« Znanstvena fantastika može biti korisna - potiče maštu i oslobađa straha od budućnosti. Međutim, znanstvene činjenice mogu biti puno upečatljivije. Znanstvena fantastika nije čak ni zamislila stvari poput crnih rupa.»
Stephen Hawking

U dubinama svemira za čovjeka krije se bezbroj misterija i misterija. Jedna od njih su crne rupe - objekti koje ne mogu razumjeti ni najveći umovi čovječanstva. Stotine astrofizičara pokušavaju otkriti prirodu crnih rupa, ali u ovoj fazi nismo niti dokazali njihovo postojanje u praksi.

Redatelji im posvećuju svoje filmove, a među običnim ljudima crne rupe postale su toliko kultni fenomen da se poistovjećuju s krajem svijeta i skorom smrću. Boje ih se i mrze ih se, ali ih se u isto vrijeme idolizira i klanja pred nepoznatim, kojim su ti čudni fragmenti Svemira prepuni. Slažete se, biti progutan od strane crne rupe je takva vrsta romantike. Uz njihovu pomoć to je moguće, a mogu nam postati i vodiči u.

Žuti tisak često špekulira o popularnosti crnih rupa. Pronaći naslove u novinama vezane uz smak svijeta na planetu zbog još jednog sudara sa supermasivnom crnom rupom nije problem. Puno gore je što nepismeni dio stanovništva sve shvaća ozbiljno i diže pravu paniku. Da bismo unijeli malo jasnoće, krenut ćemo na putovanje do izvora otkrića crnih rupa i pokušati razumjeti što je to i kako se s tim povezati.

nevidljive zvijezde

Dogodilo se da moderni fizičari opisuju strukturu našeg Svemira uz pomoć teorije relativnosti, koju je Einstein pažljivo pružio čovječanstvu početkom 20. stoljeća. Tim su misterioznije crne rupe na čijem horizontu događaja prestaju djelovati svi nama poznati zakoni fizike, pa tako i Einsteinova teorija. Nije li divno? Osim toga, pretpostavka o postojanju crnih rupa izražena je mnogo prije rođenja samog Einsteina.

Godine 1783. došlo je do značajnog porasta znanstvene aktivnosti u Engleskoj. U to je vrijeme znanost išla rame uz rame s religijom, dobro su se slagali, a znanstvenike se više nije smatralo hereticima. Štoviše, svećenici su se bavili znanstvenim istraživanjem. Jedan od tih Božjih slugu bio je engleski pastor John Michell, koji je sebi postavljao ne samo životna pitanja, nego i sasvim znanstvene zadatke. Michell je bio vrlo tituliran znanstvenik: u početku je bio nastavnik matematike i antičke lingvistike na jednom od koledža, a nakon toga je zbog niza otkrića primljen u Londonsko kraljevsko društvo.

John Michell bavio se seizmologijom, ali je u slobodno vrijeme volio razmišljati o vječnom i kozmosu. Tako je došao na ideju da negdje u dubinama Svemira mogu postojati supermasivna tijela s tako snažnom gravitacijom da se za nadvladavanje gravitacijske sile takvog tijela potrebno kretati brzinom jednakom ili veća od brzine svjetlosti. Ako takvu teoriju prihvatimo kao istinitu, tada ni svjetlost neće moći razviti drugu kozmičku brzinu (brzinu potrebnu za svladavanje gravitacijske privlačnosti tijela koje napušta), pa će takvo tijelo ostati nevidljivo golim okom.

Michell je svoju novu teoriju nazvao "tamne zvijezde", a ujedno je pokušao izračunati masu takvih objekata. Svoja razmišljanja o ovom pitanju iznio je u otvorenom pismu Kraljevskom društvu u Londonu. Nažalost, u ono doba takva istraživanja nisu bila od posebne vrijednosti za znanost, pa je Michellovo pismo poslano u arhiv. Tek dvjestotinjak godina kasnije, u drugoj polovici 20. stoljeća, pronađen je među tisućama drugih zapisa brižno pohranjenih u drevnoj knjižnici.

Prvi znanstveni dokaz o postojanju crnih rupa

Nakon objave Einsteinove Opće teorije relativnosti, matematičari i fizičari su se ozbiljno prihvatili rješavanja jednadžbi koje je njemački znanstvenik predstavio, a koje su nam trebale puno reći o strukturi Svemira. Njemački astronom, fizičar Karl Schwarzschild odlučio je učiniti isto 1916. godine.

Znanstvenik je, koristeći svoje izračune, došao do zaključka da je postojanje crnih rupa moguće. Također je prvi opisao ono što je kasnije nazvano romantičnom frazom "horizont događaja" - zamišljenu granicu prostor-vremena na crnoj rupi, nakon čijeg prelaska dolazi točka bez povratka. Ništa ne bježi s horizonta događaja, čak ni svjetlost. Iza horizonta događaja događa se takozvani "singularitet", gdje zakoni fizike koji su nam poznati prestaju djelovati.

Nastavljajući razvijati svoju teoriju i rješavajući jednadžbe, Schwarzschild je otkrio nove tajne crnih rupa za sebe i svijet. Tako je uspio izračunati, samo na papiru, udaljenost od središta crne rupe, gdje je koncentrirana njena masa, do horizonta događaja. Schwarzschild je ovu udaljenost nazvao gravitacijski radijus.

Unatoč činjenici da su Schwarzschildova rješenja matematički bila iznimno točna i da ih se nije moglo opovrgnuti, znanstvena zajednica s početka 20. stoljeća nije mogla odmah prihvatiti tako šokantno otkriće, a postojanje crnih rupa otpisano je kao fantazija, koja tu i tamo očitovalo se u teoriji relativnosti. Sljedećih petnaestak godina proučavanje svemira na prisutnost crnih rupa bilo je sporo, a njime se bavilo samo nekoliko pristaša teorije njemačkog fizičara.

Zvijezde koje rađaju tamu

Nakon što su Einsteinove jednadžbe rastavljene, došlo je vrijeme da se izvedeni zaključci koriste za razumijevanje strukture Svemira. Konkretno, u teoriji evolucije zvijezda. Nije tajna da ništa u našem svijetu ne traje vječno. Čak i zvijezde imaju svoj ciklus života, iako duži od osobe.

Jedan od prvih znanstvenika koji se ozbiljno zainteresirao za evoluciju zvijezda bio je mladi astrofizičar Subramanyan Chandrasekhar, rodom iz Indije. Godine 1930. objavio je znanstveni rad koji opisuje navodnu unutarnju strukturu zvijezda, kao i njihove životne cikluse.

Već početkom 20. stoljeća znanstvenici su nagađali o takvom fenomenu kao što je gravitacijska kontrakcija (gravitacijski kolaps). U određenom trenutku svog života zvijezda se pod utjecajem gravitacijskih sila počinje skupljati velikom brzinom. U pravilu se to događa u trenutku smrti zvijezde, međutim, s gravitacijskim kolapsom, postoji nekoliko načina za daljnje postojanje užarene lopte.

Chandrasekharov supervizor, Ralph Fowler, cijenjeni teoretski fizičar u svoje vrijeme, sugerirao je da se tijekom gravitacijskog kolapsa svaka zvijezda pretvara u manju i topliju - bijelog patuljka. No pokazalo se da je učenik “razbio” učiteljevu teoriju koju je dijelila većina fizičara s početka prošlog stoljeća. Prema radu jednog mladog Hindusa, smrt zvijezde ovisi o njezinoj početnoj masi. Na primjer, samo one zvijezde čija masa ne prelazi 1,44 mase Sunca mogu postati bijeli patuljci. Taj se broj naziva Chandrasekharova granica. Ako je masa zvijezde premašila ovu granicu, tada ona umire na potpuno drugačiji način. Pod određenim uvjetima, takva se zvijezda u trenutku smrti može ponovno roditi u novu, neutronsku zvijezdu - još jednu misteriju modernog Svemira. Teorija relativnosti nam, pak, govori još jednu opciju - kompresiju zvijezde na ultramale vrijednosti, i tu počinje ono najzanimljivije.

Godine 1932. u jednom od znanstvenih časopisa pojavio se članak u kojem je briljantni fizičar iz SSSR-a Lev Landau sugerirao da se tijekom kolapsa supermasivna zvijezda sabija u točku s infinitezimalnim radijusom i beskonačnom masom. Unatoč činjenici da je takav događaj vrlo teško zamisliti sa stajališta nepripremljene osobe, Landau nije bio daleko od istine. Fizičar je također sugerirao da bi, prema teoriji relativnosti, gravitacija u takvoj točki bila toliko velika da bi počela iskrivljavati prostor-vrijeme.

Astrofizičarima se svidjela Landauova teorija i nastavili su je razvijati. Godine 1939. u Americi, zahvaljujući naporima dvojice fizičara - Roberta Oppenheimera i Hartlanda Sneijdera - pojavila se teorija koja detaljno opisuje supermasivnu zvijezdu u trenutku kolapsa. Kao rezultat takvog događaja trebala bi se pojaviti prava crna rupa. Unatoč uvjerljivosti argumenata, znanstvenici su i dalje poricali mogućnost postojanja takvih tijela, kao i transformacije zvijezda u njih. Čak se i Einstein ogradio od te ideje, smatrajući da zvijezda nije sposobna za takve fenomenalne transformacije. Drugi fizičari nisu bili škrti u svojim izjavama, nazivajući mogućnost takvih događaja smiješnom.
No, znanost uvijek dođe do istine, samo treba malo pričekati. Tako se i dogodilo.

Najsvjetliji objekti u svemiru

Naš svijet je skup paradoksa. Ponekad u njoj koegzistiraju stvari čiji se suživot kosi s bilo kakvom logikom. Na primjer, pojam "crna rupa" u normalnoj osobi ne bi bio povezan s izrazom "nevjerojatno svijetla", ali otkriće ranih 60-ih godina prošlog stoljeća omogućilo je znanstvenicima da ovu izjavu smatraju netočnom.

Astrofizičari su uz pomoć teleskopa uspjeli otkriti do sada nepoznate objekte na zvjezdanom nebu koji su se ponašali prilično čudno unatoč tome što su izgledali kao obične zvijezde. Proučavajući ova neobična svjetiljka, američki znanstvenik Martin Schmidt skrenuo je pozornost na njihovu spektrografiju, čiji su podaci pokazali rezultate drugačije od skeniranja drugih zvijezda. Jednostavno, ove zvijezde nisu bile poput ostalih na koje smo navikli.

Odjednom je Schmidtu sinulo i skrenuo je pozornost na pomak spektra u crvenom području. Pokazalo se da su ti objekti mnogo dalje od nas od zvijezda koje smo navikli vidjeti na nebu. Na primjer, objekt koji je promatrao Schmidt nalazio se dvije i pol milijarde svjetlosnih godina od našeg planeta, ali je sjajio jednako poput zvijezde udaljene stotinjak svjetlosnih godina. Ispostavilo se da je svjetlost jednog takvog objekta usporediva sa svjetlinom cijele galaksije. Ovo otkriće je bio pravi proboj u astrofizici. Znanstvenik je te objekte nazvao "kvazizvjezdanim" ili jednostavno "kvazarom".

Martin Schmidt nastavio je proučavati nove objekte i otkrio da tako jak sjaj može biti uzrokovan samo jednim razlogom - akrecijom. Akrecija je proces apsorpcije okolne tvari od strane supermasivnog tijela uz pomoć gravitacije. Znanstvenik je došao do zaključka da se u središtu kvazara nalazi ogromna crna rupa, koja nevjerojatnom snagom uvlači u sebe materiju koja je okružuje u svemiru. U procesu apsorpcije materije rupom, čestice se ubrzavaju do enormnih brzina i počinju svijetliti. Neobična svjetleća kupola oko crne rupe naziva se akrecijski disk. Njegova vizualizacija je dobro prikazana u filmu Christophera Nolana "Interstellar", koji je izazvao mnoga pitanja "kako crna rupa može svijetliti?".

Do danas su znanstvenici pronašli tisuće kvazara na zvjezdanom nebu. Ovi čudni, nevjerojatno svijetli objekti nazivaju se svjetionicima svemira. Omogućuju nam da malo bolje zamislimo strukturu kozmosa i približimo se trenutku od kojeg je sve počelo.

Unatoč činjenici da su astrofizičari godinama dobivali neizravne dokaze o postojanju supermasivnih nevidljivih objekata u Svemiru, pojam "crna rupa" nije postojao sve do 1967. godine. Kako bi se izbjegla komplicirana imena, američki fizičar John Archibald Wheeler predložio je da se takvi objekti nazivaju "crnim rupama". Zašto ne? Do neke mjere su crne, jer ih ne možemo vidjeti. Osim toga, privlače sve, u njih možete upasti, baš kao u pravu rupu. A izaći iz takvog mjesta prema modernim zakonima fizike jednostavno je nemoguće. Međutim, Stephen Hawking tvrdi da se, putujući kroz crnu rupu, može doći u drugi svemir, drugi svijet, a to je nada.

Strah od beskonačnosti

Zbog pretjerane tajanstvenosti i romantiziranosti crnih rupa ovi su objekti među ljudima postali prava horor priča. Žuti tisak voli špekulirati o nepismenosti stanovništva, iznoseći nevjerojatne priče o tome kako se prema našoj Zemlji kreće ogromna crna rupa koja će za nekoliko sati progutati Sunčev sustav ili jednostavno emitirati valove otrovnog plina prema našoj planeta.

Posebno je popularna tema uništenja planeta uz pomoć Velikog hadronskog sudarača, koji je izgrađen u Europi 2006. godine na području Europskog vijeća za nuklearna istraživanja (CERN). Val panike počeo je kao nečija glupa šala, ali je rastao poput grudve snijega. Netko je pustio glasinu da bi u akceleratoru čestica sudarača mogla nastati crna rupa koja bi u potpunosti progutala naš planet. Naravno, ogorčeni ljudi počeli su zahtijevati zabranu eksperimenata u LHC-u, bojeći se takvog ishoda. Europskom sudu su počele pristizati tužbe u kojima se tražilo da se sudarač zatvori, a znanstvenici koji su ga stvorili kažnjavaju najstrožim zakonskim mjerama.

Naime, fizičari ne poriču da se pri sudaru čestica u Velikom hadronskom sudaraču mogu pojaviti objekti slični po svojstvima crnim rupama, ali njihova veličina je na razini elementarnih veličina čestica, a takve "rupe" postoje tako kratko vrijeme da ne možemo niti zabilježiti njihovu pojavu.

Jedan od glavnih stručnjaka koji pokušava raspršiti val neznanja pred ljudima je Stephen Hawking - poznati teorijski fizičar, koji se, štoviše, smatra pravim "guruom" po pitanju crnih rupa. Hawking je dokazao da crne rupe ne apsorbiraju uvijek svjetlost koja se pojavljuje u akrecijskim diskovima, te se dio nje raspršuje u svemir. Ovaj fenomen je nazvan Hawkingovo zračenje ili isparavanje crne rupe. Hawking je također utvrdio odnos između veličine crne rupe i brzine njezina "isparavanja" - što je manja, to manje postoji u vremenu. A to znači da svi protivnici Velikog hadronskog sudarača ne trebaju brinuti: crne rupe u njemu neće moći postojati ni milijunti dio sekunde.

Teorija nije dokazana u praksi

Nažalost, tehnologije čovječanstva u ovoj fazi razvoja ne dopuštaju nam da testiramo većinu teorija koje su razvili astrofizičari i drugi znanstvenici. S jedne strane, postojanje crnih rupa prilično je uvjerljivo dokazano na papiru i izvedeno pomoću formula u kojima je sve konvergiralo sa svakom varijablom. S druge strane, u praksi još nismo uspjeli vlastitim očima vidjeti pravu crnu rupu.

Unatoč svim nesuglasicama, fizičari sugeriraju da u središtu svake od galaksija postoji supermasivna crna rupa koja svojom gravitacijom skuplja zvijezde u klastere i tjera vas da putujete svemirom u velikom i prijateljskom društvu. U našoj galaksiji Mliječni put, prema različitim procjenama, nalazi se od 200 do 400 milijardi zvijezda. Sve te zvijezde kruže oko nečega što ima ogromnu masu, oko nečega što ne možemo vidjeti teleskopom. Najvjerojatnije se radi o crnoj rupi. Treba li se bojati? - Ne, barem ne u sljedećih nekoliko milijardi godina, ali možemo snimiti još jedan zanimljiv film o njoj.

Hipotezu o postojanju crnih rupa prvi je iznio engleski astronom J. Michell 1783. godine na temelju korpuskularne teorije svjetlosti i Newtonove teorije gravitacije. U to su vrijeme jednostavno zaboravljeni Huygensova teorija valova i njegov slavni valni princip. Teoriji valova nije pomogla podrška nekih uglednih znanstvenika, posebno poznatog peterburškog akademika M.V. Lomonosov i L. Euler. Logika razmišljanja koja je dovela Michella do koncepta crne rupe vrlo je jednostavna: ako se svjetlost sastoji od čestica-korpuskula luminifernog etera, tada te čestice, kao i druga tijela, moraju iskusiti privlačnost gravitacijskog polja. Posljedično, što je zvijezda (ili planet) masivnija, veća je privlačnost s njezine strane prema korpuskulama i svjetlosti je teže napustiti površinu takvog tijela.

Daljnja logika sugerira da takve masivne zvijezde mogu postojati u prirodi, čiju privlačnost korpuskule više ne mogu nadvladati, te će vanjskom promatraču uvijek izgledati crne, iako same mogu sjajiti blistavim sjajem, poput Sunca. Fizički to znači da druga kozmička brzina na površini takve zvijezde ne smije biti manja od brzine svjetlosti. Michellovi proračuni pokazuju da svjetlost nikada neće napustiti zvijezdu ako je njezin radijus pri prosječnoj gustoći Sunca 500 solarnih. Takvu zvijezdu već možemo nazvati crnom rupom.

Nakon 13 godina, francuski matematičar i astronom P.S. Laplace je, najvjerojatnije, neovisno o Michellu, izrazio sličnu hipotezu o postojanju takvih egzotičnih predmeta. Koristeći glomaznu metodu izračuna, Laplace je pronašao polumjer kugle za danu gustoću, na čijoj je površini parabolična brzina jednaka brzini svjetlosti. Prema Laplaceu, korpuskule svjetlosti, kao gravitirajuće čestice, trebale bi odgoditi masivne zvijezde koje emitiraju svjetlost, a imaju gustoću jednaku Zemljinoj, a radijus 250 puta veći od Sunčevog.

Ova Laplaceova teorija bila je uključena samo u prva dva životna izdanja njegove poznate knjige "Izlaganje sustava svijeta", objavljene 1796. i 1799. godine. Da, možda se čak i austrijski astronom F. K. von Zach zainteresirao za Laplaceovu teoriju, objavivši je 1798. godine pod naslovom "Dokaz teorema da sila privlačenja teškog tijela može biti tolika da svjetlost ne može istjecati iz njega."

U ovom trenutku, povijest proučavanja crnih rupa prestala je više od 100 godina. Čini se da je sam Laplace tiho napustio tako ekstravagantnu hipotezu, budući da ju je isključio iz svih ostalih doživotnih izdanja svoje knjige, koja su se pojavila 1808., 1813. i 1824. godine. Možda Laplace nije želio replicirati gotovo fantastičnu hipotezu o kolosalnim zvijezdama koje više ne emitiraju svjetlost. Možda su ga zaustavili novi astronomski podaci o nepromjenjivosti veličine aberacije svjetlosti u različitim zvijezdama, koji su bili u suprotnosti s nekim zaključcima njegove teorije, na temelju kojih je temeljio svoje proračune. Ali najvjerojatniji razlog zašto su svi zaboravili na misteriozne hipotetske objekte Michell-Laplacea je trijumf valne teorije svjetlosti, čija je trijumfalna povorka započela u prvim godinama 19. stoljeća.

Početak ovog trijumfa položilo je Bookerovo predavanje engleskog fizičara T. Junga "Teorija svjetla i boje", objavljeno 1801., gdje Jung hrabro, nasuprot Newtonu i drugim poznatim pristašama korpuskularne teorije (uključujući Laplacea) , iznio je bit valne teorije svjetlosti, rekavši da se emitirana svjetlost sastoji od valnih kretanja svjetlećeg etera. Inspiriran otkrićem polarizacije svjetlosti, Laplace je počeo "spašavati" korpuskule konstruirajući teoriju dvostrukog loma svjetlosti u kristalima koja se temelji na dvostrukom djelovanju kristalnih molekula na svjetlosne korpuskule. Ali kasniji radovi fizičara O.Zh. Fresnel, F.D. Aragon, J. Fraunhofer i drugi nisu ostavili kamen na kamenu od korpuskularne teorije, koje su se ozbiljnije sjetili tek stoljeće kasnije, nakon otkrića kvanta. Sva razmišljanja o crnim rupama u okviru valne teorije svjetlosti u to su vrijeme izgledala smiješno.

Crnih se rupa nisu odmah sjetili nakon "rehabilitacije" korpuskularne teorije svjetlosti, kada se o njoj počelo govoriti na novoj kvalitativnoj razini zahvaljujući hipotezi o kvantima (1900.) i fotonima (1905.). Crne rupe su po drugi put ponovno otkrivene tek nakon stvaranja opće teorije relativnosti 1916. godine, kada je njemački teorijski fizičar i astronom K. Schwarzschild, nekoliko mjeseci nakon objave Einsteinovih jednadžbi, pomoću njih istražio strukturu zakrivljenog prostor-vremena. u blizini Sunca. Kao rezultat toga, ponovno je otkrio fenomen crnih rupa, ali na dubljoj razini.

Konačno teoretsko otkriće crnih rupa dogodilo se 1939. godine, kada su Oppenheimer i Snyder izveli prvo eksplicitno rješenje Einsteinovih jednadžbi u opisivanju nastanka crne rupe iz oblaka prašine koji kolabira. Sam pojam "crna rupa" prvi je u znanost uveo američki fizičar J. Wheeler 1968. godine, u godinama brzog oživljavanja interesa za opću relativnost, kozmologiju i astrofiziku, uzrokovanog dostignućima izvanatmosferskih (osobito , x-ray) astronomija, otkriće kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, pulsara i kvazara.

Znanstveno razmišljanje ponekad konstruira objekte s tako paradoksalnim svojstvima da ih čak i najpronicljiviji znanstvenici isprva odbijaju prepoznati. Najočitiji primjer u povijesti moderne fizike je dugogodišnji nedostatak interesa za crne rupe, ekstremna stanja gravitacijskog polja predviđena prije gotovo 90 godina. Dugo su ih smatrali čisto teoretskom apstrakcijom, a tek su 1960-ih i 70-ih godina povjerovali u njihovu stvarnost. Međutim, osnovna jednadžba teorije crnih rupa izvedena je prije više od dvjesto godina.

Uvid Johna Michella

Ime Johna Michella, fizičara, astronoma i geologa, profesora na Sveučilištu u Cambridgeu i pastora Engleske crkve, potpuno se nezasluženo izgubilo među zvijezdama engleske znanosti 18. stoljeća. Michell je postavio temelje seizmologije, znanosti o potresima, izvršio je izvrsnu studiju magnetizma, a davno prije Coulomba izumio je torzijsku vagu koju je koristio za gravimetrijska mjerenja. Godine 1783. pokušao je spojiti dvije velike Newtonove kreacije, mehaniku i optiku. Newton je svjetlost smatrao strujom sitnih čestica. Michell je predložio da se svjetlosne tvorevine, poput obične materije, pokoravaju zakonima mehanike. Posljedica ove hipoteze pokazala se vrlo netrivijalnom - nebeska tijela mogu se pretvoriti u zamke za svjetlost.

Kako je Michell razmišljao? Topovsko zrno ispaljeno s površine planeta u potpunosti će nadvladati njegovu gravitaciju samo ako njegova početna brzina premašuje ono što se sada zove druga svemirska brzina i brzina bijega. Ako je gravitacija planeta toliko jaka da brzina bijega premašuje brzinu svjetlosti, svjetlosne čestice ispaljene u zenitu ne mogu pobjeći u beskonačnost. Isto će se dogoditi s reflektiranom svjetlošću. Stoga će za vrlo udaljenog promatrača planet biti nevidljiv. Michell je izračunao kritičnu vrijednost polumjera takvog planeta, Rcr, ovisno o njegovoj masi, M, reduciranoj na masu našeg Sunca, Ms: Rcr = 3 km x M/Ms.

John Michell vjerovao je u njegove formule i pretpostavio da dubine svemira kriju mnoge zvijezde koje se sa Zemlje ne mogu vidjeti nikakvim teleskopom. Kasnije je veliki francuski matematičar, astronom i fizičar Pierre Simon Laplace došao do istog zaključka i uključio ga u prvo (1796.) i drugo (1799.) izdanje svog Izlaganja o sustavu svijeta. Ali treće izdanje objavljeno je 1808., kada je većina fizičara već smatrala svjetlost vibracijama etera. Postojanje "nevidljivih" zvijezda proturječilo je valnoj teoriji svjetlosti, a Laplace je smatrao da je najbolje jednostavno ih ne spominjati. U kasnijim vremenima ova se ideja smatrala kuriozitetom, vrijednim izlaganja samo u djelima o povijesti fizike.

Schwarzschildov model

U studenom 1915. Albert Einstein objavio je teoriju gravitacije koju je nazvao Opća teorija relativnosti (GR). Ovo je djelo odmah pronašlo zahvalnog čitatelja u osobi njegovog kolege s Berlinske akademije znanosti Karla Schwarzschilda. Upravo je Schwarzschild prvi u svijetu primijenio opću relativnost za rješavanje specifičnog astrofizičkog problema, za izračunavanje metrike prostor-vrijeme izvan i unutar nerotirajućeg sferičnog tijela (konkretnosti radi nazvat ćemo ga zvijezdom).

Iz Schwarzschildovih proračuna proizlazi da gravitacija zvijezde ne iskrivljuje jako Newtonovu strukturu prostora i vremena samo ako je njezin polumjer puno veći od same vrijednosti koju je izračunao John Michell! Taj se parametar prvo nazivao Schwarzschildov radijus, a sada se naziva gravitacijski radijus. Prema općoj teoriji relativnosti, gravitacija ne utječe na brzinu svjetlosti, ali smanjuje frekvenciju svjetlosnih vibracija u istom omjeru u kojem usporava vrijeme. Ako je polumjer zvijezde 4 puta veći od gravitacijskog polumjera, tada se protok vremena na njezinoj površini usporava za 15%, a prostor dobiva primjetnu zakrivljenost. S dvostrukim viškom više se savija, a vrijeme mu usporava hod za 41%. Kada se dosegne gravitacijski radijus, vrijeme na površini zvijezde potpuno se zaustavlja (sve frekvencije se poništavaju, radijacija se zamrzava, a zvijezda se gasi), ali je zakrivljenost prostora tamo i dalje konačna. Daleko od sunca, geometrija i dalje ostaje euklidska, a vrijeme ne mijenja svoju brzinu.

Unatoč činjenici da su vrijednosti gravitacijskog radijusa za Michella i Schwarzschilda iste, sami modeli nemaju ništa zajedničko. Za Michella se prostor i vrijeme ne mijenjaju, ali svjetlost usporava. Zvijezda čije su dimenzije manje od gravitacijskog radijusa nastavlja svijetliti, ali je vidljiva samo ne tako dalekom promatraču. Za Schwarzschilda je brzina svjetlosti apsolutna, ali struktura prostora i vremena ovisi o gravitaciji. Zvijezda koja je pala pod gravitacijski radijus nestaje za svakog promatrača, ma gdje se on nalazio (točnije, može se detektirati gravitacijskim djelovanjem, ali nikako zračenjem).

Od nevjerice do tvrdnje

Schwarzschild i njegovi suvremenici vjerovali su da takvi čudni kozmički objekti ne postoje u prirodi. Sam Einstein ne samo da se držao ovog gledišta, već je i pogrešno vjerovao da je svoje mišljenje uspio matematički potkrijepiti.

Tridesetih godina prošlog stoljeća mladi indijski astrofizičar Chandrasekhar dokazao je da zvijezda koja je potrošila svoje nuklearno gorivo odbacuje svoj omotač i pretvara se u bijelog patuljka koji se polako hladi samo ako joj je masa manja od 1,4 mase Sunca. Ubrzo je Amerikanac Fritz Zwicky pogodio da ekstremno gusta tijela neutronske materije nastaju u eksplozijama supernove; Kasnije je Lev Landau došao do istog zaključka. Nakon rada Chandrasekhara, bilo je očito da samo zvijezde s masom većom od 1,4 mase Sunca mogu doživjeti takvu evoluciju. Stoga se postavilo prirodno pitanje - postoji li gornja granica mase za supernove koje neutronske zvijezde ostavljaju za sobom?

Krajem 1930-ih, budući otac američke atomske bombe, Robert Oppenheimer, ustanovio je da takva granica doista postoji i da ne prelazi nekoliko solarnih masa. Tada nije bilo moguće dati precizniju ocjenu; sada je poznato da mase neutronskih zvijezda moraju biti u rasponu od 1,5-3 M s . Ali čak i iz približnih izračuna Oppenheimera i njegovog diplomskog studenta Georgea Volkova, slijedilo je da najmasovniji potomci supernova ne postaju neutronske zvijezde, već prelaze u neko drugo stanje. Godine 1939. Oppenheimer i Hartland Snyder dokazali su u idealiziranom modelu da se masivna zvijezda u kolapsu skuplja na svoj gravitacijski polumjer. Iz njihovih formula, naime, proizlazi da zvijezda tu ne staje, no suautori su se suzdržali od tako radikalnog zaključka.

Konačni odgovor pronađen je u drugoj polovici 20. stoljeća naporima plejade briljantnih teorijskih fizičara, uključujući i sovjetske. Pokazalo se da takav kolaps stalno komprimira zvijezdu "do kraja", potpuno uništavajući njenu supstancu. Kao rezultat toga nastaje singularitet, "superkoncentrat" ​​gravitacijskog polja, zatvoren u beskonačno malom volumenu. Za fiksnu rupu, to je točka, za rotirajuću rupu, to je prsten. Zakrivljenost prostor-vremena i, posljedično, sila gravitacije u blizini singulariteta teže beskonačnosti. Krajem 1967. američki fizičar John Archibald Wheeler prvi je takav konačni kolaps zvijezda nazvao crnom rupom. Novi termin zavolio je fizičare i oduševio novinare koji su ga proširili svijetom (iako se Francuzima isprva nije svidio jer je izraz trou noir sugerirao dvojbene asocijacije).

Tamo, iza horizonta

Crna rupa nije ni materija ni zračenje. Uz malo figurativnosti, možemo reći da se radi o samoodrživom gravitacijskom polju, koncentriranom u visoko zakrivljenom području prostor-vremena. Njegovu vanjsku granicu definira zatvorena površina, horizont događaja. Ako zvijezda nije rotirala prije kolapsa, ispostavlja se da je ova površina pravilna kugla, čiji se radijus podudara sa Schwarzschildovim radijusom.

Fizičko značenje horizonta vrlo je jasno. Svjetlosni signal poslan iz vanjskog susjedstva može preći beskonačnu udaljenost. Ali signali poslani iz unutarnje regije ne samo da neće prijeći horizont, već će neizbježno "pasti" u singularnost. Horizont je prostorna granica između događaja koji mogu postati poznati zemaljskim (i bilo kojim drugim) astronomima i događaja o kojima informacije neće izaći ni pod kojim okolnostima.

Kako bi "prema Schwarzschildu", daleko od horizonta, privlačnost rupe obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti, stoga se za dalekog promatrača očituje kao obično teško tijelo. Osim mase, rupa nasljeđuje moment tromosti kolabirane zvijezde i njen električni naboj. I sve druge karakteristike zvijezde prethodnice (struktura, sastav, spektralni tip itd.) odlaze u zaborav.

Pošaljimo sondu u rupu s radio stanicom koja šalje signal jednom u sekundi prema vremenu na brodu. Za udaljenog promatrača, kako se sonda približava horizontu, vremenski intervali između signala će se povećavati - u principu, neograničeno. Čim brod prijeđe nevidljivi horizont, za "nadrupni" svijet bit će potpuno tih. Međutim, ovaj nestanak neće biti bez traga, jer će sonda rupi dati njenu masu, naboj i okretni moment.

zračenje crne rupe

Svi dosadašnji modeli izgrađeni su isključivo na temelju opće relativnosti. Međutim, našim svijetom upravljaju zakoni kvantne mehanike, koji ne zanemaruju crne rupe. Ovi zakoni nam ne dopuštaju da središnju singularnost smatramo matematičkom točkom. U kvantnom kontekstu, njegov promjer je dan Planck-Wheelerovom duljinom, približno jednakom 10 -33 centimetra. U ovoj regiji običan prostor prestaje postojati. Opće je prihvaćeno da je središte rupe napunjeno raznim topološkim strukturama koje se pojavljuju i umiru u skladu s kvantno probabilističkim zakonima. Svojstva takvog pjenušavog kvaziprostora, koji je Wheeler nazvao kvantnom pjenom, još uvijek su slabo shvaćena.

Prisutnost kvantne singularnosti izravno je povezana sa sudbinom materijalnih tijela koja padaju duboko u crnu rupu. Kada se približi središtu rupe, bilo koji predmet izrađen od trenutno poznatih materijala bit će zgnječen i rastrgan plimnim silama. No, čak i ako budući inženjeri i tehnolozi stvore neke superčvrste legure i kompozite s danas neviđenim svojstvima, svi su oni još uvijek osuđeni na nestanak: na kraju krajeva, u zoni singularnosti nema ni uobičajenog vremena ni uobičajenog prostora.

Sada pogledajmo horizont rupe kroz kvantno mehaničku leću. Prazan prostor – fizički vakuum – zapravo nipošto nije prazan. Zbog kvantnih fluktuacija raznih polja u vakuumu, mnoge se virtualne čestice kontinuirano rađaju i umiru. Budući da je gravitacija u blizini horizonta vrlo jaka, njezine fluktuacije stvaraju iznimno jake gravitacijske udare. Kada se ubrzavaju u takvim poljima, novorođeni "virtuali" dobivaju dodatnu energiju i ponekad postaju normalne dugovječne čestice.

Virtualne čestice uvijek se rađaju u parovima koji se kreću u suprotnim smjerovima (to zahtijeva zakon očuvanja količine gibanja). Ako gravitacijska fluktuacija izvuče par čestica iz vakuuma, može se dogoditi da se jedna od njih materijalizira izvan horizonta, a druga (antičestica prve) unutar. "Unutarnja" čestica će pasti u rupu, ali "vanjska" čestica može pobjeći pod povoljnim uvjetima. Kao rezultat toga, rupa se pretvara u izvor zračenja i stoga gubi energiju, a time i masu. Stoga su crne rupe fundamentalno nestabilne.

Taj se fenomen naziva Hawkingov efekt, prema izvanrednom engleskom teoretskom fizičaru koji ga je otkrio sredinom 1970-ih. Stephen Hawking je posebno dokazao da horizont crne rupe emitira fotone na potpuno isti način kao apsolutno crno tijelo zagrijano na temperaturu T = 0,5 x 10 -7 x M s /M. Iz toga slijedi da kako rupa postaje tanja, njezina temperatura raste, a "isparavanje", naravno, raste. Ovaj proces je izuzetno spor, a životni vijek rupe mase M je oko 10 65 x (M/M s) 3 godine. Kada njezina veličina postane jednaka Planck-Wheelerovoj duljini, rupa gubi stabilnost i eksplodira, oslobađajući istu energiju kao istovremena eksplozija milijun hidrogenskih bombi od deset megatona. Zanimljivo je da je masa rupe u trenutku njenog nestanka još uvijek prilično velika, 22 mikrograma. Prema nekim modelima, rupa ne nestaje bez traga, već za sobom ostavlja stabilan relikt iste mase, takozvani maksimon.

Maksimon je rođen prije 40 godina - kao pojam i kao fizička ideja. Godine 1965. akademik M. A. Markov je sugerirao da postoji gornja granica mase elementarnih čestica. Predložio je da se ta granična vrijednost smatra dimenzijom mase, koja se može kombinirati iz tri temeljne fizičke konstante - Planckove konstante h, brzine svjetlosti C i gravitacijske konstante G (za ljubitelje detalja: da biste to učinili, trebate pomnožite h i C, rezultat podijelite s G i izvucite kvadratni korijen). To su ista 22 mikrograma koja se spominju u članku, ta se vrijednost naziva Planckova masa. Iz istih konstanti moguće je konstruirati vrijednost s dimenzijom duljine (ispada Planck-Wheelerova duljina, 10 -33 cm) i s dimenzijom vremena (10 -43 sec).
Markov je otišao dalje u svom obrazloženju. Prema njegovoj hipotezi, isparavanje crne rupe dovodi do stvaranja "suhog ostatka" - maksimona. Markov je takve strukture nazvao elementarnim crnim rupama. U kojoj mjeri ova teorija odgovara stvarnosti, još je otvoreno pitanje. U svakom slučaju, analozi Markovljevih maksimona oživljeni su u nekim modelima crnih rupa na temelju teorije superstruna.

Dubine prostora

Crne rupe nisu zabranjene zakonima fizike, ali postoje li one u prirodi? Apsolutno strogi dokazi o prisutnosti u svemiru barem jednog takvog objekta još nisu pronađeni. Međutim, vrlo je vjerojatno da su u nekim binarnim sustavima izvori X-zraka crne rupe zvjezdanog porijekla. Ovo zračenje trebalo bi nastati kao rezultat usisavanja atmosfere obične zvijezde gravitacijskim poljem susjedne rupe. Plin se tijekom kretanja prema horizontu događaja jako zagrijava i emitira kvante X-zraka. Najmanje dva tuceta izvora X-zraka sada se smatraju prikladnim kandidatima za ulogu crnih rupa. Štoviše, zvjezdane statistike pokazuju da samo u našoj Galaksiji postoji oko deset milijuna rupa zvjezdanog podrijetla.

Crne rupe mogu nastati i u procesu gravitacijske kondenzacije materije u galaktičkim jezgrama. Tako nastaju gigantske rupe s masom od milijune i milijarde solarnih masa, koje se, po svoj prilici, nalaze u mnogim galaksijama. Navodno, u središtu Mliječnog puta, prekrivenog oblacima prašine, nalazi se rupa mase 3-4 milijuna solarnih masa.

Stephen Hawking je došao do zaključka da crne rupe proizvoljne mase mogu nastati odmah nakon Velikog praska, koji je iznjedrio naš Svemir. Primarne rupe teške i do milijardu tona već su isparile, ali one teže još se mogu skrivati ​​u dubinama svemira i s vremenom prirediti kozmički vatromet u obliku snažnih bljeskova gama zračenja. Međutim, takve eksplozije dosad nisu primijećene.

tvornica crnih rupa

Je li moguće ubrzati čestice u akceleratoru do tako visoke energije da bi njihov sraz doveo do nastanka crne rupe? Na prvi pogled ova ideja je jednostavno luda – eksplozija rupe uništit će sav život na Zemlji. Štoviše, to je tehnički neizvedivo. Ako je minimalna masa rupe doista 22 mikrograma, tada je u energetskim jedinicama to 10 28 elektron volti. Taj je prag 15 redova veličine veći od kapaciteta najjačeg akceleratora na svijetu, Large Hadron Collider (LHC), koji će biti lansiran u CERN-u 2007. godine.

Međutim, moguće je da je standardna procjena minimalne mase rupe znatno precijenjena. U svakom slučaju, to kažu fizičari koji razvijaju teoriju superstruna, što uključuje i kvantnu teoriju gravitacije (iako daleko od potpune). Prema toj teoriji, prostor ima ne manje od tri dimenzije, već najmanje devet. Ne primjećujemo dodatne dimenzije, jer su upetljane u tako malom mjerilu da ih naši instrumenti ne percipiraju. Međutim, gravitacija je sveprisutna, prodire u skrivene dimenzije. U tri dimenzije sila gravitacije je obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti, au devet dimenzija to je osma potencija. Stoga u višedimenzionalnom svijetu intenzitet gravitacijskog polja raste mnogo brže sa smanjenjem udaljenosti nego u trodimenzionalnom. U tom se slučaju Planckova duljina višestruko povećava, a minimalna masa rupe naglo pada.

Teorija struna predviđa da se u devetodimenzionalnom prostoru može roditi crna rupa mase samo 10 -20 g. Izračunata relativistička masa protona ubrzanih u zernovom superakceleratoru približno je ista. Prema najoptimističnijem scenariju, on će svake sekunde moći proizvesti jednu rupu koja će živjeti oko 10 -26 sekundi. U procesu njegovog isparavanja rađat će se sve vrste elementarnih čestica koje će se lako registrirati. Nestanak rupe dovest će do oslobađanja energije, koja nije dovoljna ni za zagrijavanje jednog mikrograma vode na tisućinki stupnja. Stoga postoji nada da će se LHC pretvoriti u tvornicu bezopasnih crnih rupa. Ako su ovi modeli točni, nova generacija orbitalnih detektora kozmičkih zraka također će moći otkriti takve rupe.

Sve navedeno vrijedi za stacionarne crne rupe. U međuvremenu, postoje rotirajuće rupe koje imaju hrpu zanimljivih svojstava. Rezultati teorijske analize zračenja crne rupe također su doveli do ozbiljnog promišljanja pojma entropije, koji također zaslužuje posebnu raspravu. Više o tome u sljedećem broju.

Zbog relativno nedavnog porasta interesa za snimanje znanstveno-popularnih filmova o istraživanju svemira, moderni je gledatelj mnogo čuo o takvim fenomenima kao što je singularnost ili crna rupa. Međutim, filmovi očito ne otkrivaju punu prirodu ovih fenomena, a ponekad čak iskrivljuju izgrađene znanstvene teorije radi većeg učinka. Iz tog razloga, ideja mnogih suvremenih ljudi o ovim pojavama je ili potpuno površna ili potpuno pogrešna. Jedno od rješenja problema koji se pojavio je ovaj članak u kojem ćemo pokušati razumjeti postojeće rezultate istraživanja i odgovoriti na pitanje – što je crna rupa?

Godine 1784. engleski svećenik i prirodoslovac John Michell prvi je put spomenuo u pismu Kraljevskom društvu hipotetsko masivno tijelo koje ima toliko jaku gravitacijsku privlačnost da bi njegova druga kozmička brzina premašila brzinu svjetlosti. Druga brzina bijega je brzina koja bi relativno malom objektu trebala da prevlada gravitacijsku silu nebeskog tijela i napusti zatvorenu orbitu oko tog tijela. Prema njegovim proračunima, tijelo gustoće Sunca i radijusa od 500 solarnih radijusa imat će na svojoj površini drugu kozmičku brzinu jednaku brzini svjetlosti. U ovom slučaju, čak ni svjetlost neće napustiti površinu takvog tijela, pa će ovo tijelo samo apsorbirati dolaznu svjetlost i ostati nevidljivo promatraču - neka vrsta crne mrlje na pozadini mračnog prostora.

Međutim, koncept supermasivnog tijela koji je predložio Michell nije privukao veliko zanimanje sve do Einsteinovog rada. Podsjetimo, potonji je definirao brzinu svjetlosti kao graničnu brzinu prijenosa informacija. Osim toga, Einstein je proširio teoriju gravitacije za brzine bliske brzini svjetlosti (). Kao rezultat toga, više nije bilo relevantno primjenjivati ​​Newtonovu teoriju na crne rupe.

Einsteinova jednadžba

Kao rezultat primjene opće relativnosti na crne rupe i rješavanja Einsteinovih jednadžbi, otkriveni su glavni parametri crne rupe, kojih ima samo tri: masa, električni naboj i kutni moment. Treba istaknuti značajan doprinos indijskog astrofizičara Subramanyana Chandrasekhara, koji je stvorio temeljnu monografiju: "Matematička teorija crnih rupa".

Dakle, rješenje Einsteinovih jednadžbi predstavljeno je s četiri opcije za četiri moguće vrste crnih rupa:

• Crna rupa bez rotacije i bez naboja - Schwarzschildovo rješenje. Jedan od prvih opisa crne rupe (1916.) korištenjem Einsteinovih jednadžbi, ali bez uzimanja u obzir dva od tri parametra tijela. Rješenje njemačkog fizičara Karla Schwarzschilda omogućuje vam izračunavanje vanjskog gravitacijskog polja sfernog masivnog tijela. Značajka koncepta crnih rupa njemačkog znanstvenika je prisutnost horizonta događaja i onoga iza njega. Schwarzschild je prvi izračunao i gravitacijski radijus, koji je dobio njegovo ime, a koji određuje polumjer sfere na kojoj bi se nalazio horizont događaja za tijelo zadane mase.
• Crna rupa bez rotacije s nabojem - Reisner-Nordströmovo rješenje. Rješenje izneseno 1916.-1918., uzimajući u obzir mogući električni naboj crne rupe. Ovaj naboj ne može biti proizvoljno velik i ograničen je zbog rezultirajućeg električnog odbijanja. Potonje se mora kompenzirati gravitacijskim privlačenjem.
• Crna rupa s rotacijom i bez naboja - Kerrovo rješenje (1963). Rotirajuća Kerrova crna rupa razlikuje se od statične po prisutnosti takozvane ergosfere (o ovoj i drugim komponentama crne rupe pročitajte dalje).
• BH s rotacijom i nabojem - Kerr-Newmanovo rješenje. Ovo rješenje je izračunato 1965. godine i trenutno je najpotpunije, jer uzima u obzir sva tri bh. parametra. Ipak, još uvijek se pretpostavlja da crne rupe u prirodi imaju beznačajan naboj.

Nastanak crne rupe

Postoji nekoliko teorija o nastanku i pojavi crne rupe, od kojih je najpoznatija pojava zvijezde dovoljne mase kao posljedica gravitacijskog kolapsa. Takva kompresija može prekinuti evoluciju zvijezda s masom većom od tri Sunčeve mase. Po završetku termonuklearnih reakcija unutar takvih zvijezda, one se počinju brzo skupljati u supergustu. Ako tlak plina neutronske zvijezde ne može kompenzirati gravitacijske sile, odnosno masa zvijezde svladava tzv. Oppenheimer-Volkova granica, zatim se kolaps nastavlja, uslijed čega se materija sabija u crnu rupu.

Drugi scenarij koji opisuje rađanje crne rupe je kompresija protogalaktičkog plina, odnosno međuzvjezdanog plina koji je u fazi transformacije u galaksiju ili neku vrstu klastera. U slučaju nedovoljnog unutarnjeg tlaka za kompenzaciju istih gravitacijskih sila, može nastati crna rupa.

Druga dva scenarija ostaju hipotetska:

• Pojava crne rupe kao posljedica - tzv. primordijalne crne rupe.
• Pojava kao rezultat nuklearnih reakcija pri visokim energijama. Primjer takvih reakcija su pokusi na sudaračima.

Struktura i fizika crnih rupa

Struktura crne rupe prema Schwarzschildu uključuje samo dva ranije spomenuta elementa: singularitet i horizont događaja crne rupe. Ukratko govoreći o singularnosti, može se primijetiti da je kroz nju nemoguće povući ravnu crtu, kao i da većina postojećih fizikalnih teorija ne funkcionira unutar nje. Stoga fizika singulariteta ostaje misterij za današnje znanstvenike. crna rupa - ovo je neka vrsta granice, prekoračivši koju, fizički objekt gubi sposobnost da se vrati natrag izvan nje i nedvosmisleno "padne" u singularnost crne rupe.

Struktura crne rupe postaje nešto kompliciranija u slučaju Kerrovog rješenja, naime, u prisustvu BH rotacije. Kerrovo rješenje implicira da rupa ima ergosferu. Ergosfera - određeno područje koje se nalazi izvan horizonta događaja unutar kojeg se sva tijela kreću u smjeru rotacije crne rupe. Ovo područje još nije uzbudljivo i moguće ga je napustiti, za razliku od horizonta događaja. Ergosfera je vjerojatno neka vrsta analoga akrecijskog diska, koji predstavlja rotirajuću tvar oko masivnih tijela. Ako je statična Schwarzschildova crna rupa predstavljena kao crna kugla, onda Kerryjeva crna rupa, zbog prisutnosti ergosfere, ima oblik spljoštenog elipsoida, u čijem smo obliku često viđali crne rupe na crtežima, u starim filmova ili video igrica.

• Koliko crna rupa teži? - Najviše teorijskog materijala o pojavi crne rupe dostupno je za scenarij njezine pojave kao posljedice kolapsa zvijezde. U ovom slučaju maksimalna masa neutronske zvijezde i minimalna masa crne rupe određene su Oppenheimer-Volkovom granicom, prema kojoj je donja granica BH mase 2,5 - 3 Sunčeve mase. Najteža ikad otkrivena crna rupa (u galaksiji NGC 4889) ima masu od 21 milijarde solarnih masa. No, ne treba zaboraviti na crne rupe, hipotetski kao rezultat nuklearnih reakcija na visokim energijama, poput onih u sudaračima. Masa takvih kvantnih crnih rupa, drugim riječima “Planckovih crnih rupa”, je reda veličine , odnosno 2 10 −5 g.
• Veličina crne rupe. Minimalni radijus BH može se izračunati iz minimalne mase (2,5 - 3 Sunčeve mase). Ako je gravitacijski radijus Sunca, odnosno područje gdje bi bio horizont događaja, oko 2,95 km, tada će minimalni radijus BH od 3 Sunčeve mase biti oko devet kilometara. Takve relativno male veličine ne staju u glavu kada su u pitanju masivni objekti koji privlače sve oko sebe. Međutim, za kvantne crne rupe radijus je -10 −35 m.
• Prosječna gustoća crne rupe ovisi o dva parametra: masi i radijusu. Gustoća crne rupe mase oko tri Sunčeve mase je oko 6 10 26 kg/m³, dok je gustoća vode 1000 kg/m³. Međutim, tako male crne rupe znanstvenici nisu pronašli. Većina otkrivenih BH ima masu veću od 105 solarnih masa. Postoji zanimljiv obrazac prema kojem što je crna rupa masivnija, to je njena gustoća manja. U ovom slučaju, promjena mase za 11 reda veličine povlači za sobom promjenu gustoće za 22 reda veličine. Tako crna rupa mase 1 ·10 9 Sunčeve mase ima gustoću 18,5 kg/m³, što je za jedan manje od gustoće zlata. I crne rupe s masom većom od 10 10 solarnih masa mogu imati prosječnu gustoću manju od gustoće zraka. Na temelju ovih proračuna logično je pretpostaviti da do nastanka crne rupe ne dolazi zbog kompresije materije, već kao rezultat nakupljanja velike količine materije u određenom volumenu. U slučaju kvantnih crnih rupa, njihova gustoća može biti oko 10 94 kg/m³.
• Temperatura crne rupe također je obrnuto proporcionalna njenoj masi. Ova temperatura je izravno povezana s. Spektar ovog zračenja poklapa se sa spektrom potpuno crnog tijela, odnosno tijela koje apsorbira svo upadno zračenje. Spektar zračenja crnog tijela ovisi samo o njegovoj temperaturi, tada se temperatura crne rupe može odrediti iz Hawkingovog spektra zračenja. Kao što je gore spomenuto, ovo zračenje je to jače što je crna rupa manja. U isto vrijeme, Hawkingovo zračenje ostaje hipotetsko, budući da ga astronomi još nisu promatrali. Iz ovoga slijedi da ako Hawkingovo zračenje postoji, onda je temperatura promatranih BH toliko niska da ne dopušta detektiranje navedenog zračenja. Prema proračunima, čak je i temperatura rupe s masom reda mase Sunca zanemarivo mala (1 ·10 -7 K ili -272°C). Temperatura kvantnih crnih rupa može doseći oko 10 12 K, a svojim brzim isparavanjem (oko 1,5 min.) takve crne rupe mogu emitirati energiju reda veličine deset milijuna atomskih bombi. No, srećom, stvaranje takvih hipotetskih objekata zahtijevat će energiju 10 14 puta veću od one koja se danas postiže na Velikom hadronskom sudaraču. Osim toga, takve pojave astronomi nikada nisu promatrali.

Od čega se sastoji CHD?

Još jedno pitanje brine i znanstvenike i one koji jednostavno vole astrofiziku - od čega se sastoji crna rupa? Ne postoji jednoznačan odgovor na ovo pitanje, budući da nije moguće pogledati izvan horizonta događaja koji okružuje crnu rupu. Osim toga, kao što je ranije spomenuto, teorijski modeli crne rupe predviđaju samo 3 njene komponente: ergosferu, horizont događaja i singularitet. Logično je pretpostaviti da u ergosferi postoje samo oni objekti koje je crna rupa privukla, a koji sada kruže oko nje - razne vrste svemirskih tijela i svemirski plin. Horizont događaja samo je tanka implicitna granica, jednom iza koje se ista kozmička tijela nepovratno privlače prema posljednjoj glavnoj komponenti crne rupe - singularnosti. Priroda singulariteta danas nije proučavana, a o njegovom sastavu još je rano govoriti.

Prema nekim pretpostavkama, crna rupa se može sastojati od neutrona. Ako slijedimo scenarij nastanka crne rupe kao rezultat kompresije zvijezde u neutronsku zvijezdu s naknadnom kompresijom, tada se vjerojatno glavni dio crne rupe sastoji od neutrona, od kojih je neutronska zvijezda sama se sastoji. Jednostavnim riječima: kada se zvijezda uruši, njezini atomi su komprimirani na takav način da se elektroni spajaju s protonima, tvoreći tako neutrone. Takva se reakcija u prirodi doista događa, nastankom neutrona dolazi do emisije neutrina. Međutim, to su samo nagađanja.

Što se događa ako upadnete u crnu rupu?

Pad u astrofizičku crnu rupu dovodi do rastezanja tijela. Zamislite hipotetskog astronauta samoubojicu koji ide u crnu rupu noseći samo svemirsko odijelo, noge naprijed. Prelazeći horizont događaja, astronaut neće primijetiti nikakve promjene, unatoč činjenici da se više nema mogućnosti vratiti. U nekom trenutku, astronaut će doći do točke (malo iza horizonta događaja) gdje će se početi događati deformacija njegovog tijela. Budući da je gravitacijsko polje crne rupe neuniformno i predstavljeno je gradijentom sile koji raste prema središtu, noge astronauta bit će podvrgnute osjetno većem gravitacijskom učinku nego, primjerice, glava. Tada će zbog gravitacije, odnosno plimnih sila, noge brže "pasti". Tako se tijelo počinje postupno rastezati u duljinu. Kako bi opisali ovaj fenomen, astrofizičari su smislili prilično kreativan termin - špagetifikacija. Daljnjim rastezanjem tijelo će se vjerojatno razložiti na atome koji će, prije ili kasnije, doći do singularnosti. Može se samo nagađati što će se osoba osjećati u ovoj situaciji. Vrijedno je napomenuti da je učinak istezanja tijela obrnuto proporcionalan masi crne rupe. Odnosno, ako BH s masom tri Sunca trenutno rastegne/slomi tijelo, tada će supermasivna crna rupa imati niže plimne sile i postoje sugestije da bi neki fizički materijali mogli "tolerirati" takvu deformaciju bez gubitka svoje strukture.

Kao što znate, u blizini masivnih objekata vrijeme teče sporije, što znači da će vrijeme za astronauta samoubojicu teći mnogo sporije nego za zemljane. U tom slučaju, možda će nadživjeti ne samo svoje prijatelje, već i samu Zemlju. Bit će potrebni izračuni kako bi se odredilo koliko će se vrijeme usporiti za astronauta, međutim, iz gore navedenog, može se pretpostaviti da će astronaut padati u crnu rupu vrlo sporo i možda jednostavno neće doživjeti trenutak kada će njegovo tijelo početi deformirati se.

Važno je napomenuti da će za promatrača izvana sva tijela koja su letjela do horizonta događaja ostati na rubu ovog horizonta sve dok njihova slika ne nestane. Razlog za ovaj fenomen je gravitacijski crveni pomak. Nešto pojednostavljeno, možemo reći da će svjetlost koja pada na tijelo astronauta samoubojice "zamrznutog" na horizontu događaja promijeniti svoju frekvenciju zbog svog usporenog vremena. Kako vrijeme sporije prolazi, frekvencija svjetlosti će se smanjivati, a valna duljina povećavati. Kao rezultat ovog fenomena, na izlazu, odnosno za vanjskog promatrača, svjetlost će se postupno pomaknuti prema niskoj frekvenciji - crvenoj. Dogodit će se pomak svjetlosti duž spektra, kako se astronaut samoubojica bude sve više udaljavao od promatrača, iako gotovo neprimjetno, a njegovo vrijeme teče sve sporije. Dakle, svjetlost koju reflektira njegovo tijelo uskoro će izaći izvan vidljivog spektra (slika će nestati), au budućnosti će se tijelo astronauta moći detektirati samo u infracrvenom području, kasnije u području radio frekvencija, i kao rezultat toga, zračenje će biti potpuno neuhvatljivo.

Unatoč gore napisanom, pretpostavlja se da se u vrlo velikim supermasivnim crnim rupama plimne sile ne mijenjaju toliko s udaljenošću i djeluju gotovo jednoliko na tijelo koje pada. U tom bi slučaju padajuća letjelica zadržala svoju strukturu. Postavlja se razumno pitanje - kamo vodi crna rupa? Na ovo pitanje može odgovoriti rad nekih znanstvenika koji povezuju dva takva fenomena kao što su crvotočine i crne rupe.

Davne 1935. Albert Einstein i Nathan Rosen, uzimajući u obzir, iznijeli su hipotezu o postojanju takozvanih crvotočina, povezujući dvije točke prostor-vremena putem na mjestima značajne zakrivljenosti potonjeg - Einstein-Rosenov most. ili crvotočina. Za tako moćnu zakrivljenost prostora bit će potrebna tijela gigantske mase, s čijom ulogom bi se crne rupe savršeno nosile.

Einstein-Rosenov most se smatra neprobojnom crvotočinom, jer je malen i nestabilan.

Prohodna crvotočina moguća je unutar teorije crnih i bijelih rupa. Gdje je bijela rupa izlaz informacija koje su pale u crnu rupu. Bijela rupa je opisana u okviru opće teorije relativnosti, ali danas ostaje hipotetska i nije otkrivena. Još jedan model crvotočine predložili su američki znanstvenici Kip Thorne i njegov postdiplomac Mike Morris, koji može biti prohodan. No, kao i u slučaju Morris-Thorneove crvotočine, tako i u slučaju crnih i bijelih rupa, mogućnost putovanja zahtijeva postojanje takozvane egzotične materije, koja ima negativnu energiju i također ostaje hipotetska.

Crne rupe u svemiru

Postojanje crnih rupa potvrđeno je relativno nedavno (rujan 2015.), no prije toga je već bilo dosta teorijskog materijala o prirodi crnih rupa, kao i mnogo objekata kandidata za ulogu crne rupe. Prije svega, treba uzeti u obzir dimenzije crne rupe, jer o njima ovisi sama priroda fenomena:

• crna rupa zvjezdane mase. Takvi objekti nastaju kao rezultat kolapsa zvijezde. Kao što je ranije spomenuto, minimalna masa tijela koje može formirati takvu crnu rupu je 2,5 - 3 solarne mase.
• Crne rupe srednje mase. Uvjetna srednja vrsta crnih rupa koje su se povećale zbog apsorpcije obližnjih objekata, poput nakupina plina, susjedne zvijezde (u sustavima od dvije zvijezde) i drugih kozmičkih tijela.
• Supermasivna crna rupa. Kompaktni objekti s 10 5 -10 10 Sunčevih masa. Karakteristična svojstva takvih BH su paradoksalno niska gustoća, kao i slabe plimne sile, o kojima je ranije bilo riječi. To je ova supermasivna crna rupa u središtu naše galaksije Mliječni put (Strijelac A*, Sgr A*), kao i većine drugih galaksija.

Kandidati za CHD

Najbliža crna rupa, odnosno kandidat za ulogu crne rupe, je objekt (V616 Unicorn), koji se nalazi na udaljenosti od 3000 svjetlosnih godina od Sunca (u našoj galaksiji). Sastoji se od dvije komponente: zvijezde s masom polovice Sunčeve mase, kao i nevidljivog malog tijela, čija je masa 3 - 5 Sunčevih masa. Ako se pokaže da je ovaj objekt mala crna rupa zvjezdane mase, onda će to po pravu biti najbliža crna rupa.

Nakon ovog objekta, druga najbliža crna rupa je Cyg X-1 (Cyg X-1), koja je bila prvi kandidat za ulogu crne rupe. Udaljenost do njega je približno 6070 svjetlosnih godina. Prilično dobro proučen: ima masu od 14,8 solarnih masa i radijus horizonta događaja od oko 26 km.

Prema nekim izvorima, još jedan najbliži kandidat za ulogu crne rupe moglo bi biti tijelo u zvjezdanom sustavu V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), koje se prema procjenama iz 1999. godine nalazilo na udaljenosti od 1600 svjetlosnih godina. Međutim, kasnije studije povećale su tu udaljenost za najmanje 15 puta.

Koliko crnih rupa ima u našoj galaksiji?

Ne postoji točan odgovor na ovo pitanje, jer ih je prilično teško promatrati, a tijekom cijelog proučavanja neba znanstvenici su uspjeli otkriti desetak crnih rupa unutar Mliječnog puta. Ne upuštajući se u izračune, napominjemo da u našoj galaksiji postoji oko 100 - 400 milijardi zvijezda, a otprilike svaka tisućita zvijezda ima dovoljno mase da formira crnu rupu. Vjerojatno su milijuni crnih rupa mogli nastati tijekom postojanja Mliječne staze. Budući da je lakše registrirati ogromne crne rupe, logično je pretpostaviti da većina BH u našoj galaksiji nije supermasivna. Važno je napomenuti da istraživanje NASA-e iz 2005. ukazuje na prisutnost čitavog roja crnih rupa (10-20 tisuća) koje kruže oko središta galaksije. Osim toga, 2016. japanski astrofizičari otkrili su masivni satelit u blizini objekta * - crne rupe, jezgre Mliječne staze. Zbog malog radijusa (0,15 svjetlosnih godina) ovog tijela, kao i njegove ogromne mase (100.000 solarnih masa), znanstvenici sugeriraju da je ovaj objekt također supermasivna crna rupa.

Jezgra naše galaksije, crna rupa Mliječne staze (Strijelac A *, Sgr A * ili Strijelac A *) je supermasivna i ima masu od 4,31 10 6 solarnih masa i radijus od 0,00071 svjetlosnih godina (6,25 svjetlosnih sati ili 6,75 milijardi km). Temperatura Strijelca A* zajedno sa klasterom oko njega je oko 1 10 7 K.

Najveća crna rupa

Najveća crna rupa u svemiru koju su znanstvenici uspjeli detektirati je supermasivna crna rupa, FSRQ blazar, u središtu galaksije S5 0014+81, na udaljenosti od 1,2·10 10 svjetlosnih godina od Zemlje. Prema preliminarnim rezultatima promatranja, pomoću svemirskog opservatorija Swift, masa crne rupe bila je 40 milijardi (40 10 9) solarnih masa, a Schwarzschildov radijus takve rupe bio je 118,35 milijardi kilometara (0,013 svjetlosnih godina). Osim toga, prema izračunima, nastao je prije 12,1 milijardi godina (1,6 milijardi godina nakon Velikog praska). Ako ova divovska crna rupa ne apsorbira materiju koja je okružuje, tada će doživjeti eru crnih rupa - jednu od era u razvoju Svemira, tijekom koje će u njemu dominirati crne rupe. Ako jezgra galaksije S5 0014+81 nastavi rasti, tada će postati jedna od posljednjih crnih rupa koje će postojati u svemiru.

Ostale dvije poznate crne rupe, iako neimenovane, od najveće su važnosti za proučavanje crnih rupa jer su eksperimentalno potvrdile svoje postojanje, a dale su i važne rezultate za proučavanje gravitacije. Riječ je o događaju GW150914, koji se naziva sudar dviju crnih rupa u jednu. Ovaj događaj je omogućio registraciju.

Detekcija crnih rupa

Prije razmatranja metoda za otkrivanje crnih rupa, treba odgovoriti na pitanje - zašto je crna rupa crna? - odgovor na njega ne zahtijeva duboko poznavanje astrofizike i kozmologije. Činjenica je da crna rupa apsorbira svo zračenje koje pada na nju i uopće ne zrači, ako ne uzmete u obzir hipotetiku. Ako detaljnije razmotrimo ovaj fenomen, možemo pretpostaviti da unutar crnih rupa nema procesa koji dovode do oslobađanja energije u obliku elektromagnetskog zračenja. Onda ako crna rupa zrači, onda je u Hawkingovom spektru (koji se poklapa sa spektrom zagrijanog, apsolutno crnog tijela). Međutim, kao što je ranije spomenuto, ovo zračenje nije detektirano, što sugerira potpuno nisku temperaturu crnih rupa.

Druga općeprihvaćena teorija kaže da elektromagnetsko zračenje uopće nije u stanju napustiti horizont događaja. Najvjerojatnije je da fotone (svjetlosne čestice) masivni objekti ne privlače jer prema teoriji oni sami nemaju masu. Međutim, crna rupa još uvijek "privlači" fotone svjetlosti kroz distorziju prostor-vremena. Ako crnu rupu u svemiru zamislimo kao svojevrsno udubljenje na glatkoj površini prostor-vremena, tada postoji određena udaljenost od središta crne rupe, približavajući se kojoj se svjetlost više neće moći udaljiti od nje. Odnosno, grubo rečeno, svjetlost počinje "padati" u "jamu", koja čak i nema "dno".

Osim toga, s obzirom na učinak gravitacijskog crvenog pomaka, moguće je da svjetlost u crnoj rupi izgubi svoju frekvenciju, pomičući se duž spektra u područje niskofrekventnog dugovalnog zračenja, sve dok potpuno ne izgubi energiju.

Dakle, crna rupa je crna i stoga ju je teško otkriti u svemiru.

Metode detekcije

Razmotrite metode koje astronomi koriste za otkrivanje crne rupe:

Osim gore navedenih metoda, znanstvenici često povezuju objekte poput crnih rupa i. Kvazari su neke nakupine kozmičkih tijela i plinova, koji su među najsjajnijim astronomskim objektima u Svemiru. Budući da imaju visok intenzitet luminiscencije pri relativno malim veličinama, postoji razlog za vjerovanje da je središte ovih objekata supermasivna crna rupa, koja privlači okolnu materiju k sebi. Zbog tako snažnog gravitacijskog privlačenja privučena materija se toliko zagrije da intenzivno zrači. Detekcija takvih objekata obično se uspoređuje s detekcijom crne rupe. Ponekad kvazari mogu isijavati mlazove zagrijane plazme u dva smjera – relativističke mlazove. Razlozi nastanka ovakvih mlazova (jet) nisu potpuno jasni, no vjerojatno su uzrokovani međudjelovanjem magnetskih polja crne rupe i akrecijskog diska, a ne emitira ih izravna crna rupa.

Mlaz u galaksiji M87 udara iz središta crne rupe

Sumirajući gore navedeno, izbliza se može zamisliti: to je sferični crni objekt, oko kojeg se okreće snažno zagrijana materija, tvoreći svjetleći akrecijski disk.

Spajanje i sudaranje crnih rupa

Jedan od najzanimljivijih fenomena u astrofizici je sudar crnih rupa, koji također omogućuje otkrivanje tako masivnih astronomskih tijela. Takvi procesi nisu od interesa samo za astrofizičare, budući da rezultiraju fenomenima koje fizičari slabo proučavaju. Najjasniji primjer je već spomenuti događaj nazvan GW150914, kada su se dvije crne rupe toliko približile da su se, kao rezultat međusobnog gravitacijskog privlačenja, spojile u jednu. Važna posljedica ovog sudara bila je pojava gravitacijskih valova.

Prema definiciji gravitacijskih valova, to su promjene u gravitacijskom polju koje se valovito šire od masivnih pokretnih objekata. Kada se dva takva objekta približe jedan drugome, počinju se okretati oko zajedničkog težišta. Kako se približavaju jedna drugoj, njihova se rotacija oko vlastite osi povećava. Takve promjenjive oscilacije gravitacijskog polja u nekom trenutku mogu formirati jedan snažan gravitacijski val koji se može širiti svemirom milijunima svjetlosnih godina. Dakle, na udaljenosti od 1,3 milijarde svjetlosnih godina došlo je do sudara dviju crnih rupa koje su formirale snažan gravitacijski val koji je 14. rujna 2015. godine stigao do Zemlje i koji su zabilježili detektori LIGO i VIRGO.

Kako crne rupe umiru?

Očito, da bi crna rupa prestala postojati, morala bi izgubiti svu svoju masu. Međutim, prema njezinoj definiciji, ništa ne može napustiti crnu rupu ako je prešla njezin horizont događaja. Poznato je da je prvi put sovjetski teorijski fizičar Vladimir Gribov spomenuo mogućnost emisije čestica crne rupe u razgovoru s drugim sovjetskim znanstvenikom Jakovom Zeldovičem. Tvrdio je da je sa stajališta kvantne mehanike crna rupa sposobna emitirati čestice kroz efekt tunela. Kasnije je, uz pomoć kvantne mehanike, izgradio vlastitu, nešto drugačiju teoriju, engleski teorijski fizičar Stephen Hawking. Više o ovom fenomenu možete pročitati. Ukratko, postoje takozvane virtualne čestice u vakuumu, koje se neprestano rađaju u parovima i međusobno uništavaju, a da pritom ne djeluju s vanjskim svijetom. Ali ako se takvi parovi pojave na horizontu događaja crne rupe, tada ih jaka gravitacija hipotetski može razdvojiti, pri čemu jedna čestica pada u crnu rupu, a druga odlazi od crne rupe. A budući da se čestica koja je odletjela iz rupe može promatrati, pa stoga ima pozitivnu energiju, čestica koja je upala u rupu mora imati negativnu energiju. Tako će crna rupa izgubiti svoju energiju i doći će do efekta koji se naziva isparavanje crne rupe.

Prema dostupnim modelima crne rupe, kao što je ranije spomenuto, kako se njezina masa smanjuje, njezino zračenje postaje sve intenzivnije. Zatim, u završnoj fazi postojanja crne rupe, kada se može smanjiti na veličinu kvantne crne rupe, oslobodit će ogromnu količinu energije u obliku zračenja, koja može biti ekvivalentna tisućama ili čak milijuna atomskih bombi. Ovaj događaj pomalo podsjeća na eksploziju crne rupe, poput iste bombe. Prema izračunima, primordijalne crne rupe mogle su nastati kao rezultat Velikog praska, a one od njih, čija je masa reda veličine 10 12 kg, trebale su ispariti i eksplodirati oko našeg vremena. Bilo kako bilo, takve eksplozije astronomi nikada nisu vidjeli.

Unatoč mehanizmu koji je Hawking predložio za uništavanje crnih rupa, svojstva Hawkingovog zračenja uzrokuju paradoks u okviru kvantne mehanike. Ako crna rupa apsorbira neko tijelo, a zatim izgubi masu koja je nastala apsorpcijom tog tijela, tada se, bez obzira na prirodu tijela, crna rupa neće razlikovati od onoga što je bila prije apsorpcije tijela. U tom su slučaju informacije o tijelu zauvijek izgubljene. S gledišta teoretskih proračuna, transformacija početnog čistog stanja u rezultirajuće miješano (“toplinsko”) stanje ne odgovara trenutnoj teoriji kvantne mehanike. Taj se paradoks ponekad naziva nestankom informacija u crnoj rupi. Pravo rješenje za ovaj paradoks nikada nije pronađeno. Poznate opcije za rješavanje paradoksa:

• Nedosljednost Hawkingove teorije. To povlači za sobom nemogućnost uništenja crne rupe i njen stalni rast.
• Prisutnost bijelih rupa. U tom slučaju apsorbirana informacija ne nestaje, već se jednostavno baca u drugi Svemir.
• Nedosljednost općeprihvaćene teorije kvantne mehanike.

Neriješen problem fizike crne rupe

Sudeći po svemu što je ranije opisano, crne rupe, iako se relativno dugo proučavaju, još uvijek imaju mnoge karakteristike, čiji mehanizmi još uvijek nisu poznati znanstvenicima.

• Godine 1970. engleski znanstvenik formulirao je tzv. "princip kozmičke cenzure" - "Priroda se gnuša gole singularnosti." To znači da se singularitet formira samo na mjestima skrivenim od pogleda, poput središta crne rupe. Međutim, ovo načelo još nije dokazano. Postoje i teoretski izračuni, prema kojima se može pojaviti "goli" singularitet.
• Nije dokazan ni “teorem bez dlake” prema kojem crne rupe imaju samo tri parametra.
• Potpuna teorija magnetosfere crne rupe nije razvijena.
• Priroda i fizika gravitacijske singularnosti nije proučavana.
• Ne zna se pouzdano što se događa u završnoj fazi postojanja crne rupe, a što ostaje nakon njenog kvantnog raspada.

Zanimljive činjenice o crnim rupama

Sumirajući gore navedeno, možemo istaknuti nekoliko zanimljivih i neobičnih značajki prirode crnih rupa:

• Crne rupe imaju samo tri parametra: masu, električni naboj i kutni moment. Kao rezultat tako malog broja karakteristika ovog tijela, teorem koji to tvrdi naziva se "teorem bez dlake". Odatle je i izreka "crna rupa nema dlake", što znači da su dvije crne rupe potpuno identične, njihova tri navedena parametra su ista.
• Gustoća crnih rupa može biti manja od gustoće zraka, a temperatura je blizu apsolutne nule. Iz ovoga možemo pretpostaviti da do nastanka crne rupe ne dolazi zbog kompresije materije, već kao rezultat nakupljanja velike količine materije u određenom volumenu.
• Vrijeme za tijela apsorbirana od crnih rupa ide mnogo sporije nego za vanjskog promatrača. Osim toga, apsorbirana tijela su značajno rastegnuta unutar crne rupe, što su znanstvenici nazvali spagetiranjem.
• Možda postoji oko milijun crnih rupa u našoj galaksiji.
• U središtu svake galaksije vjerojatno postoji supermasivna crna rupa.
• U budućnosti, prema teoretskom modelu, Svemir će doći do tzv. ere crnih rupa, kada će crne rupe postati dominantna tijela u Svemiru.

Astronomi Sveučilišta Ohio nedavno su objavili da je neobična dvostruka jezgra u galaksiji Andromeda nastala zbog skupine zvijezda koje kruže u eliptičnim orbitama oko nekog masivnog objekta, najvjerojatnije crne rupe. Takvi zaključci doneseni su na temelju podataka dobivenih pomoću svemirskog teleskopa Hubble. Dvostruka jezgra Andromede prvi put je otkrivena 70-ih godina prošlog stoljeća, ali je teorija o crnim rupama iznesena tek sredinom 90-ih.

Ideja da crne rupe postoje u jezgrama galaksija nije nova.

Postoje čak svi razlozi za vjerovanje da Mliječna staza – galaksija kojoj pripada Zemlja – u svojoj jezgri ima veliku crnu rupu čija je masa 3 milijuna puta veća od mase Sunca. Ipak, lakše je istražiti jezgru galaksije Andromeda, koja se nalazi na udaljenosti od 2 milijuna svjetlosnih godina od nas, nego jezgru naše galaksije, do koje svjetlost putuje samo 30 tisuća godina - ne možete vidjeti šumu drveće.

Znanstvenici simuliraju sudare crnih rupa

Primjena numeričke simulacije na superračunalima za razjašnjavanje prirode i ponašanja crnih rupa, proučavanje gravitacijskih valova.

Po prvi put, znanstvenici s Instituta za gravitacijsku fiziku (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik), također poznatog kao "Institut Albert Einstein" i smještenog u Holmu, predgrađu Potsdama (Njemačka), simulirali su spajanje dvije crne rupe. Planirano otkrivanje gravitacijskih valova koje emitiraju dvije crne rupe koje se spajaju zahtijeva potpune 3D simulacije na superračunalima.

Crne rupe su toliko guste da uopće ne reflektiraju niti emitiraju svjetlost, zbog čega ih je tako teško otkriti. Ipak, za nekoliko godina znanstvenici se nadaju značajnom pomaku na ovom području.

Gravitacijski valovi, koji doslovno ispunjavaju svemir, početkom sljedećeg stoljeća mogu se otkriti uz pomoć novih sredstava.

Znanstvenici predvođeni profesorom Edom Seidelom (Dr. Ed Seidel) pripremaju numeričke simulacije za takve studije, koje će biti pouzdan način da promatrači detektiraju valove koje proizvode crne rupe. "Sudari crnih rupa jedan su od glavnih izvora gravitacijskih valova", rekao je profesor Seidel, koji posljednjih godina uspješno istražuje modeliranje gravitacijskih valova koji se pojavljuju kada se crne rupe razbiju u izravnim sudarima.

Međutim, međudjelovanje dviju spiralnih crnih rupa i njihovo spajanje češće je od izravnog sudara, te je od veće važnosti u astronomiji. Takve tangencijalne sudare prvi je izračunao Bernd Brugmann s Instituta Albert Einstein.

Međutim, u to vrijeme, zbog nedostatka računalne snage, nije mogao izračunati tako fundamentalno važne detalje kao što je točan trag emitiranih gravitacijskih valova, koji sadrži važne informacije o ponašanju crnih rupa tijekom sudara. Brugman je objavio najnovije rezultate u International Journal of Modern Physics.

U svojim prvim izračunima, Brugman je koristio institutski poslužitelj Origin 2000. On uključuje 32 odvojena procesora koji rade paralelno s ukupnom vršnom izvedbom od 3 milijarde operacija u sekundi. A u lipnju ove godine međunarodni tim Brugmanna, Seidela i drugih već je radio na mnogo snažnijem superračunalu Origin 2000 s 256 procesora u Nacionalnom centru za superračunalne aplikacije (NCSA). U skupini su bili i znanstvenici iz

Louis University (SAD) i iz istraživačkog centra Konrad-Zuse-Zentrum u Berlinu. Ovo superračunalo pružilo je prvu detaljnu simulaciju tangencijalnih sudara crnih rupa nejednake mase, kao i njihovih rotacija, koje je Brugmann ranije istraživao. Werner Benger iz Konrad-Zuse-Zentrum čak je uspio reproducirati zapanjujuću sliku procesa sudara. Pokazalo se kako su se "crna čudovišta" mase od jedne do nekoliko stotina milijuna solarnih masa spajala, stvarajući bljeskove gravitacijskih valova, koji bi uskoro mogli biti snimljeni posebnim sredstvima.

Jedan od najvažnijih rezultata ovog istraživačkog rada bilo je otkriće ogromne energije koja se emitira sudarom crnih rupa u obliku gravitacijskih valova. Ako se dva objekta s masama jednakim 10 i 15 Sunčevih masa približe jedno drugome bliže od 30 milja i sudare se, tada količina gravitacijske energije odgovara 1% njihove mase. "To je tisuću puta više od sve energije koju je naše Sunce oslobodilo u proteklih pet milijardi godina." primijetio je Brugman. Budući da se većina velikih sudara u svemiru događa vrlo daleko od tla, signali bi trebali biti vrlo slabi kada udare o tlo.

Diljem svijeta započela je izgradnja nekoliko detektora visoke preciznosti.

Jedan od njih, koji je izgradio Institut Max Planck u okviru njemačko-britanskog projekta "Geo 600", je laserski interferometar dug 0,7 milja. Znanstvenici se nadaju da će izmjeriti parametre kratkih gravitacijskih poremećaja koji nastaju pri sudaru crnih rupa, ali očekuju samo jedan takav sudar godišnje, i to na udaljenosti od oko 600 milijuna svjetlosnih godina. Računalni modeli potrebni su kako bi promatrači dobili pouzdane informacije o detekciji valova koje proizvode crne rupe. Zahvaljujući poboljšanjima u mogućnostima simulacije superračunala, znanstvenici su na korak od nove vrste eksperimentalne fizike.

Astronomi kažu da znaju lokaciju mnogih tisuća crnih rupa, ali mi nismo u poziciji vršiti bilo kakve pokuse na njima na Zemlji. “Samo u jednom slučaju moći ćemo proučavati detalje i konstruirati njihov numerički model u našim računalima i promatrati ga”, objasnio je profesor Bernard Schutz, direktor Instituta Albert Einstein. "Vjerujem da će proučavanje crnih rupa biti ključna tema istraživanja za astronome u prvom desetljeću sljedećeg stoljeća."

Satelitska zvijezda omogućuje vam da vidite prašinu iz supernove.

Crne rupe ne mogu se izravno vidjeti, ali astronomi mogu vidjeti dokaze njihovog postojanja kada plinovi izbiju u zvijezdu pratilicu.

Ako se dinamit detonira, tada će sićušni fragmenti eksploziva probiti duboko u obližnje objekte, ostavljajući tako neizbrisiv dokaz eksplozije.

Astronomi su pronašli sličan otisak na zvijezdi koja kruži oko crne rupe, ne bez razloga vjerujući da je ova crna rupa - bivša zvijezda koja se toliko urušila da čak ni svjetlost ne može nadvladati njezinu gravitacijsku silu - rezultat eksplozije supernove.

Svjetlo u tami.

Do tog vremena astronomi su promatrali eksplozije supernove i na njihovom mjestu pronašli uočene objekte, koji su, po njihovom mišljenju, crne rupe. Novo otkriće je prvi pravi dokaz povezanosti jednog događaja s drugim. (Crne rupe ne mogu se izravno vidjeti, ali se njihova prisutnost ponekad može zaključiti na temelju učinka njihovog gravitacijskog polja na obližnje objekte.

Sustav zvijezda i crnih rupa, označen GRO J1655-40, nalazi se otprilike 10 000 svjetlosnih godina daleko unutar naše galaksije Mliječni put. Otkrivena 1994. godine, privukla je pozornost astronoma intenzivnim izljevima X-zraka i valovima radiovalova dok je crna rupa izbacivala plinove prema svojoj zvijezdi pratilici udaljenoj 7,4 milijuna milja.

Istraživači iz Španjolske i Amerike počeli su pomno promatrati zvijezdu pratilicu, vjerujući da bi mogla zadržati nekakav trag, koji ukazuje na proces formiranja crne rupe.

Smatra se da su crne rupe veličine zvijezda tijela velikih zvijezda koje su se jednostavno smanjile na tu veličinu nakon što su potrošile svo svoje vodikovo gorivo. Ali iz još nepoznatih razloga, zvijezda koja blijedi pretvara se u supernovu prije nego što eksplodira.

Promatranja sustava GRO J1655-40 u kolovozu i rujnu 1994. omogućila su fiksiranje da su struje izbačenog plina imale brzinu do 92% brzine svjetlosti, što je djelomično dokazalo prisutnost crne rupe tamo.

Zvjezdana prašina.

Ako znanstvenici ne griješe, tada se dio eksplodiranih zvijezda, koje su vjerojatno 25-40 puta veće od našeg Sunca, pretvorio u preživjele satelite.

Upravo su to podaci do kojih su došli astronomi.

Atmosfera zvijezde pratilice sadržavala je više od normalnih koncentracija kisika, magnezija, silicija i sumpora - teških elemenata koji se mogu stvoriti u izobilju samo na temperaturi od više milijardi stupnjeva koja se postiže tijekom eksplozije supernove. Ovo je bio prvi dokaz koji je stvarno potvrdio valjanost teorije da su se neke crne rupe prvi put pojavile kao supernove, jer ono što su vidjeli nije moglo biti rođeno od zvijezde koju su promatrali astronomi.