Av alla hypotetiska föremål i universum som förutses av vetenskapliga teorier gör svarta hål det mest kusliga intrycket. Och även om antaganden om deras existens började uttryckas nästan ett hundra århundrade innan Einsteins publicering av allmän relativitet, erhölls övertygande bevis på verkligheten i deras existens ganska nyligen.
Låt oss börja med att titta på hur allmän relativitet tar upp frågan om gravitationens natur. Newtons tyngdelag säger att en kraft av ömsesidig attraktion verkar mellan två massiva kroppar i universum. På grund av denna gravitationsattraktion kretsar jorden runt solen. Allmän relativitet tvingar oss att titta på Sun-Earth-systemet annorlunda. Enligt denna teori, i närvaro av en så massiv himmelkropp som solen, är rymdtid som sagt perforerad under sin vikt och enhetens vävnad störs. Föreställ dig en elastisk trampolin med en tung boll (till exempel från en bowlinghall) som vilar på den. Det sträckta tyget böjer sig under sin vikt och skapar ett vakuum runt det. På samma sätt skjuter solen rymdtid runt sig själv.
Enligt denna bild rullar jorden helt enkelt runt den formade tratten (förutom att en liten boll som rullar runt en tung på en trampolin oundvikligen kommer att förlora hastighet och spiral närmare en stor). Och vad vi vanligtvis uppfattar som tyngdkraften i vår vardag är också inget annat än en förändring i geometri i rymdtid och inte en kraft i Newtons förståelse. Hittills har ingen mer framgångsrik förklaring av gravitationens natur än den allmänna relativitetsteorin ger oss inte uppfunnits.
Föreställ dig nu vad som kommer att hända om vi - inom ramen för den föreslagna bilden - ökar och ökar massan på en tung boll utan att öka dess fysiska storlek? Genom att vara absolut elastisk kommer tratten att fördjupa tills dess övre kanter sammanfaller någonstans högt över den helt tunga bollen, och sedan upphör den helt enkelt att existera när den ses från ytan. I det verkliga universum, efter att ha samlat en tillräcklig massa och densitet av materia, smällar objektet en rymd-tidfälla runt sig själv, rymdtidens tyg stängs, och det tappar sin anslutning till resten av universumet och blir osynlig för det. Så här visas ett svart hål.
Schwarzschild och hans samtida trodde att sådana konstiga rymdföremål inte fanns i naturen. Einstein själv höll inte bara denna synvinkel utan trodde också felaktigt att han hade lyckats bekräfta sin åsikt matematiskt.
På 1930-talet bevisade den unga indiska astrofysiker Chandrasekhar att en stjärna som använde kärnbränsle skjuter ut sitt skal och förvandlas till en långsamt kylande vit dvärg endast om massan är mindre än 1,4 gånger solens massa. Snart insåg amerikanen Fritz Zwicky att supernovaexplosioner producerar extremt täta kroppar av neutronmaterial; senare kom Lev Landau till samma slutsats. Efter Chandrasekhars arbete var det uppenbart att endast stjärnor med en massa på mer än 1,4 solmassor kan genomgå en sådan utveckling. Därför uppstod en naturlig fråga - finns det en övre massgräns för supernovor som lämnar neutronstjärnor?
I slutet av 1930-talet konstaterade den framtida fadern till den amerikanska atombomben, Robert Oppenheimer, att en sådan gräns existerar och inte överskrider några få solmassor. Det var då inte möjligt att ge en mer exakt bedömning; det är nu känt att massorna av neutronstjärnor måste ligga i intervallet 1,5-3 Ms. Men till och med från de ungefärliga beräkningarna av Oppenheimer och hans doktorand George Volkov följde det att de mest massiva ättlingar till supernovaer inte blir neutronstjärnor utan går in i någon annan stat. 1939 bevisade Oppenheimer och Hartland Snyder, med en idealiserad modell, att en massiv kollapsande stjärna drar sig ihop med sin gravitationsradie. Av deras formler följer det faktiskt att stjärnan inte stannar där, men medförfattarna avstod från en sådan radikal slutsats.
Kampanjvideo:
1911-09-07 - 2008-13-04.
Det sista svaret hittades under andra hälften av 1900-talet genom ansträngningarna från en hel galax av lysande teoretiska fysiker, inklusive sovjetiska. Det visade sig att en sådan kollaps alltid komprimerar stjärnan "hela vägen" och förstör dess substans fullständigt. Som ett resultat uppstår en singularitet, ett "superkoncentrat" i gravitationsfältet, stängt i en oändligt liten volym. För ett stationärt hål är detta en punkt, för en roterande, en ring. Rymdtidens krökning och följaktligen gravitationskraften nära singulariteten tenderar till oändlighet. I slutet av 1967 var den amerikanska fysikern John Archibald Wheeler den första som kallade en sådan sista stjärna kollaps för ett svart hål. Den nya termen blev förälskad i fysiker och glada journalister som sprider den runt om i världen (även om franska inte gillade det till en början, eftersom uttrycket trou noir föreslog tvivelaktiga föreningar).
Den viktigaste egenskapen hos ett svart hål är att vad som än kommer in i det kommer det inte tillbaka. Detta gäller även för ljus, varför svarta hål fick sitt namn: en kropp som tar upp allt ljus som faller på det och inte avger sitt eget verkar vara helt svart. Enligt generell relativitet, om ett objekt närmar sig mitten av ett svart hål på ett kritiskt avstånd - detta avstånd kallas Schwarzschild-radien - kan det aldrig gå tillbaka. (Den tyska astronomen Karl Schwarzschild (1873-1916) under de sista åren av sitt liv, med ekvationerna från Einsteins allmänna relativitetsteori, beräknade gravitationsfältet runt massan av nollvolym.) För solens massa är Schwarzschildradie 3 km, det vill säga att vända vår Solen är i ett svart hål, du måste kompaktera hela sin massa till storleken på en liten stad!
Inuti Schwarzschild-radien förutspår teorin ännu främmande fenomen: allt frågan om ett svart hål samlas in i en oändligt liten punkt med oändlig täthet i dess centrum - matematiker kallar ett sådant föremål en enkel perturbation. Med en oändlig täthet upptar varje begränsad materialmassa, matematiskt sett, noll rymdvolym. Huruvida detta fenomen verkligen inträffar i ett svart hål, vi kan naturligtvis inte experimentellt kontrollera, eftersom allt som kom in i Schwarzschild-radien inte kommer tillbaka.
Således har vi inte möjlighet att "undersöka" ett svart hål i traditionell betydelse av ordet "blick", men vi kan ändå upptäcka dess närvaro genom indirekta tecken på påverkan från dess superkraftiga och helt ovanliga gravitationsfält på saken omkring den.
Supermassiva svarta hål
I mitten av vår Vintergatan och andra galaxer är ett otroligt massivt svart hål miljoner gånger tyngre än solen. Dessa supermassiva svarta hål (som de fick detta namn) upptäcktes genom att observera arten av rörelsen av interstellär gas nära galaxcentrumen. Gaserna, bedömd efter observationerna, roterar på nära avstånd från det supermassiva objektet, och enkla beräkningar med hjälp av lagarna i Newtonian mekanik visar att objektet som lockar dem, med en liten diameter, har en monströs massa. Endast ett svart hål kan snurra den interstellära gasen i centrum av galaxen på detta sätt. I själva verket har astrofysiker redan funnit dussintals sådana massiva svarta hål i centrum för angränsande galaxer, och misstänker starkt att centrum för varje galax är ett svart hål.
Stora massa svarta hål
Enligt våra nuvarande idéer om utvecklingen av stjärnor, när en stjärna med en massa som överstiger ungefär 30 gånger solens massa dör i en supernovaexplosion, sprids dess yttre skal, och dess inre skikt kollapsar snabbt mot mitten och bildar ett svart hål i stället för stjärnan som har använt sina bränslereserver. Det är praktiskt taget omöjligt att upptäcka ett svart hål av detta ursprung som är isolerat i interstellarutrymme, eftersom det är i ett sällsynt vakuum och inte manifesterar sig på något sätt när det gäller gravitationsinteraktioner. Men om ett sådant hål var en del av ett binärstjärnsystem (två heta stjärnor som kretsar kring deras masscentrum) kommer det svarta hålet fortfarande att ha en gravitationseffekt på dess tvillingstjärna. Astronomer har idag mer än ett dussin kandidater för rollen som stjärnsystem av detta slag,även om det inte har erhållits starka bevis för någon av dem.
I ett binärt system med ett svart hål i sin sammansättning kommer substansen i den "levande" stjärnan oundvikligen att "flöda" i riktning mot det svarta hålet. Och ämnet som sugs ut av det svarta hålet kommer att virvla när det faller ner i det svarta hålet i en spiral och försvinner när man passerar Schwarzschild-radien. När man närmar sig den dödliga gränsen, kommer emellertid ämnet som sugs in i det svarta hålets tratt oundvikligen att tjockna och värmas upp på grund av ökningen i kollisioner mellan partiklarna som absorberas av hålet tills det värms upp till energin från vågstrålning i röntgenområdet i det elektromagnetiska spektrumet. Astronomer kan mäta frekvensen av förändringar i intensiteten för röntgenstrålning av denna typ och beräkna, jämföra den med andra tillgängliga data, den ungefärliga massan av ett objekt som "drar" materia på sig själv. Om objektets massa överskrider Chandrasekhar-gränsen (1,4 solmassor),detta objekt kan inte vara en vit dvärg, där vår stjärna är avsedd att degenerera. I de flesta av de identifierade fallen av observation av sådana binära röntgenstjärnor är en neutronstjärna ett massivt objekt. Mer än ett dussin fall har dock redan räknats när den enda rimliga förklaringen är närvaron av ett svart hål i ett binärstjärnsystem.
Alla andra typer av svarta hål är mycket mer spekulativa och baseras enbart på teoretisk forskning - det finns inget experimentellt bevis på deras existens alls. Först är det svarta minihål med en massa som är jämförbar med massan på ett berg och komprimerad till radien för en proton. Idén om deras ursprung i det första stadiet av bildandet av universum omedelbart efter Big Bang uttrycktes av den engelska kosmologen Stephen Hawking (se The Hidden Principle of the Irreversibility of Time). Hawking föreslog att minihålsexplosioner skulle kunna förklara det verkligt mystiska fenomenet med mejslade gammastrålar i universum. För det andra förutsäger vissa teorier om elementära partiklar existensen i universum - på mikronivå - för en riktig sikt av svarta hål, som är ett slags skum från universums avfall. Diametern för sådana mikrohål är förmodligen cirka 10–33 cm - de är miljarder gånger mindre än en proton. Just nu har vi inga förhoppningar för experimentell verifiering av ens själva faktum att det finns sådana svarthålpartiklar, än mindre på något sätt undersöka deras egenskaper.
Och vad händer med iakttagaren om han plötsligt befinner sig på andra sidan gravitationsradie, annars kallad händelseshorisonten. Det är här den mest fantastiska egenskapen med svarta hål börjar. Det är inte för ingenting vi alltid har nämnt tid, eller snarare rymdtid, när vi talar om svarta hål. Enligt Einsteins relativitetsteori, ju snabbare en kropp rör sig, desto mer blir massan, men den långsammare tiden börjar gå! Vid låga hastigheter, under normala förhållanden, är denna effekt osynlig, men om kroppen (rymdskepp) rör sig med en hastighet nära ljusets hastighet, ökar dess massa och tiden saktar ner! När kroppens hastighet är lika med ljusets hastighet går massan till oändlighet och tiden stannar! Detta bevisas av rigorösa matematiska formler. Låt oss gå tillbaka till det svarta hålet. Låt oss föreställa oss en fantastisk situationnär ett rymdskepp med astronauter ombord närmar sig sin gravitationsradie eller händelseshorisont. Det är tydligt att händelseshorisonten är så benämnd eftersom vi kan observera alla händelser (i allmänhet observera något) bara upp till denna gräns. Att vi inte är i stånd att observera denna gräns. Trots att astronauterna är inne i rymdskeppet närmar sig det svarta hålet, kommer att känna samma sak som tidigare, för på deras klocka kommer tiden att köras "normalt". Rymdskeppet kommer lugnt att korsa evenemangshorisonten och gå vidare. Men eftersom dess hastighet kommer att vara nära ljusets hastighet, kommer rymdskeppet att nå mitt i det svarta hålet, bokstavligen, på ett ögonblick.att vi bara kan observera eventuella händelser (i allmänhet observera något) fram till denna gräns. Att vi inte är i stånd att observera denna gräns. Trots att astronauterna är inne i rymdskeppet närmar sig det svarta hålet, kommer att känna samma sak som tidigare, för på deras klocka kommer tiden att köras "normalt". Rymdskeppet kommer lugnt att korsa evenemangshorisonten och gå vidare. Men eftersom dess hastighet kommer att vara nära ljusets hastighet, kommer rymdskeppet att nå mitt i det svarta hålet, bokstavligen, på ett ögonblick.att vi bara kan observera eventuella händelser (i allmänhet observera något) fram till denna gräns. Att vi inte är i stånd att observera denna gräns. Trots att astronauterna är inne i rymdskeppet närmar sig det svarta hålet, kommer att känna samma sak som tidigare, för på deras klocka kommer tiden att köras "normalt". Rymdskeppet kommer lugnt att korsa evenemangshorisonten och gå vidare. Men eftersom dess hastighet kommer att vara nära ljusets hastighet, kommer rymdskeppet att nå mitt i det svarta hålet, bokstavligen, på ett ögonblick. Men eftersom dess hastighet kommer att vara nära ljusets hastighet, kommer rymdskeppet att nå mitt i det svarta hålet, bokstavligen, på ett ögonblick. Men eftersom dess hastighet kommer att vara nära ljusets hastighet, kommer rymdskeppet att nå mitt i det svarta hålet, bokstavligen, på ett ögonblick.
Och för en utomhusobservatör kommer rymdskeppet helt enkelt att stanna vid händelseshorisonten och stanna där nästan för evigt! Detta är paradoxen i den kolossala gravitationen av svarta hål. Frågan är naturlig, kommer astronauterna överleva, gå till oändligheten enligt en extern observatörs klocka. Inte. Och poängen är inte alls den enorma gravitationen, men tidvattenkrafterna, som i en så liten och massiv kropp varierar mycket på små avstånd. När en astronaut är 1 m 70 cm lång kommer tidvattenkrafterna i hans huvud att vara mycket mindre än vid hans fötter och han kommer helt enkelt att rivas isär i händelseshorisonten. Så i allmänna termer räknade vi ut vad svarta hål är, men hittills pratade vi om svarta hål med stjärnmassa. För närvarande har astronomer lyckats hitta supermassiva svarta hål, vars massa kan vara en miljard solar!Supermassiva svarta hål skiljer sig inte i egenskaper från sina mindre motsvarigheter. De är bara mycket mer massiva och ligger som regel i centrum av galaxer - de stellaröarna i universum. I mitten av Our Galaxy (Milky Way) finns också ett supermassivt svart hål. Den kolossala massan av sådana svarta hål kommer att göra det möjligt att söka efter dem inte bara i vår galax, utan också i mitten av avlägsna galaxer som ligger på ett avstånd av miljoner och miljarder ljusår från jorden och solen. Europeiska och amerikanska forskare har genomfört en global sökning efter supermassiva svarta hål, som enligt moderna teoretiska beräkningar borde ligga i mitten av varje galax. Den kolossala massan av sådana svarta hål kommer att göra det möjligt att söka efter dem inte bara i vår galax, utan också i mitten av avlägsna galaxer som ligger på ett avstånd av miljoner och miljarder ljusår från jorden och solen. Europeiska och amerikanska forskare har genomfört en global sökning efter supermassiva svarta hål, som enligt moderna teoretiska beräkningar borde ligga i mitten av varje galax. Den kolossala massan av sådana svarta hål kommer att göra det möjligt att söka efter dem inte bara i Our Galaxy, utan också i centrum för avlägsna galaxer belägna på ett avstånd av miljoner och miljarder ljusår från jorden och solen. Europeiska och amerikanska forskare har genomfört en global sökning efter supermassiva svarta hål, som enligt moderna teoretiska beräkningar borde ligga i mitten av varje galax.
Modern teknologi gör det möjligt att upptäcka förekomsten av dessa kollapsar i angränsande galaxer, men mycket få av dem har upptäckts. Detta innebär att antingen svarta hål gömmer sig helt enkelt i täta gas- och dammmoln i den centrala delen av galaxerna, eller att de är belägna i mer avlägsna hörn av universum. Så, svarta hål kan upptäckas av röntgenstrålningen som släppts ut under anslutningen av material på dem, och för att göra en folkräkning av sådana källor lanserades satelliter med röntgenteleskop ombord i komiska rymden nära jorden. När de letade efter röntgenkällor fann rymdobservatorierna Chandra och Rossi att himlen var fylld med röntgenstrålar i bakgrunden och var miljoner gånger ljusare än synligt ljus. Mycket av denna bakgrund röntgenstrålning från himlen måste komma från svarta hål. I astronomi pratar de vanligtvis om tre typer av svarta hål. Den första är svarta hål i stjärnmassor (cirka 10 solmassor). De bildas av massiva stjärnor när de slutar på termonukleärt bränsle. Den andra är supermassiva svarta hål i galaxernas centrum (massor från en miljon till miljarder solen). Och slutligen finns det urbana svarta hål bildade i början av universumets liv, vars massor är små (i storleksordningen massan för en stor asteroid). Således förblir ett stort antal möjliga svarthålsmassor ofyllda. Men var är dessa hål? Genom att fylla utrymmet med röntgenstrålar vill de ändå inte visa sitt riktiga "ansikte". Men för att bygga en tydlig teori om förhållandet mellan röntgenstrålning från bakgrund och svarta hål måste du veta deras antal. För närvarande har rymdteleskop lyckats upptäcka endast ett litet antal supermassiva svarta hål, vars existens kan anses vara beprövad. Indirekta tecken tillåter oss att sätta antalet observerade svarta hål ansvariga för bakgrundstrålning till 15%. Vi måste anta att resten av de supermassiva svarta hålen helt enkelt gömmer sig bakom ett tjockt lager av dammmoln som bara överför högenergi röntgenstrålar eller är för långt för att upptäckas med moderna observationsmedel.att resten av de supermassiva svarta hålen helt enkelt gömmer sig bakom ett tjockt lager av dammiga moln som bara tillåter högenergi röntgenstrålar att passera genom eller är för långt borta för att upptäckas av moderna observationsanordningar.att resten av de supermassiva svarta hålen helt enkelt gömmer sig bakom ett tjockt lager av dammiga moln som bara tillåter högenergi röntgenstrålar att passera genom eller är för långt borta för att upptäckas av moderna observationsanordningar.
Supermassivt svart hål (grannskap) i mitten av galaxen M87 (röntgenbild). En utstötning (jet) från händelseshorisonten är synlig. Bild från webbplatsen www.college.ru/astronomy
Att hitta dolda svarta hål är en av de största utmaningarna i modern röntgenstronomi. De senaste genombrotten inom detta område, förknippade med forskning med Chandra- och Rossi-teleskop, täcker emellertid bara lågenergiområdet för röntgenstrålar - ungefär 2000–20 000 elektron volt (för jämförelse är energin för optisk strålning cirka 2 elektronvolt). volt). Väsentliga ändringar av dessa studier kan göras av det europeiska rymdteleskopet "Integral", som kan tränga in i det fortfarande otillräckligt studerade området med röntgenstrålar med energier på 20 000-300 000 elektronvolt. Betydelsen av att studera denna typ av röntgen är att även om himmelens röntgenbakgrund är av låg energi, uppträder flera strålningstoppar (punkter) med en energi på cirka 30 000 elektronvolter mot denna bakgrund. Forskare öppnar fortfarande bara slöjan för mysteriet om vad som ger upphov till dessa toppar, och Integral är det första tillräckligt känsliga teleskopet som kan hitta sådana röntgenkällor. Enligt astronomer ger strålar med hög energi upphov till de så kallade Compton-tjocka föremålen, det vill säga supermassiva svarta hål inneslutna i ett dammigt skal. Det är Compton-objekten som är ansvariga för de 30 000 elektron-volt röntgen topparna i bakgrundsstrålningsfältet. Det är Compton-objekten som är ansvariga för de 30 000 elektron-volt röntgen topparna i bakgrunden strålningsfält. Det är Compton-objekten som är ansvariga för de 30 000 elektron-volt röntgen topparna i bakgrunden strålningsfält.
Men forskningen kom fram till slutsatsen att Compton-objekt endast utgör 10% av antalet svarta hål som borde skapa högenergitoppar. Detta är ett allvarligt hinder för den fortsatta utvecklingen av teorin. Så de saknade röntgenstrålarna kommer inte från Compton-tjocka, utan från vanliga supermassiva svarta hål? Vad sägs då om dammgardiner för lågenergi röntgenstrålar? Svaret verkar ligga i det faktum att många svarta hål (Compton-objekt) har haft tillräckligt med tid att absorbera all gas och damm som omslöt dem, men innan detta hade de möjlighet att förklara sig med högenergiska röntgenstrålar. Efter att ha absorberat allt ämnet kunde sådana svarta hål redan generera röntgenstrålar på händelsevärgen. Det blir tydligt varför dessa svarta hål inte kan upptäckas,och det blir möjligt att tillskriva de saknade källorna till bakgrundsstrålning till deras konto, eftersom även om det svarta hålet inte längre avger, fortsätter den strålning som tidigare skapats av den sin resa genom universum. Det är dock helt möjligt att de saknade svarta hålen är mer dolda än astronomerna antar, det vill säga att vi inte ser dem betyder inte att de inte är det. Vi har bara inte tillräckligt med observerande kraft för att se dem. Samtidigt planerar NASA-forskare att utöka sökningen efter dolda svarta hål ännu längre in i universum. Det är där den undervattens delen av isberg ligger, säger de. Under flera månader kommer forskning att genomföras som en del av Swift-uppdraget. Genomträngning i det djupa universum kommer att avslöja gömma svarta hål,hitta den saknade länken för bakgrundsstrålning och belysa deras aktivitet i det tidiga universum.
Vissa svarta hål anses vara mer aktiva än sina tysta grannar. Aktiva svarta hål absorberar det omgivande materialet, och om en "gape" -stjärna som flyger förbi kommer in i tyngdflukten, kommer den säkert att "ätas" på det mest barbariska sättet (slits till rivor). Det absorberade ämnet, som faller ned på det svarta hålet, värms upp till enorma temperaturer och upplever en blixt i gamma-, röntgen- och ultraviolettområdena. Det finns också ett supermassivt svart hål i mitten av Vintergatan, men det är svårare att studera än hål i närliggande eller till och med avlägsna galaxer. Detta beror på en tät vägg av gas och damm som står i vägen för centrum av vår Galaxy, eftersom solsystemet är nästan beläget på kanten av den galaktiska skivan. Därför är observationer av aktiviteten hos svarta hål mycket effektivare i de galaxer vars kärna är tydligt synlig. När man observerade en av de avlägsna galaxerna som ligger i konstellationen Bootes på ett avstånd av 4 miljarder ljusår, lyckades astronomer för första gången spåra från början och nästan till slut processen för absorption av en stjärna av ett supermassivt svart hål. Under tusentals år vilade denna jätte kollapsar tyst i mitten av en icke namngiven elliptisk galax, tills en av stjärnorna vågade komma nära nog.
Det svarta hålets kraftfulla tyngdkraft slet stjärnan isär. Klumpar av materia började falla på det svarta hålet och när de nådde händelseshorisonten blossade de upp i det ultravioletta området. Dessa blossar spelades in av NASA: s nya rymdteleskop Galaxy Evolution Explorer, som studerar himlen i ultraviolett ljus. Teleskopet fortsätter att iaktta beteendet hos det utmärkta objektet även i dag. det svarta håls måltid är inte över än, och resterna av stjärnan fortsätter att falla i avgrunden av tid och rum. Observationer av sådana processer kommer i slutändan att hjälpa till att bättre förstå hur svarta hål utvecklas med sina föräldra galaxer (eller tvärtom, galaxer utvecklas med deras förälders svarta hål). Tidigare observationer visar att sådana överskott inte är ovanliga i universum. Forskare har beräknatatt en stjärna i genomsnitt absorberas av ett supermassivt svart hål i en typisk galax en gång vart 10 000 år, men eftersom det finns ett stort antal galaxer kan stjärnabsorption observeras mycket oftare.