Čierne diery.

Čierna diera je vo fyzike definovaná ako oblasť v časopriestore, ktorej gravitačná príťažlivosť je taká silná, že ju nedokážu opustiť ani objekty pohybujúce sa rýchlosťou svetla, vrátane kvanta samotného svetla. Hranica tejto oblasti sa nazýva horizont udalostí a jej charakteristickou veľkosťou je gravitačný polomer, ktorý sa nazýva polomer Čierneho lesa. Čierne diery sú najzáhadnejšie objekty vo vesmíre. Za svoje nešťastné meno vďačia americkému astrofyzikovi Johnovi Wheelerovi. Bol to on, kto v populárnej prednáške „Náš vesmír: známy a neznámy“ v roku 1967 nazval tieto superhusté telesá dierami. Predtým sa takéto objekty nazývali „zrútené hviezdy“ alebo „zrútené hviezdy“. Pojem „čierna diera“ sa však zakorenil a je jednoducho nemožné ho zmeniť. Vo vesmíre existujú dva typy čiernych dier: 1 – supermasívne čierne diery, ktorých hmotnosť je miliónkrát väčšia ako hmotnosť Slnka (predpokladá sa, že takéto objekty sa nachádzajú v centrách galaxií); 2 – menej hmotné čierne diery, ktoré vznikajú v dôsledku stláčania obrích umierajúcich hviezd, ich hmotnosť je viac ako tri hmotnosti Slnka; Keď sa hviezda zmršťuje, hmota je čoraz hustejšia a v dôsledku toho sa gravitácia objektu zvyšuje do takej miery, že ju svetlo nedokáže prekonať. Žiarenie ani hmota nemôžu uniknúť čiernej diere. Čierne diery sú supersilné gravitátory.

Polomer, na ktorý sa hviezda musí zmenšiť, aby sa stala čiernou dierou, sa nazýva gravitačný polomer. Pre čierne diery vytvorené z hviezd je to len niekoľko desiatok kilometrov. V niektorých pároch dvojitých hviezd je jedna z nich neviditeľná v najvýkonnejšom ďalekohľade, ale hmotnosť neviditeľnej zložky v takomto gravitačnom systéme je extrémne veľká. S najväčšou pravdepodobnosťou sú takýmito objektmi buď neutrónové hviezdy alebo čierne diery. Niekedy neviditeľné zložky v takýchto pároch odizolujú materiál z normálnej hviezdy. V tomto prípade sa plyn oddelí od vonkajších vrstiev viditeľnej hviezdy a padá na neznáme miesto – do neviditeľnej čiernej diery. Pred pádom do otvoru však plyn vyžaruje elektromagnetické vlny veľmi rôznych dĺžok, vrátane veľmi krátkych röntgenových vĺn. Navyše v blízkosti neutrónovej hviezdy alebo čiernej diery sa plyn stáva veľmi horúcim a stáva sa zdrojom silného, ​​vysokoenergetického elektromagnetického žiarenia v oblasti röntgenového a gama žiarenia. Takéto žiarenie neprechádza zemskou atmosférou, ale možno ho pozorovať pomocou vesmírnych teleskopov. Jedným z pravdepodobných kandidátov na čierne diery je silný zdroj röntgenového žiarenia v súhvezdí Labuť.

S. TRANKOVSKÝ

Medzi najdôležitejšie a najzaujímavejšie problémy modernej fyziky a astrofyziky pomenoval akademik V.L. Ginzburg problémy súvisiace s čiernymi dierami (pozri „Veda a život“ č. 11, 12, 1999). Existencia týchto zvláštnych objektov bola predpovedaná už pred viac ako dvesto rokmi, podmienky vedúce k ich vzniku boli presne vypočítané koncom 30. rokov 20. storočia a astrofyzika sa nimi začala vážne zaoberať pred necelými štyridsiatimi rokmi. Dnes vedecké časopisy po celom svete každoročne publikujú tisíce článkov o čiernych dierach.

K vzniku čiernej diery môže dôjsť tromi spôsobmi.

Takto je zvykom zobrazovať procesy prebiehajúce v blízkosti kolabujúcej čiernej diery. V priebehu času (Y) sa priestor (X) okolo neho (zatienená oblasť) zmenšuje a rúti sa smerom k singularite.

Gravitačné pole čiernej diery spôsobuje vážne deformácie geometrie priestoru.

Čierna diera, neviditeľná cez ďalekohľad, sa odhaľuje iba svojim gravitačným vplyvom.

V silnom gravitačnom poli čiernej diery sa rodia páry častica-antičastice.

Zrodenie páru častica-antičastica v laboratóriu.

AKO VZNIKAJÚ

Svetelné nebeské teleso, ktoré má hustotu rovnajúcu sa hustote Zeme a priemer dvestopäťdesiatkrát väčší ako priemer Slnka, v dôsledku gravitačnej sily nedovolí svojmu svetlu, aby sa k nám dostalo. Je teda možné, že najväčšie svietiace telesá vo vesmíre zostanú neviditeľné práve pre svoju veľkosť.
Pierre Simon Laplace.
Expozícia svetového systému. 1796

V roku 1783 anglický matematik John Mitchell a o trinásť rokov neskôr nezávisle od neho francúzsky astronóm a matematik Pierre Simon Laplace vykonali veľmi zvláštnu štúdiu. Pozreli sa na podmienky, za ktorých by svetlo nemohlo uniknúť hviezde.

Logika vedcov bola jednoduchá. Pre akýkoľvek astronomický objekt (planétu alebo hviezdu) je možné vypočítať takzvanú únikovú rýchlosť, alebo druhú únikovú rýchlosť, ktorá umožňuje ľubovoľnému telesu alebo častici ho navždy opustiť. A vo fyzike tej doby kraľovala Newtonova teória, podľa ktorej je svetlo tokom častíc (teória elektromagnetických vĺn a kvánt bola ešte takmer stopäťdesiat rokov vzdialená). Únikovú rýchlosť častíc možno vypočítať na základe rovnosti potenciálnej energie na povrchu planéty a kinetickej energie telesa, ktoré „utieklo“ do nekonečne veľkej vzdialenosti. Táto rýchlosť je určená vzorcom #1#

Kde M- hmotnosť vesmírneho objektu, R- jeho polomer, G- gravitačná konštanta.

Z toho môžeme ľahko získať polomer telesa danej hmotnosti (neskôr nazývaný „gravitačný polomer“ r g"), pri ktorej sa úniková rýchlosť rovná rýchlosti svetla:

To znamená, že hviezda stlačená do gule s polomerom r g< 2GM/c 2 prestane vyžarovať - ​​svetlo ho nebude môcť opustiť. Vo vesmíre sa objaví čierna diera.

Je ľahké vypočítať, že Slnko (jeho hmotnosť je 2,1033 g) sa zmení na čiernu dieru, ak sa zmrští na polomer približne 3 kilometre. Hustota jeho látky dosiahne 10 16 g/cm 3 . Polomer Zeme, stlačený do čiernej diery, by sa zmenšil asi na jeden centimeter.

Zdalo sa neuveriteľné, že v prírode môžu existovať sily schopné stlačiť hviezdu na takú nepatrnú veľkosť. Preto boli závery z diel Mitchella a Laplacea viac ako sto rokov považované za niečo ako matematický paradox, ktorý nemal žiadny fyzikálny význam.

Dôkladný matematický dôkaz, že takýto exotický objekt vo vesmíre bol možný, bol získaný až v roku 1916. Nemecký astronóm Karl Schwarzschild po analýze rovníc všeobecnej teórie relativity Alberta Einsteina dospel k zaujímavému výsledku. Po štúdiu pohybu častice v gravitačnom poli masívneho telesa dospel k záveru: rovnica stráca svoj fyzikálny význam (jej riešenie sa zmení na nekonečno), keď r= 0 a r = r g.

Body, v ktorých vlastnosti poľa strácajú zmysel, sa nazývajú singulárne, teda špeciálne. Singularita v nulovom bode odráža bodovú, alebo, čo je to isté, stredovo symetrickú štruktúru poľa (napokon, každé guľové teleso - hviezda alebo planéta - môže byť reprezentované ako hmotný bod). A body umiestnené na guľovej ploche s polomerom r g, tvoria samotný povrch, z ktorého sa úniková rýchlosť rovná rýchlosti svetla. Vo všeobecnej teórii relativity sa nazýva Schwarzschildova singulárna guľa alebo horizont udalostí (prečo sa ukáže neskôr).

Už na základe príkladu nám známych objektov – Zeme a Slnka – je jasné, že čierne diery sú veľmi zvláštne objekty. Dokonca aj astronómovia, ktorí sa zaoberajú hmotou pri extrémnych hodnotách teploty, hustoty a tlaku, ich považujú za veľmi exotické a až donedávna nie každý veril v ich existenciu. Prvé náznaky možnosti vzniku čiernych dier však obsahovala už všeobecná teória relativity A. Einsteina, ktorá vznikla v roku 1915. Anglický astronóm Arthur Eddington, jeden z prvých interpretov a popularizátorov teórie relativity, odvodil v 30. rokoch sústavu rovníc popisujúcich vnútornú štruktúru hviezd. Vyplýva z nich, že hviezda je v rovnováhe pod vplyvom opačne smerujúcich gravitačných síl a vnútorného tlaku vytváraného pohybom horúcich častíc plazmy vo vnútri hviezdy a tlakom žiarenia vznikajúceho v jej hĺbkach. To znamená, že hviezda je plynová guľa, v strede ktorej je vysoká teplota, ktorá smerom k periférii postupne klesá. Z rovníc predovšetkým vyplynulo, že povrchová teplota Slnka bola asi 5500 stupňov (čo celkom zodpovedalo údajom astronomických meraní) a v jeho strede by mala byť asi 10 miliónov stupňov. To umožnilo Eddingtonovi urobiť prorocký záver: pri tejto teplote sa „zapáli“ termonukleárna reakcia, dostatočná na zabezpečenie žiary Slnka. Vtedajší atómoví fyzici s tým nesúhlasili. Zdalo sa im, že v hĺbke hviezdy je príliš „chlad“: teplota tam nestačila na to, aby reakcia „prešla“. Na to rozzúrený teoretik odpovedal: "Hľadajte teplejšie miesto!"

A nakoniec sa ukázalo, že mal pravdu: v strede hviezdy skutočne prebieha termonukleárna reakcia (ďalšia vec je, že takzvaný „štandardný solárny model“, založený na predstavách o termonukleárnej fúzii, sa zjavne ukázal byť nesprávne – pozri napr. „Veda a život“ č. 2, 3, 2000). Ale napriek tomu reakcia v strede hviezdy prebieha, hviezda svieti a vznikajúce žiarenie ju udržuje v stabilnom stave. Ale jadrové „palivo“ vo hviezde vyhorí. Uvoľňovanie energie sa zastaví, žiarenie zhasne a sila obmedzujúca gravitačnú príťažlivosť zmizne. Existuje limit hmotnosti hviezdy, po ktorom sa hviezda začne nenávratne zmenšovať. Výpočty ukazujú, že k tomu dôjde, ak hmotnosť hviezdy presiahne dve až tri hmotnosti Slnka.

GRAVITAČNÝ KOLAPS

Spočiatku je rýchlosť kontrakcie hviezdy malá, ale jej rýchlosť sa neustále zvyšuje, pretože sila gravitácie je nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti. Stlačenie sa stáva nezvratným; neexistujú žiadne sily schopné pôsobiť proti vlastnej gravitácii. Tento proces sa nazýva gravitačný kolaps. Rýchlosť pohybu obalu hviezdy smerom k jej stredu sa zvyšuje a blíži sa k rýchlosti svetla. A tu začínajú hrať rolu účinky teórie relativity.

Úniková rýchlosť bola vypočítaná na základe newtonovských predstáv o povahe svetla. Z hľadiska všeobecnej relativity sa javy v okolí kolabujúcej hviezdy vyskytujú trochu inak. V jeho mohutnom gravitačnom poli dochádza k takzvanému gravitačnému červenému posunu. To znamená, že frekvencia žiarenia prichádzajúceho z masívneho objektu je posunutá smerom k nižším frekvenciám. V limite, na hranici Schwarzschildovej gule, sa frekvencia žiarenia stáva nulovou. To znamená, že pozorovateľ, ktorý sa nachádza mimo nej, nebude môcť zistiť nič o tom, čo sa deje vo vnútri. Preto sa Schwarzschildova sféra nazýva horizont udalostí.

Ale zníženie frekvencie sa rovná spomaleniu času a keď sa frekvencia zníži na nulu, čas sa zastaví. To znamená, že vonkajší pozorovateľ uvidí veľmi zvláštny obraz: škrupina hviezdy, ktorá padá so zvyšujúcim sa zrýchlením, sa zastaví namiesto dosiahnutia rýchlosti svetla. Z jeho pohľadu sa kompresia zastaví, akonáhle sa veľkosť hviezdy priblíži gravitácii
usu. Nikdy neuvidí ani jednu časticu „potápať sa“ pod Schwarzschielovou guľou. Ale pre hypotetického pozorovateľa padajúceho do čiernej diery bude všetko v priebehu chvíľ na jeho hodinkách ukončené. Čas gravitačného kolapsu hviezdy s veľkosťou Slnka bude teda 29 minút a oveľa hustejšej a kompaktnejšej neutrónovej hviezde to bude trvať len 1/20 000 sekundy. A tu čelí problémom spojeným s geometriou časopriestoru v blízkosti čiernej diery.

Pozorovateľ sa ocitá v zakrivenom priestore. V blízkosti gravitačného polomeru sú gravitačné sily nekonečne veľké; natiahnu raketu s astronautom-pozorovateľom do nekonečne tenkého vlákna nekonečnej dĺžky. Ale on sám si to nevšimne: všetky jeho deformácie budú zodpovedať skresleniam časopriestorových súradníc. Tieto úvahy sa samozrejme vzťahujú na ideálny, hypotetický prípad. Akékoľvek skutočné telo bude roztrhané slapovými silami dlho predtým, než sa priblíži k Schwarzschildovej sfére.

ROZMERY ČIERNYCH DIER

Veľkosť čiernej diery, presnejšie polomer Schwarzschildovej gule, je úmerný hmotnosti hviezdy. A keďže astrofyzika nekladie žiadne obmedzenia na veľkosť hviezdy, čierna diera môže byť ľubovoľne veľká. Ak by napríklad vznikla pri kolapse hviezdy s hmotnosťou 10 8 hmotností Slnka (alebo v dôsledku splynutia státisícov, ba až miliónov relatívne malých hviezd), jej polomer bude asi 300 miliónov kilometrov, dvojnásobok obehu Zeme. A priemerná hustota látky takého obra je blízka hustote vody.

Podľa všetkého ide o tie druhy čiernych dier, ktoré sa nachádzajú v centrách galaxií. V každom prípade astronómovia dnes napočítajú asi päťdesiat galaxií, v ktorých centrách sa podľa nepriamych dôkazov (diskutovaných nižšie) nachádzajú čierne diery s hmotnosťou asi miliardy (10 9) Slnka. Naša Galaxia má tiež zjavne svoju čiernu dieru; Jeho hmotnosť bola odhadnutá pomerne presne - 2,4. 10 6 ±10 % hmotnosti Slnka.

Teória naznačuje, že spolu s takýmito supergiantmi by mali vzniknúť aj čierne minidiery s hmotnosťou asi 10 14 g a polomerom asi 10 -12 cm (veľkosť atómového jadra). Mohli sa objaviť v prvých momentoch existencie Vesmíru ako prejav veľmi silnej nehomogenity časopriestoru s kolosálnou hustotou energie. Dnes si výskumníci uvedomujú podmienky, ktoré v tom čase existovali vo vesmíre na silných zrážačoch (urýchľovačoch využívajúcich zrážkové lúče). Experimenty v CERN začiatkom tohto roka vyprodukovali kvark-gluónovú plazmu, hmotu, ktorá existovala pred objavením sa elementárnych častíc. Výskum tohto stavu hmoty pokračuje v Brookhavene, americkom urýchľovacom centre. Je schopný urýchliť častice na energie o jeden a pol až dva rády vyššie ako urýchľovač v
CERN. Nadchádzajúci experiment vyvolal vážne obavy: vytvorí mini-čiernu dieru, ktorá ohne náš priestor a zničí Zem?

Tento strach zarezonoval tak silno, že vláda USA bola nútená zvolať autoritatívnu komisiu, aby preskúmala túto možnosť. Komisia pozostávajúca z významných výskumníkov dospela k záveru: energia urýchľovača je príliš nízka na to, aby vznikla čierna diera (tento experiment je popísaný v časopise Science and Life, č. 3, 2000).

AKO VIDIEŤ NEVIDITEĽNÉ

Čierne diery nevyžarujú nič, dokonca ani svetlo. Astronómovia sa ich však naučili vidieť, alebo skôr nájsť „kandidátov“ na túto úlohu. Existujú tri spôsoby, ako odhaliť čiernu dieru.

1. Je potrebné sledovať rotáciu hviezd v zhlukoch okolo určitého ťažiska. Ak sa ukáže, že v tomto strede nič nie je a zdá sa, že hviezdy sa točia okolo prázdneho priestoru, môžeme celkom s istotou povedať: v tejto „prázdnote“ je čierna diera. Práve na tomto základe sa predpokladala prítomnosť čiernej diery v strede našej Galaxie a odhadla sa jej hmotnosť.

2. Čierna diera do seba aktívne nasáva hmotu z okolitého priestoru. Medzihviezdny prach, plyn a hmota z blízkych hviezd naň dopadajú v špirále a vytvárajú takzvaný akréčný disk, podobný prstencu Saturnu. (Práve toto je strašiak brookhavenského experimentu: mini-čierna diera, ktorá sa objavila v urýchľovači, začne nasávať Zem do seba a tento proces nebolo možné zastaviť žiadnou silou.) Pri približovaní sa k Schwarzschildovej sfére častice zažijú zrýchlenie a začnú vyžarovať v oblasti röntgenového žiarenia. Toto žiarenie má charakteristické spektrum podobné dobre preštudovanému žiareniu častíc urýchlených v synchrotróne. A ak takéto žiarenie pochádza z nejakej oblasti vesmíru, môžeme s istotou povedať, že tam musí byť čierna diera.

3. Pri splynutí dvoch čiernych dier vzniká gravitačné žiarenie. Vypočítalo sa, že ak hmotnosť každého z nich je približne desať hmôt Slnka, potom keď sa v priebehu niekoľkých hodín spoja, uvoľní sa energia zodpovedajúca 1 % ich celkovej hmotnosti vo forme gravitačných vĺn. To je tisíckrát viac ako svetlo, teplo a iná energia, ktorú Slnko vyžarovalo počas celej svojej existencie – päť miliárd rokov. Dúfajú, že sa im podarí odhaliť gravitačné žiarenie pomocou observatórií gravitačných vĺn LIGO a ďalších, ktoré sa teraz stavajú v Amerike a Európe za účasti ruských výskumníkov (pozri „Veda a život“ č. 5, 2000).

A predsa, hoci astronómovia nepochybujú o existencii čiernych dier, nikto sa neodváži kategoricky tvrdiť, že práve jedna z nich sa nachádza v danom bode vesmíru. Vedecká etika a bezúhonnosť výskumníka si vyžaduje jednoznačnú odpoveď na položenú otázku, ktorá netoleruje nezrovnalosti. Nestačí odhadnúť hmotnosť neviditeľného objektu, musíte zmerať jeho polomer a ukázať, že nepresahuje Schwarzschildov polomer. A dokonca ani v rámci našej Galaxie tento problém ešte nie je riešiteľný. Vedci preto prejavujú istú zdržanlivosť pri podávaní správ o svojom objave a vedecké časopisy sú doslova preplnené správami o teoretických prácach a pozorovaniach účinkov, ktoré môžu vniesť svetlo do ich záhady.

Čierne diery však majú ešte jednu vlastnosť, teoreticky predpovedanú, vďaka ktorej by bolo možné ich vidieť. Avšak pod jednou podmienkou: hmotnosť čiernej diery by mala byť oveľa menšia ako hmotnosť Slnka.

ČIERNA DIERA MÔŽE BYŤ AJ „BIELA“

Po dlhú dobu boli čierne diery považované za stelesnenie temnoty, objekty, ktoré vo vákuu pri absencii absorpcie hmoty nič nevyžarujú. Slávny anglický teoretik Stephen Hawking však v roku 1974 ukázal, že čiernym dieram možno priradiť teplotu, a preto by mali vyžarovať.

Podľa konceptov kvantovej mechaniky nie je vákuum prázdnota, ale akási „pena časopriestoru“, mišmaš virtuálnych (v našom svete nepozorovateľných) častíc. Fluktuácie kvantovej energie však môžu „vyhodiť“ pár častica-antičastica z vákua. Napríklad pri zrážke dvoch alebo troch gama kvánt sa elektrón a pozitrón objavia akoby z ničoho. Tento a podobné javy boli opakovane pozorované v laboratóriách.

Práve kvantové fluktuácie určujú procesy žiarenia čiernych dier. Ak dvojica častíc s energiami E A -E(celková energia páru je nulová) sa vyskytuje v okolí Schwarzschildovej gule, ďalší osud častíc bude iný. Môžu zničiť takmer okamžite alebo ísť spolu pod horizont udalostí. V tomto prípade sa stav čiernej diery nezmení. Ale ak sa pod horizont dostane len jedna častica, pozorovateľ zaregistruje ďalšiu a bude sa mu zdať, že ju vytvorila čierna diera. Zároveň čierna diera, ktorá absorbovala časticu energiou -E, zníži vašu energiu a s energiou E- sa zvýši.

Hawking vypočítal rýchlosť, akou všetky tieto procesy prebiehajú, a dospel k záveru: pravdepodobnosť absorpcie častíc s negatívnou energiou je vyššia. To znamená, že čierna diera stráca energiu a hmotu – vyparuje sa. Navyše vyžaruje ako úplne čierne teleso s teplotou T = 6 . 10 -8 M s / M kelvinov, kde M c - hmotnosť Slnka (2,10 33 g), M- hmotnosť čiernej diery. Tento jednoduchý vzťah ukazuje, že teplota čiernej diery s hmotnosťou šesťkrát väčšou ako Slnko sa rovná sto milióntine stupňa. Je jasné, že takto chladné teleso prakticky nič nevyžaruje a všetky vyššie uvedené úvahy zostávajú v platnosti. Miniotvory sú iná vec. Je ľahké vidieť, že pri hmotnosti 10 14 -10 30 gramov sú zohriate na desiatky tisíc stupňov a rozpálené do biela! Okamžite však treba poznamenať, že neexistujú žiadne rozpory s vlastnosťami čiernych dier: toto žiarenie je vyžarované vrstvou nad Schwarzschildovou sférou, a nie pod ňou.

Čierna diera, ktorá vyzerala ako večne zamrznutý objekt, teda skôr či neskôr zmizne a vyparí sa. Navyše, keď „schudne“, rýchlosť vyparovania sa zvyšuje, ale stále to trvá extrémne dlho. Odhaduje sa, že miniotvory s hmotnosťou 10 14 gramov, ktoré sa objavili bezprostredne po Veľkom tresku pred 10-15 miliardami rokov, by sa do našej doby mali úplne vypariť. V poslednom štádiu života ich teplota dosahuje kolosálne hodnoty, takže produktom vyparovania musia byť častice s extrémne vysokou energiou. Možno sú to tie, ktoré vytvárajú rozsiahle vzdušné sprchy v zemskej atmosfére - EAS. V každom prípade je pôvod častíc anomálne vysokej energie ďalším dôležitým a zaujímavým problémom, ktorý môže úzko súvisieť s nemenej vzrušujúcimi otázkami fyziky čiernych dier.

Fyzici naznačujú, že náš vesmír existuje vo vnútri čiernej diery 21. novembra 2014

O niečom takomto sme diskutovali. A teraz sa ukazuje, že sa objavila teória, podľa ktorej sa uvádza, že náš Vesmír existuje vo vnútri čiernej diery

Táto zvláštna teória, na ktorej fyzici pracujú už desaťročia, môže objasniť mnohé otázky, na ktoré slávna teória veľkého tresku nevie odpovedať.

Podľa teórie veľkého tresku bol vesmír predtým, ako sa začal rozpínať, v singulárnom stave – to znamená, že v nekonečne malom bode vo vesmíre bola obsiahnutá nekonečne malá koncentrácia hmoty. Táto teória pomáha napríklad vysvetliť, prečo sa neuveriteľne hustá hmota raného vesmíru začala rozširovať vesmírom obrovskou rýchlosťou a vytvárala nebeské telesá, galaxie a zhluky galaxií.
Zároveň však necháva veľké množstvo dôležitých otázok nezodpovedaných. Čo spustilo samotný Veľký tresk?

Čo je zdrojom tajomnej temnej hmoty?

Odpovede na tieto a mnohé ďalšie otázky môže poskytnúť teória, že náš vesmír je vo vnútri čiernej diery. A okrem toho spája princípy dvoch ústredných teórií modernej fyziky: všeobecnej teórie relativity a kvantovej mechaniky.

Všeobecná relativita opisuje vesmír v najväčších mierkach a vysvetľuje, ako gravitačné polia masívnych objektov, ako je Slnko, ohýbajú časopriestor. A kvantová mechanika opisuje vesmír v najmenších mierkach - na úrovni atómov. Napríklad berie do úvahy takú dôležitú charakteristiku častíc, ako je spin (rotácia).

Ide o to, že rotácia častice interaguje s kozmickým časom a prepožičiava jej vlastnosť nazývanú „torzia“. Aby ste pochopili, čo je torzná tyč, predstavte si kozmický čas vo forme pružnej tyče. Ohnutie tyče bude symbolizovať zakrivenie kozmického času a krútenie bude symbolizovať torzu časopriestoru.
Ak je tyč veľmi tenká, môžete ju ohnúť, ale bude veľmi ťažké vidieť, či je skrútená alebo nie. Krútenie časopriestoru môže byť badateľné len v extrémnych podmienkach – v raných fázach existencie Vesmíru, alebo v čiernych dierach, kde sa prejaví ako odpudivá sila opačná než gravitačná sila príťažlivosti vychádzajúca zo zakrivenia. časopriestoru.

Ako vyplýva zo všeobecnej teórie relativity, veľmi masívne objekty končia svoju existenciu pádom do čiernych dier – oblastí vesmíru, z ktorých nemôže uniknúť nič, ani svetlo.

Na samom začiatku existencie Vesmíru gravitačná príťažlivosť spôsobená zakrivením priestoru prevýši odpudivú silu torznej tyče, v dôsledku čoho dôjde k stlačeniu hmoty. Potom však torzná tyč zosilnie a začne brániť stláčaniu hmoty do nekonečnej hustoty. A keďže energia má schopnosť premeniť sa na hmotu, extrémne vysoká úroveň gravitačnej energie v tomto stave povedie k intenzívnej tvorbe častíc, čo spôsobí nárast hmoty vo vnútri čiernej diery.

Mechanizmus krútenia teda naznačuje vývoj pozoruhodného scenára: každá čierna diera musí v sebe vytvoriť nový vesmír.

Ak je táto teória správna, potom hmota, ktorá tvorí náš vesmír, je tiež prinesená odniekiaľ zvonku. Potom náš
Vesmír musí byť vytvorený aj vo vnútri čiernej diery, ktorá existuje v inom vesmíre, ktorý je naším „rodičom“.

Pohyb hmoty prebieha vždy len jedným smerom, čo zabezpečuje smerovanie času, ktorý vnímame ako pohyb vpred. Časová šípka v našom vesmíre je teda tiež zdedená z „rodičovského“ vesmíru.

Tu sme sa o tom rozprávali a tu sme sa na to pozreli a dozvedeli sme sa o tom Pôvodný článok je na webe InfoGlaz.rf Odkaz na článok, z ktorého bola vytvorená táto kópia -

Fedor Dergačev

Čierna diera s hmotnosťou vesmíru?

Pri porovnávaní fyziky čiernych dier a procesov Veľkého tresku ma napadla otázka. Chcem sa na to podrobne pozrieť v jednej z nasledujúcich častí môjho nového článku. "Zem a vesmír" , ktorý začal publikovať na LiveJournal:

Časť 1

Z vyššie uvedeného porovnania vyplýva, že v prvých sekundách po Veľkom tresku bola hmota, ktorá tvorí pozorovateľnú časť Vesmíru, v podmienkach podobných tým, ktoré opisuje teória čiernych dier!

Ale nevylučujem, že som pri formulovaní otázky niečo nezohľadnil. Čakám na reakcie...

Čierne diery

„Ak sú účinky špeciálnej teórie relativity najzreteľnejšie pri vysokých rýchlostiach pohybu telies, potom všeobecná teória relativity vstupuje do hry, keď majú telesá veľmi veľké hmotnosti a spôsobujú silné zakrivenie priestoru a času.
...Objav, ktorý urobil počas prvej svetovej vojny nemecký astronóm Karl Schwarzschild, keď sa na ruskom fronte v roku 1916 medzi výpočtom trajektórií delostreleckých granátov zoznámil s Einsteinovými úspechmi v oblasti gravitácie. Je úžasné, že len pár mesiacov po tom, čo Einstein urobil posledné úpravy na plátne všeobecnej relativity, Schwarzschild dokázal použiť túto teóriu na získanie úplného a presného obrazu o tom, ako sa priestor a čas ohýbajú v blízkosti dokonale guľovej hviezdy. Schwarzschild poslal svoje výsledky z ruského frontu Einsteinovi, ktorý ich na jeho pokyn predložil Pruskej akadémii.
Okrem potvrdenia a matematicky presného výpočtu zakrivenia, ktorý sme schematicky ukázali na obr. 3.5, Schwarzschildova práca – teraz známa ako „Schwarzschildovo riešenie“ – odhalila jeden pozoruhodný dôsledok všeobecnej teórie relativity. Ukázalo sa, že ak je hmotnosť hviezdy sústredená v dostatočne malej sférickej oblasti (keď pomer hmotnosti hviezdy k jej polomeru nepresiahne určitú kritickú hodnotu), potom bude výsledné zakrivenie časopriestoru také významné, že žiadny objekt (vrátane svetla), ktorý sa dostane dostatočne blízko k hviezde, nebude schopný uniknúť z tejto gravitačnej pasce. Keďže z takýchto „stlačených hviezd“ nemôže uniknúť ani svetlo, pôvodne sa nazývali tmavé alebo zamrznuté hviezdy. (Tento názov patrí sovietskym vedcom Ya. B. Zeldovich a I. D. Novikov. - Ed.) Príťažlivejší názov navrhol po rokoch John Wheeler, ktorý ich nazval čierne diery - čierne, pretože nemôžu vyžarovať svetlo, a diery, pretože akýkoľvek predmet, ktorý sa k nim priblíži na príliš krátku vzdialenosť, sa už nikdy nevráti späť. Toto meno je pevne zavedené a zavedené. Schwarzschildovo riešenie je znázornené na obrázku. Hoci je známe, že čierne diery sú „nenásytné“, telesá, ktoré okolo nich prejdú v bezpečnej vzdialenosti, sú odklonené rovnakým spôsobom, ako by ich odchýlila bežná hviezda, a pokračujú v ceste. Ale telesá akejkoľvek povahy, ktoré sa priblížia príliš blízko, bližšie ako je vzdialenosť nazývaná horizont udalostí čiernej diery, sú odsúdené na zánik – budú neustále padať do stredu čiernej diery, vystavené čoraz intenzívnejším a v konečnom dôsledku ničivejším gravitačným deformáciám..

Čierna diera ohýba štruktúru okolitého časopriestoru taká silná, že akýkoľvek objekt prekračujúci svoj "horizont udalostí" - označený čiernym kruhom - nemôže uniknúť z jeho gravitačnej pasce. Nikto presne nevie, čo sa deje v hlbinách čiernych dier.

Ak napríklad plávate smerom k stredu nôh čiernej diery ako prvý, pri prekročení horizontu udalostí pocítite rastúci pocit nepohodlia. Gravitačná sila čiernej diery sa tak výrazne zvýši, že bude ťahať vaše nohy oveľa silnejšie ako vašu hlavu (napokon, vaše nohy budú o niečo bližšie k stredu čiernej diery ako vaša hlava), a to natoľko, že dokáže rýchlo roztrhať vaše telo na kusy.
Ak ste opatrní pri cestovaní okolo čiernej diery a dávate pozor, aby ste neprekročili jej horizont udalostí, môžete čiernu dieru použiť na pozoruhodný trik. Predstavte si napríklad, že objavíte čiernu dieru s hmotnosťou 1000-krát väčšou ako Slnko a zlaníte sa, rovnako ako George, dole k Slnku, do výšky 3 cm nad horizontom udalostí. Ako sme už poznamenali, gravitačné polia spôsobujú deformáciu času, čo znamená, že vaše cestovanie v čase sa spomalí. V skutočnosti, pretože čierne diery majú také silné gravitačné polia, váš čas sa veľmi spomalí. Vaše hodiny budú bežať približne desaťtisíckrát pomalšie ako hodiny vášho priateľa na Zemi. Ak sa jeden rok vznášate nad horizontom udalostí čiernej diery v tejto polohe a potom vyšplháte po kábli späť na čakajúcu vesmírnu loď v blízkosti na krátku, ale príjemnú cestu domov, po návrate zistíte, že viac ako desaťtisíc rokov uplynulo od vášho odchodu. Čiernu dieru môžete použiť ako akýsi stroj času, ktorý vám umožní cestovať do vzdialenej budúcnosti Zeme.
Aby ste získali predstavu o obrovskom rozsahu týchto javov, všimnite si, že hviezda s hmotnosťou rovnajúcou sa hmotnosti Slnka sa stane čiernou dierou, ak jej polomer nie je pozorovanou hodnotou (asi 700 000 km), ale iba asi 3 km. Predstavte si, že sa celé naše Slnko zmenšilo na veľkosť Manhattanu. Lyžička hmoty takto stlačeného Slnka by vážila toľko ako Mount Everest. Aby sa naša Zem stala čiernou dierou, musíme ju stlačiť do gule s polomerom menším ako centimeter. Fyzici boli dlho skeptickí k možnosti takýchto extrémnych stavov hmoty, mnohí z nich verili, že čierne diery sú len výplody bujnej fantázie prepracovaných teoretikov.
Za posledné desaťročie sa však nazhromaždilo pomerne veľa údajov z pozorovania, ktoré potvrdzujú existenciu čiernych dier. Samozrejme, keďže sú čierne, nemožno ich pozorovať priamo skúmaním oblohy ďalekohľadom. Namiesto toho sa astronómovia pokúšajú odhaliť čierne diery anomálnym správaním obyčajných hviezd vyžarujúcich svetlo, ktoré sa nachádzajú v blízkosti horizontov udalostí čiernej diery. Napríklad, keď sa častice prachu a plynu z vonkajších vrstiev obyčajných hviezd susediacich s čiernou dierou ponáhľajú k horizontu udalostí čiernej diery, zrýchľujú sa takmer na rýchlosť svetla. Pri takýchto rýchlostiach vedie trenie vo vírivom plyne a prachu vdychovanej látky k uvoľneniu obrovského množstva tepla, čo spôsobuje, že zmes plynu a prachu žiari a vyžaruje bežné viditeľné svetlo a röntgenové lúče. Pretože toto žiarenie vzniká mimo horizontu udalostí, môže sa vyhnúť pádu do čiernej diery. Toto žiarenie sa šíri v priestore a možno ho priamo pozorovať a študovať. Všeobecná relativita podrobne predpovedá charakteristiky takýchto röntgenových lúčov; pozorovanie týchto predpovedaných charakteristík poskytuje silný, aj keď nepriamy dôkaz o existencii čiernych dier. Napríklad pribúdajú dôkazy o tom, že v strede našej Galaxie sa nachádza veľmi masívna čierna diera s hmotnosťou dva a pol milióna násobku hmotnosti nášho Slnka. Ale aj tieto nenásytné čierne diery blednú v porovnaní s tými, o ktorých sa astronómovia domnievajú, že sa nachádzajú v centrách úžasne jasných kvazarov roztrúsených po celom vesmíre. Ide o čierne diery, ktorých hmotnosti sú miliardy krát väčšie ako hmotnosť Slnka.
Schwarzschild zomrel len pár mesiacov po tom, čo našiel svoje riešenie. Zomrel na kožnú chorobu, ktorú dostal na ruskom fronte. Mal 42 rokov. Jeho tragicky krátke stretnutie s Einsteinovou teóriou gravitácie odhalilo jednu z najpozoruhodnejších a najzáhadnejších stránok života vo vesmíre. (" ", strana 31),

„Teoretická realita nazývaná „čierna diera“, pre ktorú sa ponúka porovnanie s peklom, zostáva v podstate teoretická, hoci astronómovia vytvorili na prvý pohľad harmonický obraz fyziky čiernych dier, príčin ich vzniku a vplyv na časopriestorové kontinuum.

V podstate astronómovia nazývajú čiernu dieru nie nejakým fyzickým objektom, ale oblasťou v časopriestore, v ktorej je gravitačná príťažlivosť taká silná, že nič, dokonca ani svetlo, nemôže preniknúť von – za „horizont udalostí“.

Dominantnou teóriou je, že čierne diery vznikajú na mieste vyhorených masívnych hviezd: keď sa hviezda zrúti, hustota hmoty sa zvýši tak, že gravitačná príťažlivosť v tejto oblasti začne priťahovať okolitú hmotu.". (« » ).

„Ako je známe, doteraz boli pozorovaniami zaznamenané len dva typy čiernych dier – hviezdna hmota(vznikli v dôsledku gravitačného kolapsu masívnych hviezd) a supermasív(ktoré sú podľa jednej hypotézy výsledkom zlúčenia prvého). Žiadna hypotézavznik supermasívnych čiernych dier nie je viac-menej podložený, vr.hypotéza fúzie, na preukázanie ktorej je potrebná aspoň jedna spoľahlivo známačierna diera so strednou hmotnosťou."(august 2008)

Čierne diery sú výsledkom gravitačného kolapsu masívnych hviezd. Sú dostatočne podrobne opísané vo vedeckej a populárnej literatúre.

Mechanizmom „pasce“ je zakrivenie časopriestoru pod vplyvom síl obrovskej gravitácie. "AZakrivenie časopriestoru bude také významné, že žiadny objekt (vrátane svetla), ktorý sa dostane dostatočne blízko ku hviezde, nebude schopný uniknúť z tejto gravitačnej pasce.“

Veľký tresk z pohľadu teórie „čiernych dier“

"Podľa všetkých existujúcich teórií Veľkého tresku bol vesmír na začiatku bodom v priestore nekonečne malého objemu, ktorý mal nekonečne veľkú hustotu a teplotu."(„Veľké problémy veľkého tresku. Problematická singularita“).

„Napriek veľkému úspechu nie sú obzory teórie veľkého tresku ani zďaleka bez mráčika...

Nie je jasné, prečo majú špirálové galaxie v rovnakej vzdialenosti vždy väčšie „červené posuny“ ako eliptické galaxie(podrobnejšie pozri knihu V.P. Chechev, Ya.M. Kramarovsky „Radioactivity and the Evolution of the Universe.“ M., „Nauka“, 1978).

Nakoniec sa to nedávno ukázalo rýchlosti galaxií vzhľadom na pozadie CMB veľmi malý.Sú merané nie tisíce a desaťtisíce kilometrov za sekundu, ako vyplýva z teórie rozpínajúceho sa vesmíru, alelen stovky kilometrov za sekundu . Ukazuje sa, že galaxie sú prakticky v pokoji vzhľadom na reliktné pozadie vesmíru, ktoré možno z viacerých dôvodov považovať za absolútny referenčný rámec galaxie.(podrobnejšie pozri knihu „Vývoj metód astronomického výskumu“ (A.A. Efimov. „Astronómia a princíp relativity“) M., „Science“, 1979, s. 545).

Ako prekonať tieto ťažkosti, je stále nejasné."(Siegel F.Yu. “The Substance of the Universe.” - M.; “Chemistry”, 1982, časť “Rodopis chemických prvkov”, kapitola “Syntéza prvkov”, str. 166-167).

Po veľkom tresku

„Veľký tresk je rýchly pokles pôvodne obrovskej hustoty, teploty a tlaku hmoty sústredenej vo veľmi malom objeme vesmíru. V počiatočnom momente mal vesmír gigantickú hustotu a teplotu. Svet mal v prvej sekunde svojej existencie hustotu ~ 10 5 g/cm 3 a teplotu 10 10 K. Aktuálna teplota nám najbližšej hviezdy, Slnka, je tisíckrát nižšia.
Na krátky čas po Veľkom tresku – len 10 – 36 sekúnd – bol malý vesmír naplnený základnými časticami. Tieto častice sú na rozdiel od nuklidov, protónov a neutrónov nedeliteľné. V skutočnosti sa z nich skladajú protóny a neutróny, základ jadrovej hmoty. Toto sú základné fermióny, ktoré sa navzájom ovplyvňujú prostredníctvom jedinej základnej interakcie v tom čase vo vývoji vesmíru. Ako k tejto interakcii došlo? Cez častice. Nazývajú sa bozóny. Sú štyri: fotón (gama kvantum), gluón a dva bozóny - W a Z. A samotné fundamentálne častice, t.j. fermióny sú šesť typov kvarkov a šesť typov leptónov.
Práve táto skupina častíc 12 fermiónov interagujúcich medzi sebou prostredníctvom 4 bozónov je v skutočnosti zárodkom vesmíru...

Medzitým sa vráťme do rozpínajúceho sa Vesmíru prvých okamihov jeho existencie.
Moderná fyzika verí, že častice - fermióny a bozóny, ktoré sa objavili hneď po Veľkom tresku, sú nedeliteľné. „Verí“ znamená, že zatiaľ neexistujú žiadne informácie o ich vnútornej štruktúre. Fermióny a bozóny boli niekde do 10 - 10 sekúnd vývoja vesmíru bez hmotnosti a tvorili takzvanú „vriacu polievku“ maličkého vesmíru. Navzájom na seba pôsobili podľa jediného zákona Veľkého zjednotenia.
V 10-36 sekundách sa zrútila éra Veľkého zjednotenia. Povaha interakcie častíc sa začala meniť. Spájanie častíc a vytváranie ťažších bolo nemožné, kým mal vesmír vysokú teplotu.
Chladnutie vesmíru trvalo 1 mikrosekundu» . (M.I. Panasyuk „Tuláci vesmírom alebo ozvena veľkého tresku“).

Otázka

Pohľad na Veľký tresk z pohľadu teórie čiernych dier prináša úžasné výsledky. Takže," astronómovia nazývajú čierna diera oblasť v časopriestore, v ktorej je gravitačná sila taká silná, že z nej nemôže uniknúť nič, dokonca ani svetlo».

Ale oblasť, v ktorej sa hmota koncentruje v prvých okamihoch po Veľkom tresku, by mala byť presne taká. Najväčšie („supermasívne“) čierne diery (v strede galaxií a v kvazaroch) dosahujú hmotnosti miliónkrát väčšie ako Slnko. Ale hmotnosť pozorovateľného vesmíru podľa moderných odhadov prevyšuje hmotnosť Slnka viac ako 10^20-krát – to je 100 quintilionov (1 quintillion = 1 miliarda miliardy)! Nie som emocionálny človek, ale napriek tomu neviem, koľko výkričníkov sem mám dať.

A všetka táto obrovská masa nevytvorila takú príšernú gravitačnú silu, aby zakrivenie časopriestoru nespôsobilo efekt „čiernej diery“? Pre hmotu expandujúcu počas Veľkého tresku sa čas mal spomaliť natoľko, že by stále neunikol z „horizontu udalostí“. Tým by sa úplne eliminovalo ďalšie „rozptyľovanie“ hmoty, ktorá následne tvorí pozorovateľnú časť Vesmíru. Existuje logický rozpor - buď veda nesprávne chápe procesy veľkého tresku, alebo je nesprávna teória čiernych dier!

F. Dergačev "Čierna diera s hmotnosťou vesmíru?" Časť 2

Udalosti

Čierne diery stále zostávajú pre astronómov záhadou. Nielenže nasávajú všetko okolo seba, ale dokážu deformovať aj časopriestorové kontinuum. Po natiahnutí tvoria v spodnej časti maličký zárez. Mnohí astronómovia by chceli vedieť, čo sa skrýva za týmto rezom. Einstein a jeho kolega Rosen to navrhli Prasknutie jednej čiernej diery je spojené s prasknutím inej. Navrhovaný spojovací závit sa nazýval Einstein-Rosenov most. Hoci vo vesmíre nič také nebolo pozorované, táto teória naznačuje riešenie problému všeobecnej relativity prostredníctvom kombinácie modelov čiernej a bielej diery.

Nikodem Poplawski, teoretický fyzik z Indiana University, navrhol scenár vzniku nášho vesmíru v medzere, nazývanej aj Einstein-Rosenov most. Poplawski použil Euklidovský súradnicový systém– izotropné súradnice – na opis gravitačného poľa čiernej diery a modelovanie radiálneho pohybu veľkej častice v čiernej diere.

Po štúdiu pohybu častice na hraniciach dvoch typov čiernych dier - Einstein-Rosen a Schwarzschild, Poplawski poznamenal, že pohyb vo vnútri samotnej diery možno študovať iba experimentálne. Astronómovia nemôžu vidieť, čo sa deje v čiernej diere a môžete študovať správanie častíc iba vtedy, ak sa do toho sami dostanete.

Ako hovorí Poplawski, bolo by to možné, keby bol náš vesmír vo vnútri čiernej diery, ktorá existuje vo vesmíre väčšom ako ten náš. Ak by v dôsledku toho mohla vzniknúť čierna diera gravitačné roztrhnutie hmoty, potom je možný aj opačný proces. Tento proces možno opísať ako výbuch bielej diery: hmota vychádzajúca z polomeru čiernej diery ako rozpínajúci sa vesmír.

Teoreticky je biela diera spojená s čiernou dierou cez Einstein-Rosenov most a je hypoteticky dočasným opakom čiernej diery. Poplawski to vo svojej práci naznačil všetky čierne diery majú mosty Einstein-Rosen, každý s vlastným vesmírom vo vnútri, vznikol v rovnakom čase ako čierna diera.

"Ukazuje sa, že náš vesmír mohol vzniknúť vo vnútri čiernej diery iného vesmíru," povedal Poplawski.

Ak budeme pokračovať v ďalšom štúdiu gravitačnej deštrukcie častíc a použijeme ich pri štúdiu iných typov čiernych dier, možno v teórii vzniku vesmíru v Einstein-Rosenovej čiernej diere bude menej rozporov ako v predchádzajúcich. Napríklad veľa problémov a nezrovnalostí vzniká s teóriou veľkého tresku a teóriou straty informácií v blízkosti polomeru čiernej diery, ktorá tvrdí, že všetky informácie o hmote sa stratia, keď prejde za polomer čiernej diery.