v určitom okamihu môžu vytvoriť jednu silnú gravitačnú vlnu, ktorá sa môže šíriť vesmírom milióny svetelných rokov. Vo vzdialenosti 1,3 miliardy svetelných rokov sa teda zrazili dve čierne diery, ktoré vytvorili silnú gravitačnú vlnu, ktorá dosiahla Zem 14. septembra 2015 a bola zaznamenaná detektormi LIGO a VIRGO.
Ako umierajú čierne diery?
Je zrejmé, že aby čierna diera prestala existovať, musela by stratiť všetku svoju hmotu. Podľa jej definície však nemôže nič opustiť čiernu dieru, ak prekročila svoj horizont udalostí. Je známe, že možnosť emisie častíc z čiernej diery prvýkrát spomenul sovietsky teoretický fyzik Vladimir Gribov v diskusii s ďalším sovietskym vedcom Jakovom Zeldovičom. Tvrdil, že z hľadiska kvantovej mechaniky je čierna diera schopná emitovať častice prostredníctvom tunelového efektu. Neskôr pomocou kvantovej mechaniky anglický teoretický fyzik Stephen Hawking vybudoval svoju vlastnú, trochu odlišnú teóriu. O tomto fenoméne si môžete prečítať viac. Stručne povedané, vo vákuu sú takzvané virtuálne častice, ktoré sa neustále rodia v pároch a navzájom sa anihilujú bez interakcie s vonkajším svetom. Ale ak sa takéto páry objavia na horizonte udalostí čiernej diery, potom je silná gravitácia hypoteticky schopná ich oddeliť, pričom jedna častica padne do čiernej diery a druhá sa od čiernej diery vzďaľuje. A keďže časticu odlietajúcu z diery možno pozorovať, a teda má pozitívnu energiu, častica padajúca do diery musí mať negatívnu energiu. Čierna diera teda stratí svoju energiu a dôjde k efektu, ktorý sa nazýva vyparovanie čiernej diery.
Podľa existujúcich modelov čiernej diery, ako už bolo spomenuté, so znižovaním jej hmotnosti sa jej žiarenie stáva intenzívnejším. Potom, v záverečnej fáze existencie čiernej diery, keď sa môže zmenšiť na veľkosť kvantovej čiernej diery, uvoľní obrovské množstvo energie vo forme žiarenia, ktoré by mohlo byť ekvivalentné tisícom alebo dokonca miliónom atómových bomby. Táto udalosť trochu pripomína výbuch čiernej diery, podobnej tej istej bomby. Podľa výpočtov sa prvotné čierne diery mohli zrodiť v dôsledku Veľkého tresku a tie z nich s hmotnosťou okolo 10 12 kg by sa v našej dobe vyparili a explodovali. Nech je to akokoľvek, takéto výbuchy si astronómovia nikdy nevšimli.
Napriek Hawkingovmu navrhovanému mechanizmu na ničenie čiernych dier spôsobujú vlastnosti Hawkingovho žiarenia v rámci kvantovej mechaniky paradox. Ak čierna diera pohltí určité teleso a potom stratí hmotu vyplývajúcu z absorpcie tohto telesa, potom bez ohľadu na povahu telesa sa čierna diera nebude líšiť od toho, aká bola pred pohltením tela. V tomto prípade sú informácie o tele navždy stratené. Transformácia počiatočného čistého stavu na výsledný zmiešaný („tepelný“) stav z hľadiska teoretických výpočtov nezodpovedá súčasnej teórii kvantovej mechaniky. Tento paradox sa niekedy nazýva zmiznutie informácií v čiernej diere. Definitívne riešenie tohto paradoxu sa nikdy nenašlo. Známe riešenia paradoxu:
- Neplatnosť Hawkingovej teórie. To znamená nemožnosť zničenia čiernej diery a jej neustály rast.
- Prítomnosť bielych dier. V tomto prípade absorbovaná informácia nezmizne, ale je jednoducho hodená do iného Vesmíru.
- Nekonzistentnosť všeobecne akceptovanej teórie kvantovej mechaniky.
Nevyriešený problém fyziky čiernych dier
Súdiac podľa všetkého, čo bolo opísané skôr, čierne diery, aj keď boli skúmané pomerne dlho, stále majú veľa znakov, ktorých mechanizmy sú vedcom stále neznáme.
- V roku 1970 anglický vedec sformuloval tzv. "Princíp kozmickej cenzúry" - "Príroda nenávidí nahú singularitu." To znamená, že singularity sa tvoria iba na skrytých miestach, napríklad v strede čiernej diery. Tento princíp však zatiaľ nebol dokázaný. Existujú aj teoretické výpočty, podľa ktorých môže vzniknúť „nahá“ singularita.
- Nepotvrdila sa ani „teoréma bez vlasov“, podľa ktorej majú čierne diery iba tri parametre.
- Úplná teória magnetosféry čiernej diery nebola vyvinutá.
- Povaha a fyzika gravitačnej singularity neboli študované.
- Nie je s určitosťou známe, čo sa stane v záverečnej fáze existencie čiernej diery a čo zostane po jej kvantovom rozpade.
Zaujímavé fakty o čiernych dierach
Ak zhrnieme vyššie uvedené, môžeme zdôrazniť niekoľko zaujímavých a nezvyčajných vlastností povahy čiernych dier:
- BH majú iba tri parametre: hmotnosť, elektrický náboj a moment hybnosti. V dôsledku takého malého počtu charakteristík tohto telesa sa veta, ktorá to uvádza, nazýva „teorém bez vlasov“. Odtiaľ pochádza aj fráza „čierna diera nemá vlasy“, čo znamená, že dve čierne diery sú absolútne identické, ich tri spomínané parametre sú rovnaké.
- Hustota čiernej diery môže byť menšia ako hustota vzduchu a teplota je blízka absolútnej nule. Z toho môžeme predpokladať, že k vzniku čiernej diery nedochádza v dôsledku stláčania hmoty, ale v dôsledku nahromadenia veľkého množstva hmoty v určitom objeme.
- Čas plynie oveľa pomalšie pre telesá absorbované čiernou dierou ako pre vonkajšieho pozorovateľa. Okrem toho sa absorbované telesá výrazne naťahujú vo vnútri čiernej diery, čo vedci nazvali špagetifikácia.
- V našej galaxii môže byť asi milión čiernych dier.
- V strede každej galaxie je pravdepodobne supermasívna čierna diera.
- V budúcnosti podľa teoretického modelu vesmír dosiahne takzvanú éru čiernych dier, kedy sa čierne diery stanú dominantnými telesami vo vesmíre.
Čierne diery sú možno najzáhadnejšími a najzáhadnejšími astronomickými objektmi v našom vesmíre od chvíle, keď boli objavené, priťahujú pozornosť vedcov a vzrušujú predstavivosť autorov sci-fi. Čo sú čierne diery a čo predstavujú? Čierne diery sú vyhasnuté hviezdy, ktoré majú vďaka svojim fyzikálnym vlastnostiam takú vysokú hustotu a takú silnú gravitáciu, že za ne nemôže uniknúť ani svetlo.
História objavovania čiernych dier
Prvýkrát teoretickú existenciu čiernych dier, dávno pred ich skutočným objavom, naznačil istý D. Michel (anglický kňaz z grófstva Yorkshire, ktorý sa vo voľnom čase zaujíma o astronómiu) už v roku 1783. Podľa jeho výpočtov, ak zoberieme tú našu a stlačíme ju (v modernej počítačovej reči archivujeme) na polomer 3 km, vytvorí sa taká veľká (jednoducho obrovská) gravitačná sila, že ju nebude môcť opustiť ani svetlo. . Takto sa objavil pojem „čierna diera“, hoci v skutočnosti vôbec nie je čierna, vhodnejší by bol výraz „tmavá diera“, pretože dochádza práve k absencii svetla.
Neskôr, v roku 1918, veľký vedec Albert Einstein napísal o problematike čiernych dier v kontexte teórie relativity. Ale až v roku 1967, vďaka úsiliu amerického astrofyzika Johna Wheelera, si koncept čiernych dier konečne získal miesto v akademických kruhoch.
Nech je to akokoľvek, D. Michel, Albert Einstein a John Wheeler vo svojich prácach predpokladali iba teoretickú existenciu týchto záhadných nebeských objektov vo vesmíre, ale skutočný objav čiernych dier sa odohral v roku 1971, vtedy sa boli prvýkrát zaznamenané v ďalekohľade.
Takto vyzerá čierna diera.
Ako vznikajú čierne diery vo vesmíre
Ako vieme z astrofyziky, všetky hviezdy (vrátane nášho Slnka) majú určité obmedzené zásoby paliva. A hoci život hviezdy môže trvať miliardy svetelných rokov, skôr či neskôr sa táto podmienená zásoba paliva skončí a hviezda „zhasne“. Proces „blednutia“ hviezdy je sprevádzaný intenzívnymi reakciami, počas ktorých hviezda prechádza výraznou premenou a v závislosti od svojej veľkosti sa môže zmeniť na bieleho trpaslíka, neutrónovú hviezdu alebo čiernu dieru. Navyše, najväčšie hviezdy s neuveriteľne pôsobivými veľkosťami sa zvyčajne menia na čiernu dieru - v dôsledku stlačenia týchto najúžasnejších veľkostí dochádza k mnohonásobnému zvýšeniu hmotnosti a gravitačnej sily novovytvorenej čiernej diery, ktorá sa zmení na druh galaktického vysávača - pohlcujúci všetko a všetkých naokolo.
Čierna diera pohltí hviezdu.
Malá poznámka - naše Slnko na galaktické pomery vôbec nie je veľká hviezda a po jeho zániku, ku ktorému dôjde približne o niekoľko miliárd rokov, sa s najväčšou pravdepodobnosťou nezmení na čiernu dieru.
Ale povedzme si úprimne – dnes vedci ešte nepoznajú všetky zložitosti vzniku čiernej diery, ide o mimoriadne zložitý astrofyzikálny proces, ktorý sám o sebe môže trvať milióny svetelných rokov. Hoci je možné v tomto smere pokročiť, mohlo by ísť o objav a následné štúdium takzvaných intermediárnych čiernych dier, teda hviezd v stave zániku, v ktorých prebieha aktívny proces tvorby čiernych dier. Mimochodom, podobnú hviezdu objavili astronómovia v roku 2014 v ramene špirálovej galaxie.
Koľko čiernych dier je vo vesmíre?
Podľa teórií moderných vedcov môžu byť v našej galaxii Mliečna dráha až stovky miliónov čiernych dier. O nič menej ich možno nie je ani v našej susednej galaxii, do ktorej z našej Mliečnej dráhy nemá čo letieť – 2,5 milióna svetelných rokov.
Teória čiernych dier
Napriek obrovskej hmotnosti (ktorá je stotisíckrát väčšia ako hmotnosť nášho Slnka) a neskutočnej sile gravitácie nebolo ľahké vidieť čierne diery cez ďalekohľad, pretože vôbec nevyžarujú svetlo. Vedcom sa podarilo všimnúť si čiernu dieru až v momente jej „jedla“ - absorpcie inej hviezdy, v tomto momente sa objavuje charakteristické žiarenie, ktoré už možno pozorovať. Teória čiernych dier teda našla skutočné potvrdenie.
Vlastnosti čiernych dier
Hlavnou vlastnosťou čiernej diery sú jej neuveriteľné gravitačné polia, ktoré nedovoľujú okolitému priestoru a času zostať vo svojom obvyklom stave. Áno, počuli ste dobre, čas vo vnútri čiernej diery plynie mnohokrát pomalšie ako zvyčajne, a ak by ste tam boli, potom by ste sa po návrate späť (ak ste mali to šťastie, samozrejme) čudovali, že prešli storočia. na Zemi, a ani ste nezostarli, stihli ste to včas. Aj keď povedzme si úprimne, keby ste boli vo vnútri čiernej diery, len ťažko by ste prežili, pretože sila gravitácie je taká, že akýkoľvek hmotný objekt by sa jednoducho roztrhal, dokonca ani na kúsky, na atómy.
Ale ak by ste boli čo i len blízko čiernej diery, v dosahu jej gravitačného poľa, mali by ste to tiež ťažké, pretože čím viac budete odolávať jej gravitácii a snažiť sa odletieť, tým rýchlejšie by ste do nej spadli. Dôvodom tohto zdanlivého paradoxu je gravitačné vírové pole, ktoré majú všetky čierne diery.
Čo ak človek spadne do čiernej diery
Vyparovanie čiernych dier
Anglický astronóm S. Hawking objavil zaujímavý fakt: zdá sa, že aj čierne diery emitujú vyparovanie. Je pravda, že to platí len pre otvory relatívne malej hmotnosti. Silná gravitácia okolo nich zrodí páry častíc a antičastíc, jeden z páru je vtiahnutý dierou a druhý je vyvrhnutý von. Čierna diera teda vyžaruje tvrdé antičastice a gama žiarenie. Toto vyparovanie alebo žiarenie z čiernej diery bolo pomenované po vedcovi, ktorý ho objavil - „Hawkingovo žiarenie“.
Najväčšia čierna diera
Podľa teórie čiernych dier sa v strede takmer všetkých galaxií nachádzajú obrovské čierne diery s hmotnosťou od niekoľkých miliónov do niekoľkých miliárd hmotností Slnka. A relatívne nedávno vedci objavili dve najväčšie doteraz známe čierne diery, ktoré sa nachádzajú v dvoch blízkych galaxiách: NGC 3842 a NGC 4849.
NGC 3842 je najjasnejšia galaxia v súhvezdí Lev, ktorá sa od nás nachádza 320 miliónov svetelných rokov. V jeho strede sa nachádza obrovská čierna diera s hmotnosťou 9,7 miliardy slnečných hmôt.
NGC 4849, galaxia v zhluku Coma, vzdialená 335 miliónov svetelných rokov, sa môže pochváliť rovnako pôsobivou čiernou dierou.
Gravitačné pole týchto obrovských čiernych dier alebo v akademickom zmysle ich horizont udalostí je približne 5-krát väčšia ako vzdialenosť od Slnka k ! Takáto čierna diera by zjedla našu slnečnú sústavu a ani by sa nezadusila.
Najmenšia čierna diera
Ale v obrovskej rodine čiernych dier sú aj veľmi malí zástupcovia. Najtrpasličejšia čierna diera, ktorú vedci doteraz objavili, má teda iba 3-násobok hmotnosti nášho Slnka. V skutočnosti je to teoretické minimum potrebné na vytvorenie čiernej diery, ak by táto hviezda bola o niečo menšia, diera by nevznikla.
Čierne diery sú kanibali
Áno, existuje taký jav, ako sme písali vyššie, čierne diery sú akési “galaktické vysávače”, ktoré pohlcujú všetko okolo seba, vrátane... iných čiernych dier. Nedávno astronómovia zistili, že čiernu dieru z jednej galaxie požiera ešte väčší čierny žrút z inej galaxie.
- Podľa hypotéz niektorých vedcov nie sú čierne diery len galaktické vysávače, nasávajúce do seba všetko, ale za istých okolností môžu samy zrodiť nové vesmíry.
- Čierne diery sa môžu časom vypariť. Vyššie sme napísali, že anglický vedec Stephen Hawking zistil, že čierne diery majú vlastnosť žiarenia a po nejakom veľmi dlhom čase, keď už okolo nie je čo absorbovať, sa čierna diera začne viac vyparovať, až časom dá vynesie celú svoju hmotu do okolitého priestoru. Aj keď je to len domnienka, hypotéza.
- Čierne diery spomaľujú čas a ohýbajú priestor. O dilatácii času sme už písali, no priestor v podmienkach čiernej diery bude tiež úplne zakrivený.
- Čierne diery obmedzujú počet hviezd vo vesmíre. Ich gravitačné polia totiž bránia ochladzovaniu oblakov plynu vo vesmíre, z ktorých sa, ako je známe, rodia nové hviezdy.
Čierne diery na Discovery Channel, video
A na záver vám ponúkame zaujímavý vedecký dokument o čiernych dierach z Discovery Channel
>
Zvážte tajomné a neviditeľné čierne diery vo vesmíre: zaujímavosti, Einsteinov výskum, supermasívne a intermediárne typy, teória, štruktúra.
- jeden z najzaujímavejších a najzáhadnejších objektov vo vesmíre. Majú vysokú hustotu a gravitačná sila je taká silná, že ani svetlo nemôže uniknúť za svoje hranice.
Albert Einstein prvýkrát hovoril o čiernych dierach v roku 1916, keď vytvoril všeobecnú teóriu relativity. Samotný termín vznikol v roku 1967 vďaka Johnovi Wheelerovi. A prvá čierna diera bola „videná“ v roku 1971.
Klasifikácia čiernych dier zahŕňa tri typy: čierne diery s hviezdnou hmotnosťou, supermasívne čierne diery a čierne diery so strednou hmotnosťou. Určite si pozrite video o čiernych dierach, kde sa dozviete veľa zaujímavých faktov a lepšie spoznáte tieto tajomné vesmírne útvary.
Zaujímavé fakty o čiernych dierach
- Ak sa ocitnete vo vnútri čiernej diery, gravitácia vás natiahne. Netreba sa však báť, pretože zomriete skôr, ako dosiahnete singularitu. Štúdia z roku 2012 naznačila, že kvantové efekty premenia horizont udalostí na ohnivú stenu, ktorá vás premení na hromadu popola.
- Čierne diery „nenasávajú“. Tento proces je spôsobený podtlakom, ktorý v tejto formácii nie je prítomný. Takže materiál jednoducho odpadáva.
- Prvou čiernou dierou bola Cygnus X-1, ktorú našli rakety s Geigerovými počítačmi. V roku 1971 vedci dostali rádiový signál z Cygnus X-1. Tento objekt sa stal predmetom sporu medzi Kipom Thornom a Stephenom Hawkingom. Ten sa domnieval, že to nie je čierna diera. V roku 1990 priznal porážku.
- Drobné čierne diery sa mohli objaviť hneď po veľkom tresku. Rýchlo rotujúci priestor stlačil niektoré oblasti do hustých dier, menej hmotných ako Slnko.
- Ak sa hviezda priblíži príliš blízko, mohla by sa roztrhnúť.
- Všeobecne sa odhaduje, že existuje až miliarda hviezdnych čiernych dier s trojnásobnou hmotnosťou Slnka.
- Ak porovnáme teóriu strún a klasickú mechaniku, prvá z nich vedie k viacerým variantom masívnych obrov.
Nebezpečenstvo čiernych dier
Keď hviezde dôjde palivo, môže začať proces sebazničenia. Ak by jeho hmotnosť bola trikrát väčšia ako Slnko, potom by sa zostávajúce jadro stalo neutrónovou hviezdou alebo bielym trpaslíkom. Ale väčšia hviezda sa premení na čiernu dieru.
Takéto objekty sú malé, ale majú neuveriteľnú hustotu. Predstavte si, že pred vami je objekt veľký ako mesto, ale jeho hmotnosť je trikrát väčšia ako Slnko. To vytvára neuveriteľne obrovskú gravitačnú silu, ktorá priťahuje prach a plyn a zväčšuje jej veľkosť. Budete prekvapení, ale hviezdnych čiernych dier môže byť niekoľko stoviek miliónov.
Supermasívne čierne diery
Samozrejme, nič vo vesmíre sa nevyrovná úžasnosti supermasívnych čiernych dier. Prevyšujú hmotnosť Slnka miliardkrát. Predpokladá sa, že takéto objekty existujú takmer v každej galaxii. Vedci ešte nepoznajú všetky zložitosti procesu formovania. S najväčšou pravdepodobnosťou rastú kvôli akumulácii hmoty z okolitého prachu a plynu.
Za svoj rozsah môžu vďačiť zlúčeniu tisícok malých čiernych dier. Alebo sa môže zrútiť celá hviezdokopa.
Čierne diery v centrách galaxií
Astrofyzička Olga Silchenko o objave supermasívnej čiernej diery v hmlovine Andromeda, výskume Johna Kormendyho a tmavých gravitujúcich telesách:
Povaha zdrojov kozmického rádia
Astrofyzik Anatolij Zasov o synchrotrónovom žiarení, čiernych dierach v jadrách vzdialených galaxií a neutrálnom plyne:
Stredné čierne diery
Nie je to tak dávno, čo vedci našli nový typ - stredne masové čierne diery. Môžu vzniknúť, keď sa hviezdy v zhluku zrazia, čo spôsobí reťazovú reakciu. V dôsledku toho padajú do stredu a vytvárajú supermasívnu čiernu dieru.
V roku 2014 astronómovia objavili stredný typ v ramene špirálovej galaxie. Je veľmi ťažké ich nájsť, pretože sa môžu nachádzať na nepredvídateľných miestach.
Mikro čierne diery
Fyzik Eduard Boos o bezpečnosti LHC, zrode mikročiernej diery a koncepte membrány:
Teória čiernych dier
Čierne diery sú extrémne masívne objekty, ale zaberajú relatívne skromný priestor. Navyše majú obrovskú gravitáciu, ktorá bráni objektom (a dokonca aj svetlu) opustiť ich územie. Nie je však možné ich priamo vidieť. Výskumníci sa musia pozrieť na žiarenie, ktoré vzniká pri napájaní čiernej diery.
Je zaujímavé, že sa stáva, že hmota smerujúca k čiernej diere sa odrazí od horizontu udalostí a je vyhodená. V tomto prípade sa vytvárajú jasné prúdy materiálu, ktoré sa pohybujú relativistickými rýchlosťami. Tieto emisie môžu byť detekované na veľké vzdialenosti.
- úžasné objekty, v ktorých je sila gravitácie taká obrovská, že môže ohýbať svetlo, deformovať priestor a deformovať čas.
V čiernych dierach možno rozlíšiť tri vrstvy: vonkajší a vnútorný horizont udalostí a singularitu.
Horizont udalostí čiernej diery je hranica, kde svetlo nemá šancu uniknúť. Akonáhle častica prekročí túto čiaru, nebude môcť odísť. Vnútorná oblasť, kde sa nachádza hmotnosť čiernej diery, sa nazýva singularita.
Ak hovoríme z pozície klasickej mechaniky, nič nemôže zanechať čiernu dieru. Ale kvantum robí svoju vlastnú korekciu. Faktom je, že každá častica má antičasticu. Majú rovnakú hmotnosť, ale rozdielne náboje. Ak sa pretnú, môžu sa navzájom zničiť.
Keď sa takýto pár objaví mimo horizontu udalostí, jeden z nich môže byť vtiahnutý dovnútra a druhý môže byť odrazený. Z tohto dôvodu sa horizont môže zmenšiť a čierna diera sa môže zrútiť. Vedci sa stále snažia študovať tento mechanizmus.
Akrécia
Astrofyzik Sergej Popov o supermasívnych čiernych dierach, formovaní planét a narastaní hmoty v ranom vesmíre:
Najznámejšie čierne diery
Často kladené otázky o čiernych dierach
Čierna diera je priestrannejšia oblasť vo vesmíre, v ktorej je sústredené také obrovské množstvo hmoty, že ani jeden objekt nemôže uniknúť gravitačnému vplyvu. Pokiaľ ide o gravitáciu, spoliehame sa na všeobecnú teóriu relativity, ktorú navrhol Albert Einstein. Aby sme pochopili podrobnosti o skúmanom objekte, budeme sa pohybovať krok za krokom.
Predstavme si, že ste na povrchu planéty a hádžete balvan. Ak nemáte silu Hulka, nebudete môcť vyvinúť dostatočnú silu. Potom sa kameň zdvihne do určitej výšky, ale pod tlakom gravitácie klesne späť. Ak máte skrytý potenciál zeleného siláka, tak ste schopní dať objektu dostatočné zrýchlenie, vďaka ktorému úplne opustí zónu gravitačného vplyvu. Toto sa nazýva „úniková rýchlosť“.
Ak to rozdelíme do vzorca, táto rýchlosť závisí od hmotnosti planéty. Čím je väčšia, tým je gravitačné uchopenie silnejšie. Rýchlosť odchodu bude závisieť od toho, kde presne sa nachádzate: čím bližšie k centru, tým ľahšie sa dostanete von. Rýchlosť odletu našej planéty je 11,2 km/s, no je to 2,4 km/s.
Blížime sa k najzaujímavejšej časti. Povedzme, že máte na malom mieste zhromaždený predmet s neuveriteľnou koncentráciou hmoty. V tomto prípade úniková rýchlosť presahuje rýchlosť svetla. A vieme, že nič sa nepohybuje rýchlejšie ako tento ukazovateľ, čo znamená, že nikto nebude schopný prekonať takú silu a ujsť. Toto nedokáže ani svetelný lúč!
Ešte v 18. storočí Laplace uvažoval o extrémnej koncentrácii hmoty. Po všeobecnej teórii relativity bol Karl Schwarzschild schopný nájsť matematické riešenie rovnice teórie na opis takéhoto objektu. Ďalšie príspevky urobili Oppenheimer, Wolkoff a Snyder (30. roky 20. storočia). Od tej chvíle začali ľudia na túto tému vážne diskutovať. Bolo jasné: keď sa masívnej hviezde minie palivo, nie je schopná odolať sile gravitácie a musí sa zrútiť do čiernej diery.
V Einsteinovej teórii je gravitácia prejavom zakrivenia v priestore a čase. Faktom je, že bežné geometrické pravidlá tu nefungujú a masívne objekty deformujú časopriestor. Čierna diera má bizarné vlastnosti, takže jej skreslenie je najzreteľnejšie viditeľné. Napríklad objekt má „horizont udalostí“. Toto je povrch gule označujúci líniu otvoru. To znamená, že ak prekročíte túto hranicu, nie je cesty späť.
Doslova ide o miesto, kde sa úniková rýchlosť rovná rýchlosti svetla. Mimo tohto miesta je úniková rýchlosť nižšia ako rýchlosť svetla. Ale ak je vaša raketa schopná zrýchliť, potom bude dostatok energie na únik.
Samotný horizont je z hľadiska geometrie dosť zvláštny. Ak ste ďaleko, budete mať pocit, že sa pozeráte na statickú plochu. Ale ak sa priblížite, uvedomíte si, že sa pohybuje smerom von rýchlosťou svetla! Teraz chápem, prečo je ľahké vojsť, ale také ťažké uniknúť. Áno, je to veľmi mätúce, pretože v skutočnosti horizont stojí, no zároveň sa rúti rýchlosťou svetla. Je to ako situácia s Alicou, ktorá musela bežať čo najrýchlejšie, len aby zostala na mieste.
Pri dopade na horizont zažíva priestor a čas také silné skreslenie, že súradnice začínajú popisovať úlohu radiálnej vzdialenosti a prepínacieho času. To znamená, že „r“, označujúce vzdialenosť od stredu, sa stáva dočasným a „t“ je teraz zodpovedné za „priestorovosť“. V dôsledku toho nebudete môcť zastaviť pohyb s nižším indexom r, rovnako ako sa nebudete môcť dostať do budúcnosti v normálnom čase. Dostanete sa k singularite, kde r = 0. Môžete hádzať rakety, pustiť motor na maximum, ale nemôžete uniknúť.
Termín „čierna diera“ zaviedol John Archibald Wheeler. Predtým sa im hovorilo „chladené hviezdy“.
Fyzik Emil Akhmedov o štúdiu čiernych dier, Karl Schwarzschild a obrie čierne diery:
Existujú dva spôsoby, ako vypočítať, aké veľké je niečo. Môžete pomenovať hmotnosť alebo akú veľkú plochu zaberá. Ak vezmeme prvé kritérium, potom neexistuje žiadny konkrétny limit na masívnosť čiernej diery. Môžete použiť akékoľvek množstvo, pokiaľ ho dokážete stlačiť na požadovanú hustotu.
Väčšina týchto útvarov sa objavila po smrti masívnych hviezd, takže by sa dalo očakávať, že ich hmotnosť by mala byť ekvivalentná. Typická hmotnosť takejto diery by bola 10-krát väčšia ako hmotnosť slnka – 10 31 kg. Okrem toho musí byť každá galaxia domovom centrálnej supermasívnej čiernej diery, ktorej hmotnosť prevyšuje tú slnečnú miliónkrát – 10 36 kg.
Čím je objekt masívnejší, tým väčšiu hmotu pokrýva. Polomer a hmotnosť horizontu sú priamo úmerné, to znamená, že ak čierna diera váži 10-krát viac ako iná, potom je jej polomer 10-krát väčší. Polomer diery so slnečnou masívnosťou je 3 km a ak je miliónkrát väčšia, potom 3 milióny km. Zdá sa, že ide o neuveriteľne masívne veci. Nezabúdajme však, že ide o štandardné pojmy pre astronómiu. Slnečný polomer dosahuje 700 000 km a polomer čiernej diery je 4-krát väčší.
Povedzme, že máte smolu a vaša loď sa neúprosne pohybuje smerom k supermasívnej čiernej diere. Nemá zmysel bojovať. Jednoducho vypnete motory a vydáte sa smerom k nevyhnutnému. čo očakávať?
Začnime stavom beztiaže. Ste vo voľnom páde, takže posádka, loď a všetky časti sú v beztiažovom stave. Čím bližšie sa dostanete k stredu diery, tým silnejšie sú prílivové gravitačné sily pociťované. Napríklad vaše nohy sú bližšie k stredu ako vaša hlava. Potom začnete mať pocit, že vás naťahujú. V dôsledku toho budete jednoducho na roztrhanie.
Tieto sily sú nepostrehnuteľné, kým sa nedostanete do vzdialenosti 600 000 km od centra. Toto je už za horizontom. Hovoríme však o obrovskom objekte. Ak spadnete do diery s hmotnosťou slnka, potom by vás slapové sily pohltili 6000 km od stredu a roztrhali by vás skôr, než by ste sa dostali k horizontu (preto vás posielame do veľkej, aby ste už mohli zomrieť vo vnútri otvoru, a nie na prístupe).
Čo je vo vnútri? Nechcem sklamať, ale nič pozoruhodné. Niektoré predmety môžu mať skreslený vzhľad a nič iné nie je neobvyklé. Aj po prekročení horizontu uvidíte veci okolo seba, ako sa pohybujú s vami.
Ako dlho to všetko bude trvať? Všetko závisí od vašej vzdialenosti. Napríklad ste začali z bodu pokoja, kde je singularita 10-násobkom polomeru otvoru. Bude to trvať len 8 minút, kým sa priblížite k horizontu, a potom ďalších 7 sekúnd, kým sa dostanete do singularity. Ak spadnete do malej čiernej diery, všetko sa stane rýchlejšie.
Hneď ako prekročíte horizont, môžete strieľať rakety, kričať a plakať. Na to všetko máte 7 sekúnd, kým sa nedostanete do singularity. Nič vás však nezachráni. Tak si len užite jazdu.
Povedzme, že ste odsúdení na zánik a spadnete do diery a váš priateľ to z diaľky sleduje. No uvidí veci inak. Všimnete si, že spomalíte, keď sa priblížite k horizontu. Ale aj keď človek sedí sto rokov, nebude čakať, kým sa dostanete za horizont.
Skúsme to vysvetliť. Čierna diera mohla vzniknúť z kolabujúcej hviezdy. Keďže materiál je zničený, Kirill (nech je vaším priateľom) vidí, že ubúda, ale nikdy si nevšimne, že sa blíži k horizontu. Preto sa im hovorilo „zamrznuté hviezdy“, pretože sa zdá, že zamrznú pri určitom polomere.
Čo sa deje? Nazvime to optický klam. Nekonečno nie je potrebné na vytvorenie diery, rovnako ako nie je potrebné prekročiť horizont. Keď sa priblížite, svetlu trvá dlhšie, kým dosiahne Kirilla. Presnejšie povedané, žiarenie z vášho prechodu v reálnom čase bude navždy zaznamenané na horizonte. Dlho ste prekročili čiaru a Kirill stále pozoruje svetelný signál.
Alebo sa môžete priblížiť z druhej strany. Čas sa približuje k horizontu. Napríklad máte super výkonnú loď. Podarilo sa vám priblížiť sa k horizontu, zostať tam pár minút a dostať sa živý ku Kirillovi. s kým sa uvidí? Starec! Čas vám predsa plynul oveľa pomalšie.
Čo je potom pravda? Ilúzia alebo hra o čas? Všetko závisí od súradnicového systému použitého na opis čiernej diery. Ak sa spoliehate na Schwarzschildove súradnice, tak pri prekročení horizontu sa časová súradnica (t) rovná nekonečnu. Ale metriky z tohto systému poskytujú rozmazaný pohľad na to, čo sa deje v blízkosti samotného objektu. Na línii horizontu sú všetky súradnice skreslené (singularita). Ale môžete použiť oba súradnicové systémy, takže dve odpovede sú platné.
V skutočnosti sa jednoducho stanete neviditeľným a Kirill vás prestane vidieť skôr, ako uplynie veľa času. Nezabudnite na červený posun. Vy vyžarujete pozorovateľné svetlo pri určitej vlnovej dĺžke, ale Kirill ho uvidí pri dlhšej. Vlny sa predlžujú, keď sa blížia k horizontu. Okrem toho nezabudnite, že žiarenie sa vyskytuje v určitých fotónoch.
Napríklad v momente prechodu pošlete posledný fotón. Ku Kirillovi sa dostane v určitom konečnom čase (približne hodinu pre supermasívnu čiernu dieru).
Samozrejme, že nie. Nezabudnite na existenciu horizontu udalostí. Toto je jediná oblasť, z ktorej sa nemôžete dostať von. Stačí sa k nej nepribližovať a cítiť sa pokojne. Navyše z bezpečnej vzdialenosti sa vám tento objekt bude zdať veľmi obyčajný.
Hawkingov informačný paradox
Fyzik Emil Akhmedov o vplyve gravitácie na elektromagnetické vlny, informačnom paradoxe čiernych dier a princípe predvídateľnosti vo vede:
Neprepadajte panike, pretože Slnko sa na takýto objekt nikdy nepremení, pretože jednoducho nemá dostatočnú hmotnosť. Navyše si svoj súčasný vzhľad zachová ďalších 5 miliárd rokov. Potom sa presunie do štádia červeného obra, absorbuje Merkúr, Venušu a dôkladne smaží našu planétu, a potom sa stane obyčajným bielym trpaslíkom.
Ale poďme sa oddať fantázii. Takže Slnko sa stalo čiernou dierou. Na začiatok nás okamžite zahalí tma a zima. Zem a ostatné planéty nebudú vtiahnuté do diery. Budú naďalej obiehať nový objekt po normálnych dráhach. prečo? Pretože horizont bude dosahovať len 3 km a gravitácia s nami nebude môcť nič urobiť.
áno. Prirodzene, nemôžeme sa spoliehať na viditeľné pozorovanie, pretože svetlo nemôže uniknúť. Existujú však nepriame dôkazy. Napríklad vidíte oblasť, ktorá by mohla obsahovať čiernu dieru. Ako to môžem skontrolovať? Začnite meraním hmotnosti. Ak je jasné, že v jednej oblasti je toho priveľa alebo je to zdanlivo neviditeľné, tak ste na správnej ceste. Existujú dva vyhľadávacie body: galaktický stred a binárne systémy s röntgenovým žiarením.
Masívne centrálne objekty sa teda našli v 8 galaxiách, ktorých jadrová hmotnosť sa pohybuje od milióna do miliardy slnečných. Hmotnosť sa vypočítava pozorovaním rýchlosti rotácie hviezd a plynu okolo stredu. Čím rýchlejšie, tým väčšia musí byť hmotnosť, aby sa udržali na obežnej dráhe.
Tieto masívne objekty sa považujú za čierne diery z dvoch dôvodov. No viac možností jednoducho nie je. Nie je nič masívnejšie, tmavšie a kompaktnejšie. Okrem toho existuje teória, že všetky aktívne a veľké galaxie majú takéto monštrum ukryté v strede. Ale stále to nie je 100% dôkaz.
V prospech teórie však hovoria dva nedávne zistenia. V najbližšej aktívnej galaxii bol v blízkosti jadra zaznamenaný systém „vodného maséra“ (silný zdroj mikrovlnného žiarenia). Pomocou interferometra vedci zmapovali rozloženie rýchlostí plynu. To znamená, že v galaktickom centre namerali rýchlosť do pol svetelného roka. To im pomohlo pochopiť, že vo vnútri sa nachádza masívny objekt, ktorého polomer dosahoval pol svetelného roka.
Druhý nález je ešte presvedčivejší. Výskumníci pomocou röntgenových lúčov narazili na spektrálnu čiaru galaktického jadra, čo naznačuje prítomnosť atómov v blízkosti, ktorých rýchlosť je neuveriteľne vysoká (1/3 rýchlosti svetla). Okrem toho emisia zodpovedala červenému posunu, ktorý zodpovedá horizontu čiernej diery.
Ďalšiu triedu nájdete v Mliečnej ceste. Ide o hviezdne čierne diery, ktoré vznikajú po výbuchu supernovy. Ak by existovali oddelene, potom by sme si to ani zblízka nevšimli. Máme však šťastie, pretože väčšina existuje v duálnych systémoch. Je ľahké ich nájsť, pretože čierna diera pritiahne hmotu svojho suseda a ovplyvní ju gravitáciou. „Vytiahnutý“ materiál tvorí akrečný disk, v ktorom sa všetko zahrieva a tým vzniká silné žiarenie.
Predpokladajme, že sa vám podarilo nájsť binárny systém. Ako chápete, že kompaktný objekt je čierna diera? Opäť sa obraciame na masy. Ak to chcete urobiť, zmerajte obežnú rýchlosť blízkej hviezdy. Ak je hmotnosť neuveriteľne obrovská s takými malými rozmermi, nezostávajú žiadne ďalšie možnosti.
Ide o zložitý mechanizmus. Stephen Hawking nastolil podobnú tému už v 70. rokoch. Povedal, že čierne diery v skutočnosti nie sú „čierne“. Existujú kvantové mechanické efekty, ktoré spôsobujú, že vytvára žiarenie. Postupne sa otvor začne zmenšovať. Rýchlosť žiarenia sa zvyšuje s ubúdajúcou hmotou, takže diera vyžaruje stále viac a urýchľuje proces kontrakcie, až kým sa nerozpustí.
Toto je však len teoretická schéma, pretože nikto nevie presne povedať, čo sa stane v poslednej fáze. Niektorí ľudia si myslia, že zanecháva malú, ale stabilnú stopu. Moderné teórie zatiaľ neprišli s ničím lepším. Ale samotný proces je neuveriteľný a zložitý. Parametre je potrebné vypočítať v zakrivenom časopriestore a samotné výsledky nie je možné za normálnych podmienok overiť.
Zákon zachovania energie sa tu dá použiť, ale len krátkodobo. Vesmír môže vytvoriť energiu a hmotu od nuly, ale musia rýchlo zmiznúť. Jedným z prejavov je kolísanie vákua. Páry častíc a antičastíc vyrastajú z ničoho nič, existujú určitý krátky čas a umierajú vo vzájomnej deštrukcii. Keď sa objavia, energetická rovnováha sa naruší, ale po zmiznutí sa všetko obnoví. Vyzerá to fantasticky, ale tento mechanizmus bol experimentálne potvrdený.
Povedzme, že jedna z fluktuácií vákua pôsobí blízko horizontu čiernej diery. Možno jedna z častíc spadne a druhá utečie. Tá, ktorá utečie, si vezme so sebou časť energie diery a môže padnúť do očí pozorovateľa. Bude sa mu zdať, že tmavý objekt jednoducho uvoľnil časticu. Ale proces sa opakuje a my vidíme súvislý prúd žiarenia z čiernej diery.
Už sme povedali, že Kirill má pocit, že na prekročenie horizontu potrebujete nekonečno. Okrem toho bolo spomenuté, že čierne diery sa po určitom čase vyparia. Takže, keď dosiahnete horizont, diera zmizne?
Nie Keď sme opisovali Kirillove pozorovania, nehovorili sme o procese vyparovania. Ale ak je tento proces prítomný, potom sa všetko zmení. Váš priateľ vás uvidí letieť cez horizont presne v okamihu vyparovania. prečo?
Kirillovi dominuje optická ilúzia. Vyžarovanému svetlu v horizonte udalostí trvá dlho, kým dosiahne svojho priateľa. Ak diera vydrží navždy, svetlo môže cestovať donekonečna a Kirill nebude čakať na prechod. Ak sa však diera vyparí, svetlo už nič nezastaví a k chlapovi sa dostane v momente výbuchu žiarenia. Ale už ťa to nezaujíma, pretože si dávno zomrel v jedinečnosti.
Vzorce všeobecnej teórie relativity majú zaujímavú vlastnosť – symetriu v čase. Napríklad v akejkoľvek rovnici si môžete predstaviť, že čas plynie dozadu a dostanete iné, ale stále správne riešenie. Ak tento princíp aplikujeme na čierne diery, potom sa zrodí biela diera.
Čierna diera je vymedzená oblasť, z ktorej nemôže nič uniknúť. Ale druhá možnosť je biela diera, do ktorej nemôže nič spadnúť. V skutočnosti všetko odsúva. Hoci z matematického hľadiska všetko vyzerá hladko, nedokazuje to ich existenciu v prírode. S najväčšou pravdepodobnosťou neexistujú žiadne a neexistuje spôsob, ako to zistiť.
Až do tohto bodu sme hovorili o klasike čiernych dier. Neotáčajú sa a nemajú elektrický náboj. Ale v opačnej verzii začína to najzaujímavejšie. Môžete sa napríklad dostať dovnútra, ale vyhnúť sa jedinečnosti. Navyše jeho „vnútro“ je schopné kontaktu s bielou dierou. To znamená, že sa ocitnete v akomsi tuneli, kde čierna diera je vchod a biela diera je východ. Táto kombinácia sa nazýva červia diera.
Je zaujímavé, že biela diera sa môže nachádzať kdekoľvek, dokonca aj v inom vesmíre. Ak vieme, ako takéto červie diery ovládať, zabezpečíme rýchlu prepravu do akejkoľvek oblasti vesmíru. A ešte chladnejšia je možnosť cestovania v čase.
Nebaľte si však batoh, kým nebudete vedieť pár vecí. Bohužiaľ, existuje vysoká pravdepodobnosť, že takéto formácie neexistujú. Už sme povedali, že biele diery sú záverom z matematických vzorcov, a nie skutočným a potvrdeným objektom. A všetky pozorované čierne diery vytvárajú padajúcu hmotu a netvoria červie diery. A poslednou zastávkou je jedinečnosť.
Pojem čierna diera pozná každý – od školákov až po starších ľudí, používa sa vo vedeckej a beletrii, v žltých médiách a na vedeckých konferenciách. Ale čo presne také diery sú, nie je každému známe.
Z histórie čiernych dier
1783 Prvú hypotézu o existencii takého javu ako čierna diera predložil v roku 1783 anglický vedec John Michell. Vo svojej teórii spojil dva Newtonove výtvory – optiku a mechaniku. Michellova myšlienka bola takáto: ak je svetlo prúdom drobných častíc, tak ako všetky ostatné telesá, aj častice by mali zažiť príťažlivosť gravitačného poľa. Ukazuje sa, že čím je hviezda hmotnejšia, tým ťažšie je pre svetlo odolávať jej príťažlivosti. 13 rokov po Michellovi predložil francúzsky astronóm a matematik Laplace (pravdepodobne nezávisle od svojho britského kolegu) podobnú teóriu.
1915 Všetky ich diela však zostali až do začiatku 20. storočia nevyžiadané. V roku 1915 Albert Einstein publikoval Všeobecnú teóriu relativity a ukázal, že gravitácia je zakrivenie časopriestoru spôsobené hmotou a o niekoľko mesiacov neskôr ju nemecký astronóm a teoretický fyzik Karl Schwarzschild použil na riešenie konkrétneho astronomického problému. Skúmal štruktúru zakriveného časopriestoru okolo Slnka a znovu objavil fenomén čiernych dier.
(John Wheeler vymyslel termín „čierne diery“)
1967 Americký fyzik John Wheeler načrtol priestor, ktorý sa dá pokrčiť ako kus papiera do nekonečne malého bodu a označil ho výrazom „čierna diera“.
1974 Britský fyzik Stephen Hawking dokázal, že čierne diery, aj keď absorbujú hmotu bez návratu, môžu vyžarovať žiarenie a nakoniec sa vypariť. Tento jav sa nazýva „Hawkingovo žiarenie“.
Náš čas. Najnovšie výskumy pulzarov a kvazarov, ako aj objav kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia konečne umožnili popísať samotný koncept čiernych dier. V roku 2013 sa oblak plynu G2 dostal veľmi blízko k čiernej diere a s najväčšou pravdepodobnosťou ho pohltí pozorovania jedinečného procesu, ktoré poskytnú obrovské príležitosti na nové objavy vlastností čiernych dier.
Čo čierne diery vlastne sú
Lakonické vysvetlenie tohto javu vyzerá takto. Čierna diera je časopriestorová oblasť, ktorej gravitačná príťažlivosť je taká silná, že ju nemôže opustiť žiadny objekt, vrátane svetelných kvánt.
Čierna diera bola kedysi masívnou hviezdou. Pokiaľ termonukleárne reakcie udržujú v jeho hĺbkach vysoký tlak, všetko zostáva normálne. No časom sa zásoby energie vyčerpajú a nebeské teleso sa vplyvom vlastnej gravitácie začne zmenšovať. Konečným štádiom tohto procesu je kolaps hviezdneho jadra a vytvorenie čiernej diery.
- 1. Čierna diera vyvrhne prúd vysokou rýchlosťou
- 2. Disk hmoty vyrastie do čiernej diery
- 3. Čierna diera
- 4. Podrobný diagram oblasti čiernej diery
- 5. Veľkosť zistených nových pozorovaní
Najbežnejšou teóriou je, že podobné javy existujú v každej galaxii, vrátane stredu našej Mliečnej dráhy. Obrovská gravitačná sila diery je schopná udržať okolo seba niekoľko galaxií, čo im bráni vzdialiť sa od seba. „Oblasť pokrytia“ môže byť rôzna, všetko závisí od hmotnosti hviezdy, ktorá sa zmenila na čiernu dieru, a môže byť tisíce svetelných rokov.
Schwarzschildov polomer
Hlavnou vlastnosťou čiernej diery je, že akákoľvek látka, ktorá do nej spadne, sa už nikdy nemôže vrátiť. To isté platí pre svetlo. Vo svojom jadre sú diery telesá, ktoré úplne absorbujú všetko svetlo dopadajúce na ne a nevyžarujú žiadne vlastné. Takéto predmety sa môžu vizuálne javiť ako zrazeniny absolútnej tmy.
- 1. Hmota sa pohybuje polovičnou rýchlosťou svetla
- 2. Fotónový krúžok
- 3. Vnútorný fotónový kruh
- 4. Horizont udalostí v čiernej diere
Na základe Einsteinovej Všeobecnej teórie relativity, ak sa teleso priblíži ku kritickej vzdialenosti k stredu diery, už sa nebude môcť vrátiť. Táto vzdialenosť sa nazýva Schwarzschildov polomer. Čo presne sa deje vo vnútri tohto polomeru, nie je s určitosťou známe, ale existuje najbežnejšia teória. Predpokladá sa, že všetka hmota čiernej diery je sústredená v nekonečne malom bode a v jej strede je objekt s nekonečnou hustotou, ktorý vedci nazývajú singulárne narušenie.
Ako sa stane pád do čiernej diery?
(Na obrázku čierna diera Sagittarius A* vyzerá ako extrémne jasný zhluk svetla)
Nie je to tak dávno, v roku 2011, vedci objavili oblak plynu a dali mu jednoduchý názov G2, ktorý vyžaruje nezvyčajné svetlo. Táto žiara môže byť spôsobená trením v plyne a prachu spôsobenom čiernou dierou Sagittarius A*, ktorá okolo nej obieha ako akrečný disk. Stávame sa tak pozorovateľmi úžasného fenoménu pohlcovania oblaku plynu supermasívnou čiernou dierou.
Podľa nedávnych štúdií sa najbližšie priblíženie k čiernej diere uskutoční v marci 2014. Môžeme si znovu vytvoriť obraz o tom, ako sa toto vzrušujúce predstavenie bude odohrávať.
- 1. Keď sa oblak plynu prvýkrát objaví v údajoch, pripomína obrovskú guľu plynu a prachu.
- 2. Teraz, od júna 2013, je oblak desiatky miliárd kilometrov od čiernej diery. Padá do nej rýchlosťou 2500 km/s.
- 3. Očakáva sa, že oblak prejde okolo čiernej diery, ale slapové sily spôsobené rozdielom v gravitácii pôsobiacej na nábežnú a zadnú hranu oblaku spôsobia, že bude nadobúdať čoraz predĺženejší tvar.
- 4. Po roztrhnutí oblaku väčšina z neho s najväčšou pravdepodobnosťou pretečie do akrečného disku okolo Sagittarius A*, čím sa v ňom vygenerujú rázové vlny. Teplota vyskočí na niekoľko miliónov stupňov.
- 5. Časť oblaku spadne priamo do čiernej diery. Nikto presne nevie, čo sa s touto látkou bude ďalej diať, no očakáva sa, že pri páde bude vyžarovať silné prúdy röntgenových lúčov a už ju nikdy nikto neuvidí.
Video: čierna diera pohltí oblak plynu
(Počítačová simulácia toho, koľko z oblaku plynu G2 by zničila a spotrebovala čierna diera Sagittarius A*)
Čo je vo vnútri čiernej diery?
Existuje teória, ktorá tvrdí, že čierna diera je vo vnútri prakticky prázdna a všetka jej hmota je sústredená v neuveriteľne malom bode umiestnenom v jej samom strede – singularite.
Podľa inej teórie, ktorá existuje už pol storočia, všetko, čo spadne do čiernej diery, prechádza do iného vesmíru umiestneného v samotnej čiernej diere. Teraz táto teória nie je hlavná.
A je tu aj tretia, najmodernejšia a húževnatá teória, podľa ktorej všetko, čo spadne do čiernej diery, sa rozplynie vo vibráciách strún na jej povrchu, ktorý je označený ako horizont udalostí.
Čo je teda horizont udalostí? Je nemožné pozrieť sa dovnútra čiernej diery ani pomocou supervýkonného teleskopu, pretože ani svetlo, ktoré vstupuje do obrovského kozmického lievika, nemá šancu vrátiť sa späť. Všetko, čo sa dá aspoň ako-tak zvážiť, sa nachádza v jeho tesnej blízkosti.
Horizont udalostí je konvenčná povrchová čiara, spod ktorej nemôže uniknúť nič (ani plyn, ani prach, ani hviezdy, ani svetlo). A toto je veľmi tajomný bod, odkiaľ niet návratu v čiernych dierach vesmíru.
Čierne diery sú jediné kozmické telesá schopné priťahovať svetlo gravitáciou. Sú to tiež najväčšie objekty vo vesmíre. Je nepravdepodobné, že sa v dohľadnej dobe dozvieme, čo sa stane v blízkosti ich horizontu udalostí (známeho ako „bod, odkiaľ niet návratu“). Ide o najzáhadnejšie miesta nášho sveta, o ktorých sa napriek desaťročiam výskumu stále vie veľmi málo. Tento článok obsahuje 10 faktov, ktoré možno označiť za najzaujímavejšie.
Čierne diery do seba nenasávajú hmotu
Mnoho ľudí si čiernu dieru predstavuje ako akýsi „vesmírny vysávač“, ktorý kreslí okolitý priestor. V skutočnosti sú čierne diery obyčajné vesmírne objekty, ktoré majú mimoriadne silné gravitačné pole.
Ak by na mieste Slnka vznikla čierna diera rovnakej veľkosti, Zem by nebola vtiahnutá, otáčala by sa na rovnakej dráhe ako dnes. Hviezdy nachádzajúce sa vedľa čiernych dier strácajú časť svojej hmoty vo forme hviezdneho vetra (to sa deje počas existencie akejkoľvek hviezdy) a čierne diery pohlcujú iba túto hmotu.
Existenciu čiernych dier predpovedal Karl Schwarzschild
Karl Schwarzschild ako prvý použil Einsteinovu všeobecnú teóriu relativity na ospravedlnenie existencie „bodu, odkiaľ niet návratu“. Sám Einstein o čiernych dierach neuvažoval, hoci jeho teória ich existenciu predpovedá.
Schwarzschild predložil svoj návrh v roku 1915, hneď po tom, čo Einstein zverejnil svoju všeobecnú teóriu relativity. V tom čase vznikol pojem „Schwarzschildov rádius“ – toto je hodnota, ktorá ukazuje, ako veľmi by ste museli stlačiť objekt, aby sa z neho stala čierna diera.
Čiernou dierou sa teoreticky môže stať čokoľvek, ak je dostatočne stlačené. Čím je objekt hustejší, tým silnejšie je gravitačné pole, ktoré vytvára. Napríklad Zem by sa stala čiernou dierou, ak by mala hmotnosť objektu veľkosti arašidu.
Čierne diery môžu zrodiť nové vesmíry
Myšlienka, že čierne diery môžu zrodiť nové vesmíry, sa zdá byť absurdná (najmä preto, že si stále nie sme istí existenciou iných vesmírov). Vedci však takéto teórie aktívne rozvíjajú.
Veľmi zjednodušená verzia jednej z týchto teórií je nasledovná. Náš svet má mimoriadne priaznivé podmienky pre vznik života v ňom. Ak by sa ktorákoľvek z fyzikálnych konštánt čo i len trochu zmenila, neboli by sme na tomto svete. Jedinečnosť čiernych dier má prednosť pred normálnymi fyzikálnymi zákonmi a mohla by (aspoň teoreticky) viesť k vzniku nového vesmíru, ktorý sa bude líšiť od nášho.
Čierne diery vás (a čokoľvek iné) môžu zmeniť na špagety
Čierne diery naťahujú objekty, ktoré sú v ich blízkosti. Tieto predmety sa začínajú podobať špagetám (existuje dokonca aj špeciálny výraz - „špagetifikácia“).
To sa deje v dôsledku spôsobu, akým funguje gravitácia. V súčasnosti sú vaše nohy bližšie k stredu Zeme ako vaša hlava, takže sú priťahované silnejšie. Na povrchu čiernej diery začne rozdiel v gravitácii pôsobiť proti vám. Nohy sa čoraz rýchlejšie priťahujú k stredu čiernej diery, takže horná polovica tela s nimi nedokáže držať krok. Výsledok: špagetovanie!
Čierne diery sa časom vyparujú
Čierne diery nielen pohlcujú hviezdny vietor, ale sa aj vyparujú. Tento jav bol objavený v roku 1974 a nazýval sa Hawkingovým žiarením (podľa Stephena Hawkinga, ktorý objav uskutočnil).
Čierna diera môže časom spolu s týmto žiarením uvoľniť všetku svoju hmotu do okolitého priestoru a zmiznúť.
Čierne diery spomaľujú čas v ich blízkosti
Keď sa blížite k horizontu udalostí, čas sa spomaľuje. Aby sme pochopili, prečo sa to deje, musíme sa pozrieť na „paradox dvojčiat“, myšlienkový experiment, ktorý sa často používa na ilustráciu základných princípov Einsteinovej teórie všeobecnej relativity.
Jedno z dvojčiat zostáva na Zemi a druhé odletí na vesmírnu cestu a pohybuje sa rýchlosťou svetla. Po návrate na Zem dvojča zistí, že jeho brat zostarol viac ako on, pretože čas sa pohybuje pomalšie, keď sa pohybuje blízko rýchlosti svetla.
Keď sa priblížite k horizontu udalostí čiernej diery, budete sa pohybovať takou vysokou rýchlosťou, že sa vám spomalí čas.
Čierne diery sú najpokročilejšie energetické systémy
Čierne diery generujú energiu lepšie ako Slnko a iné hviezdy. Je to spôsobené hmotou, ktorá obieha okolo nich. Hmota na obežnej dráhe čiernej diery, ktorá prekračuje horizont udalostí obrovskou rýchlosťou, sa zahrieva na extrémne vysoké teploty. Toto sa nazýva žiarenie čierneho telesa.
Pre porovnanie, jadrová fúzia premieňa 0,7 % hmoty na energiu. V blízkosti čiernej diery sa 10 % hmoty stáva energiou!
Čierne diery ohýbajú priestor okolo seba
Priestor si možno predstaviť ako natiahnutú gumenú dosku, na ktorej sú nakreslené čiary. Ak na záznam položíte predmet, zmení svoj tvar. Čierne diery fungujú rovnako. Ich extrémna hmotnosť priťahuje všetko, vrátane svetla (ktorého lúče, aby sme pokračovali v analógii, by sme mohli nazvať čiarami na tanieri).
Čierne diery obmedzujú počet hviezd vo vesmíre
Hviezdy vznikajú z oblakov plynu. Aby sa mohla začať formovať hviezda, oblak sa musí ochladiť.
Žiarenie z čiernych telies bráni ochladzovaniu oblakov plynu a bráni vzniku hviezd.
Čiernou dierou sa teoreticky môže stať akýkoľvek objekt
Jediný rozdiel medzi našim Slnkom a čiernou dierou je sila gravitácie. V strede čiernej diery je oveľa silnejší ako v strede hviezdy. Ak by bolo naše Slnko stlačené na priemer asi päť kilometrov, mohla by to byť čierna diera.
Čiernou dierou sa teoreticky môže stať čokoľvek. V praxi vieme, že čierne diery vznikajú len v dôsledku kolapsu obrovských hviezd, ktoré svojou hmotnosťou prevyšujú Slnko 20-30-krát.