Czarna dziura to najbardziej tajemniczy obiekt we Wszechświecie. Czarne dziury z ładunkiem elektrycznym Nierozwiązane problemy fizyki czarnych dziur

Kiedy człowiek zaczął badać kosmos, natknął się na tajemnicze zjawisko. Nazywano ją „czarną dziurą”. Okazuje się, że istnieje pewien obszar w czasoprzestrzeni, który ma duże przyciąganie grawitacyjne. Dzięki temu nawet obiekty poruszające się z prędkością światła nie mogą przed nim uciec.

Mówimy także o samych kwantach światła. Te obszary są naprawdę czarne, pochłaniają wszystko dookoła i nigdy się nie uwalniają. Możemy się jedynie domyślać na temat ich natury i możliwości, a brak informacji na temat tego zjawiska rodzi pewne mity.

Mity na temat czarnych dziur

Albert Einstein jako pierwszy ogłosił istnienie czarnych dziur. Wydawałoby się, kto, jeśli nie ten wielki naukowiec, teoretyk czasu i przestrzeni, powinien stwierdzić istnienie czarnych dziur? W rzeczywistości to nie on pierwszy poczynił takie założenie, ale John Mitchell. Stało się to w 1783 r., a Einstein stworzył swoją teorię w 1916 r. Jednak w tym czasie teoria okazała się nieuzasadniona, angielski ksiądz Mitchell po prostu nie znalazł dla niej żadnego zastosowania. Sam zaczął myśleć o czarnych dziurach, akceptując nauki Newtona o naturze światła. W tamtych czasach wierzono, że składa się z najmniejszych cząstek materialnych, fotonów. Myśląc o ich ruchu, Mitchell zdał sobie sprawę, że zależy on całkowicie od pola grawitacyjnego gwiazdy, z której cząstki rozpoczęły swoją podróż. Naukowiec zastanawiał się, co by się stało z fotonami, gdyby pole grawitacyjne było tak silne, że w ogóle nie emitowałoby żadnego światła. Co ciekawe, za twórcę znanej nam sejsmologii uważa się Mitchella. Pierwszy zasugerował to angielski ksiądz. Trzęsienia ziemi przemieszczają się po powierzchni jak fale.

Czarne gwiazdy nie pochłaniają przestrzeni. Przestrzeń można sobie wyobrazić jako arkusz gumy. Wtedy planety będą pewnego rodzaju kulami, które wywierają na niego nacisk. W rezultacie następuje deformacja i znikają linie proste. Tak pojawia się grawitacja, która wyjaśnia ruch planet wokół gwiazd. Wraz ze wzrostem masy odkształcenie tylko wzrasta. Pojawiają się dodatkowe zaburzenia pola, które determinują siłę przyciągania. Prędkości orbitalne rosną, co oznacza, że ciała poruszają się coraz szybciej wokół obiektu. Na przykład planeta Merkury porusza się wokół Słońca z prędkością 48 km/s, a gwiazdy poruszają się w przestrzeni w pobliżu czarnych dziur 100 razy szybciej! W przypadku silnego oddziaływania grawitacyjnego możliwa jest kolizja satelity z większymi obiektami. A cała ta masa zmierza do środka – do czarnej dziury.

Wszystkie czarne dziury są takie same. Wielu z nas wydaje się, że termin ten należy do zasadniczo identycznych obiektów. Astronomowie doszli jednak do wniosku, że czarne dziury występują w kilku odmianach. Niektóre dziury się obracają, niektóre mają ładunek elektryczny, a jeszcze inne mają obie te cechy. Zwykle takie obiekty pojawiają się poprzez pochłanianie materii, natomiast obracająca się czarna dziura pojawia się, gdy łączą się dwie zwykłe. Ze względu na zwiększone zakłócenia przestrzeni takie formacje zaczynają zużywać znacznie więcej energii. Naładowana czarna dziura zamienia się w jeden ogromny akcelerator cząstek. Klasycznym przykładem obiektu tej klasy jest GRS 1915+105. Ta czarna dziura wiruje z prędkością 950 obrotów na sekundę i znajduje się w odległości 35 tysięcy lat świetlnych od naszej planety.

Gęstość czarnych dziur jest niska. Obiekty te, biorąc pod uwagę ich rozmiar, muszą być bardzo ciężkie, aby wytworzyć siłę przyciągania zatrzymującą w nich światło. Tak więc, jeśli masę Ziemi skompresujemy do gęstości czarnej dziury, otrzymamy kulę o średnicy 9 milimetrów. Ciemny obiekt o masie 4 milionów mas Słońca mógłby zmieścić się pomiędzy Merkurym a naszą gwiazdą. Czarne dziury znajdujące się w centrach galaktyk mogą ważyć 10–30 milionów razy więcej niż Słońce. Tak kolosalna masa w stosunkowo małej objętości oznacza, że czarne dziury mają ogromną gęstość, a procesy zachodzące wewnątrz są bardzo silne.

Czarna dziura jest bardzo cicha. Trudno sobie wyobrazić, aby ogromny ciemny obiekt, wciągający wszystko w siebie, również był hałaśliwy. Tak naprawdę wszystko, co wpada w tę otchłań, porusza się ze stałym przyspieszeniem. W efekcie na granicy czasoprzestrzeni, którą wciąż możemy odczuć dzięki skończonej prędkości światła, cząstki przyspieszają niemal do prędkości światła. Kiedy materia zaczyna poruszać się z ekstremalnymi prędkościami, pojawia się bulgoczący dźwięk. Jest to konsekwencja przemiany energii ruchu w falę dźwiękową. W rezultacie czarna dziura okazuje się bardzo hałaśliwym obiektem. W 2003 roku astronomom pracującym w Obserwatorium Rentgenowskim Chandra udało się wykryć fale dźwiękowe emitowane przez masywną czarną dziurę. Ale znajduje się w odległości 250 milionów lat świetlnych od nas, co po raz kolejny wskazuje na hałaśliwość takich obiektów.

Nic nie może uciec przed przyciąganiem czarnych dziur. To stwierdzenie jest prawdziwe. W końcu, gdy jakieś duże lub małe obiekty znajdą się w pobliżu czarnej dziury, z pewnością zostaną schwytane przez jej pole grawitacyjne. Co więcej, może to być mała cząstka lub planeta, gwiazda, a nawet galaktyka. Jeśli jednak obiekt ten zostanie poddany działaniu siły większej niż grawitacja czarnej dziury, wówczas będzie w stanie uniknąć niewoli śmiertelników. Może to być na przykład rakieta. Jest to jednak możliwe, zanim obiekt dotrze do horyzontu zdarzeń, kiedy światło może jeszcze uciec z niewoli. Po tej granicy nie będzie już możliwości ucieczki z uścisku wszechogarniającego kosmicznego potwora. W końcu, aby uciec za horyzont, trzeba rozwinąć prędkość większą niż prędkość światła. A to jest niemożliwe nawet teoretycznie. Zatem czarne dziury są naprawdę czarne – ponieważ światło nigdy nie może uciec, nie możemy zajrzeć do środka tego tajemniczego obiektu. Naukowcy uważają, że nawet mała czarna dziura rozerwie nieświadomego obserwatora na cząstki, zanim dotrze do horyzontu zdarzeń. Siła grawitacji wzrasta nie tylko w miarę zbliżania się do centrum planety i gwiazdy, ale także w miarę zbliżania się do czarnej dziury. Jeśli polecisz w jego stronę ze stopami do przodu, siła ciężkości w stopach będzie znacznie większa niż w głowie i doprowadzi do natychmiastowego rozerwania ciała.

Czarna dziura nie zmienia czasu.Światło załamuje się wokół horyzontu zdarzeń, ale w końcu przenika i znika w zapomnieniu. Co więc stanie się z zegarem, jeśli wpadnie do czarnej dziury i będzie tam kontynuował swoją pracę? W miarę zbliżania się do horyzontu zdarzeń zaczną zwalniać, aż w końcu się zatrzymają. Takie zatrzymanie czasu wiąże się z jego spowolnieniem grawitacyjnym, co wyjaśnia teoria względności Einsteina. Czarna dziura ma tak silną siłę grawitacji, że może spowolnić czas. Z punktu widzenia zegarka nic się nie zmieni, ale zniknie z pola widzenia, a światło z niego zostanie rozciągnięte przez ciężki przedmiot. Światło zacznie przechodzić w widmo czerwone, jego długość fali wzrośnie. Dzięki temu w końcu stanie się niewidzialny.

Czarna dziura nie wytwarza żadnej energii. Wiadomo, że obiekty te przyciągają całą otaczającą masę. Naukowcy sugerują, że wszystko w środku jest skompresowane tak bardzo, że zmniejsza się nawet przestrzeń między atomami. W rezultacie rodzą się cząstki subatomowe, które mogą wylecieć. Pomagają im w tym linie pola magnetycznego, które przecinają horyzont zdarzeń. W rezultacie uwolnienie takich cząstek generuje energię, a sama metoda okazuje się dość skuteczna. Zamiana masy w energię daje w tym przypadku 50 razy większy zysk niż podczas syntezy jądrowej. Sama czarna dziura wygląda jak ogromny reaktor.

Nie ma związku pomiędzy gwiazdami a liczbą czarnych dziur. Carl Sagan, słynny astrofizyk, powiedział kiedyś, że we Wszechświecie jest więcej gwiazd, niż ziarenek piasku na plażach całego świata. Naukowcy uważają, że liczba ta jest wciąż skończona i wynosi 10 do potęgi 22. Co mają z tym wspólnego czarne dziury? To ich liczba określa liczbę gwiazd. Okazuje się, że strumienie cząstek uwalniane przez czarne obiekty rozszerzają się w bąbelki, które mogą rozprzestrzeniać się w miejscach powstawania gwiazd. Regiony te znajdują się w chmurach gazu, które po ochłodzeniu dają światło. Strumienie cząstek podgrzewają chmury gazu i zapobiegają pojawianiu się nowych gwiazd. W rezultacie istnieje stała równowaga pomiędzy aktywnością czarnych dziur a liczbą gwiazd we Wszechświecie. W końcu, jeśli w galaktyce jest za dużo gwiazd, okaże się, że jest za gorąco i wybuchowo, a życie będzie tam trudne do powstania. Wręcz przeciwnie, niewielka liczba gwiazd również nie pomoże w pojawieniu się życia.

Czarna dziura jest zbudowana z innego materiału niż my. Wielu naukowców uważa, że czarne dziury pomagają w narodzinach nowych pierwiastków. Można to zrozumieć, biorąc pod uwagę podział materii na maleńkie cząstki subatomowe. Uczestniczą następnie w powstawaniu gwiazd, co ostatecznie prowadzi do pojawienia się pierwiastków cięższych od helu. Mówimy o węglu i żelazie, które są niezbędne do pojawienia się planet skalistych. W rezultacie elementy te są częścią wszystkiego, co ma masę, czyli samego człowieka. Jest prawdopodobne, że prawdziwym budowniczym naszego ciała jest jakaś odległa czarna dziura.

W związku ze stosunkowo niedawnym wzrostem zainteresowania tworzeniem filmów popularnonaukowych na temat eksploracji kosmosu, współcześni widzowie słyszeli wiele o takich zjawiskach jak osobliwość, czy czarna dziura. Filmy jednak oczywiście nie oddają pełnej natury tych zjawisk, a czasem nawet dla większego efektu wypaczają konstruowane teorie naukowe. Z tego powodu zrozumienie tych zjawisk przez wielu współczesnych ludzi jest albo całkowicie powierzchowne, albo całkowicie błędne. Jednym z rozwiązań powstałego problemu jest niniejszy artykuł, w którym postaramy się zrozumieć dotychczasowe wyniki badań i odpowiedzieć na pytanie – czym jest czarna dziura?

W 1784 roku angielski ksiądz i przyrodnik John Michell po raz pierwszy wspomniał w liście do Towarzystwa Królewskiego o pewnym hipotetycznym masywnym ciele, które ma tak silne przyciąganie grawitacyjne, że jego druga prędkość ucieczki przekracza prędkość światła. Druga prędkość ucieczki to prędkość, jakiej stosunkowo mały obiekt będzie potrzebował, aby pokonać przyciąganie grawitacyjne ciała niebieskiego i wyjść poza zamkniętą orbitę wokół tego ciała. Według jego obliczeń ciało o gęstości Słońca i promieniu 500 promieni Słońca będzie miało na swojej powierzchni drugą prędkość kosmiczną równą prędkości światła. W tym przypadku nawet światło nie opuści powierzchni takiego ciała, dlatego też ciało to jedynie pochłonie wpadające światło i pozostanie niewidoczne dla obserwatora – rodzaj czarnej plamy na tle ciemnej przestrzeni.

Jednak koncepcja supermasywnego ciała Michella nie wzbudziła większego zainteresowania aż do prac Einsteina. Przypomnijmy, że ten ostatni zdefiniował prędkość światła jako maksymalną prędkość przesyłania informacji. Ponadto Einstein rozszerzył teorię grawitacji do prędkości bliskich prędkości światła (). W rezultacie stosowanie teorii Newtona do czarnych dziur nie było już istotne.

Równanie Einsteina

W wyniku zastosowania ogólnej teorii względności do czarnych dziur i rozwiązania równań Einsteina zidentyfikowano główne parametry czarnej dziury, których są tylko trzy: masa, ładunek elektryczny i moment pędu. Warto zwrócić uwagę na znaczący wkład indyjskiego astrofizyka Subramaniana Chandrasekhara, który stworzył fundamentalną monografię: „Matematyczna teoria czarnych dziur”.

Zatem rozwiązanie równań Einsteina przedstawiono w czterech wariantach dla czterech możliwych typów czarnych dziur:

BH bez rotacji i bez ładowania – rozwiązanie Schwarzschilda. Jeden z pierwszych opisów czarnej dziury (1916) wykorzystujący równania Einsteina, ale bez uwzględnienia dwóch z trzech parametrów ciała. Rozwiązanie niemieckiego fizyka Karla Schwarzschilda pozwala obliczyć zewnętrzne pole grawitacyjne kulistego ciała masywnego. Osobliwością koncepcji czarnych dziur niemieckiego naukowca jest obecność horyzontu zdarzeń i ukrywanie się za nim. Schwarzschild jako pierwszy obliczył także promień grawitacyjny, który otrzymał jego imię, a który określa promień kuli, na której znajdowałby się horyzont zdarzeń dla ciała o danej masie.
BH bez rotacji z wsadem – rozwiązanie Reisnera-Nordströma. Rozwiązanie zaproponowane w latach 1916-1918, uwzględniające możliwy ładunek elektryczny czarnej dziury. Ładunek ten nie może być dowolnie duży i jest ograniczony ze względu na powstałe odpychanie elektryczne. To ostatnie musi być kompensowane przez przyciąganie grawitacyjne.
BH z obrotem i bez ładunku – rozwiązanie Kerra (1963). Obracająca się czarna dziura Kerra różni się od statycznej obecnością tzw. ergosfery (przeczytaj więcej o tym i innych składnikach czarnej dziury).
BH z obrotem i ładowaniem - rozwiązanie Kerra-Newmana. Rozwiązanie to zostało obliczone w 1965 roku i jest obecnie najbardziej kompletne, ponieważ uwzględnia wszystkie trzy parametry czarnej dziury. Jednak nadal zakłada się, że w naturze czarne dziury mają niewielki ładunek.

Tworzenie się czarnej dziury

Istnieje kilka teorii na temat powstawania i pojawiania się czarnej dziury, z których najsłynniejsza głosi, że powstaje ona w wyniku zapadania się grawitacyjnego gwiazdy o wystarczającej masie. Taka kompresja może zakończyć ewolucję gwiazd o masie większej niż trzy masy Słońca. Po zakończeniu reakcji termojądrowych wewnątrz takich gwiazd zaczynają one gwałtownie kompresować się do postaci supergęstej. Jeżeli ciśnienie gazu gwiazdy neutronowej nie jest w stanie zrekompensować sił grawitacyjnych, to znaczy masa gwiazdy pokonuje tzw. granicy Oppenheimera-Volkoffa, po czym zapadanie się kontynuuje, w wyniku czego materia zostaje skompresowana w czarną dziurę.

Drugi scenariusz opisujący narodziny czarnej dziury to kompresja gazu protogalaktycznego, czyli gazu międzygwiazdowego na etapie przemiany w galaktykę lub jakąś gromadę. Jeśli ciśnienie wewnętrzne nie jest wystarczające, aby zrekompensować te same siły grawitacyjne, może powstać czarna dziura.

Dwa inne scenariusze pozostają hipotetyczne:

Pojawienie się czarnej dziury w wyniku tzw pierwotne czarne dziury.
Powstawanie w wyniku reakcji jądrowych zachodzących przy wysokich energiach. Przykładem takich reakcji są eksperymenty przy zderzaczach.

Budowa i fizyka czarnych dziur

Struktura czarnej dziury według Schwarzschilda obejmuje tylko dwa elementy, o których wspomniano wcześniej: osobliwość i horyzont zdarzeń czarnej dziury. Krótko mówiąc o osobliwości, można zauważyć, że nie da się przez nią poprowadzić linii prostej, a także, że większość istniejących teorii fizycznych nie sprawdza się w jej wnętrzu. Zatem fizyka osobliwości pozostaje dziś dla naukowców zagadką. czarna dziura to pewna granica, po przekroczeniu której obiekt fizyczny traci możliwość powrotu poza swoje granice i na pewno „wpadnie” w osobliwość czarnej dziury.

Struktura czarnej dziury staje się nieco bardziej skomplikowana w przypadku rozwiązania Kerra, a mianowicie w obecności rotacji czarnej dziury. Rozwiązanie Kerra zakłada, że dziura ma ergosferę. Ergosfera to pewien obszar położony poza horyzontem zdarzeń, wewnątrz którego wszystkie ciała poruszają się w kierunku obrotu czarnej dziury. Obszar ten nie jest jeszcze ekscytujący i można go opuścić, w przeciwieństwie do horyzontu zdarzeń. Ergosfera jest prawdopodobnie swego rodzaju odpowiednikiem dysku akrecyjnego, reprezentującego wirującą materię wokół masywnych ciał. Jeśli statyczną czarną dziurę Schwarzschilda przedstawimy jako czarną kulę, to czarna dziura Kerry’ego, ze względu na obecność ergosfery, ma kształt spłaszczonej elipsoidy, w postaci której często widzieliśmy czarne dziury na rysunkach, w dawnych czasach filmy lub gry wideo.

Ile waży czarna dziura? – Najbardziej teoretyczny materiał na temat pojawienia się czarnej dziury dostępny jest dla scenariusza jej pojawienia się w wyniku zapadnięcia się gwiazdy. W tym przypadku maksymalną masę gwiazdy neutronowej i minimalną masę czarnej dziury określa granica Oppenheimera - Volkoffa, zgodnie z którą dolna granica masy czarnej dziury wynosi 2,5 - 3 masy Słońca. Najcięższa czarna dziura, jaką odkryto (w galaktyce NGC 4889) ma masę 21 miliardów mas Słońca. Nie powinniśmy jednak zapominać o czarnych dziurach, które hipotetycznie powstają w wyniku reakcji jądrowych przy wysokich energiach, np. w zderzaczach. Masa takich kwantowych czarnych dziur, czyli „czarnych dziur Plancka”, jest rzędu wielkości, a mianowicie 2,10–5 g.
Rozmiar czarnej dziury. Minimalny promień czarnej dziury można obliczyć na podstawie minimalnej masy (2,5 – 3 masy Słońca). Jeżeli promień grawitacyjny Słońca, czyli obszar, na którym znajdowałby się horyzont zdarzeń, wynosi około 2,95 km, to minimalny promień czarnej dziury o masie 3 mas Słońca będzie wynosił około dziewięciu kilometrów. Tak stosunkowo małe rozmiary są trudne do zrozumienia, gdy mówimy o masywnych obiektach, które przyciągają wszystko wokół siebie. Jednak w przypadku kwantowych czarnych dziur promień wynosi 10–35 m.
Średnia gęstość czarnej dziury zależy od dwóch parametrów: masy i promienia. Gęstość czarnej dziury o masie około trzech mas Słońca wynosi około 6 10 26 kg/m3, podczas gdy gęstość wody wynosi 1000 kg/m3. Naukowcy nie odkryli jednak tak małych czarnych dziur. Większość wykrytych czarnych dziur ma masy większe niż 10 5 mas Słońca. Istnieje ciekawy wzór, według którego im masywniejsza czarna dziura, tym mniejsza jest jej gęstość. W tym przypadku zmiana masy o 11 rzędów wielkości pociąga za sobą zmianę gęstości o 22 rzędy wielkości. Zatem czarna dziura o masie 1,10 9 mas Słońca ma gęstość 18,5 kg/m3, czyli o jeden mniej niż gęstość złota. A czarne dziury o masie większej niż 10 10 mas Słońca mogą mieć średnią gęstość mniejszą niż powietrze. Na podstawie tych obliczeń logiczne jest założenie, że powstanie czarnej dziury nie następuje w wyniku kompresji materii, ale w wyniku nagromadzenia dużej ilości materii w określonej objętości. W przypadku kwantowych czarnych dziur ich gęstość może wynosić około 10 94 kg/m3.
Temperatura czarnej dziury zależy również odwrotnie proporcjonalnie do jej masy. Temperatura ta jest bezpośrednio powiązana z. Widmo tego promieniowania pokrywa się ze widmem ciała absolutnie czarnego, czyli ciała, które pochłania całe padające promieniowanie. Widmo promieniowania ciała całkowicie czarnego zależy tylko od jego temperatury, wówczas temperaturę czarnej dziury można określić na podstawie widma promieniowania Hawkinga. Jak wspomniano powyżej, promieniowanie to jest tym silniejsze, im mniejsza jest czarna dziura. Jednocześnie promieniowanie Hawkinga pozostaje hipotetyczne, ponieważ nie zostało jeszcze zaobserwowane przez astronomów. Wynika z tego, że jeśli istnieje promieniowanie Hawkinga, to temperatura obserwowanych czarnych dziur jest na tyle niska, że nie pozwala na wykrycie tego promieniowania. Z obliczeń wynika, że nawet temperatura dziury o masie rzędu masy Słońca jest pomijalnie mała (1,10 -7 K, czyli -272°C). Temperatura kwantowych czarnych dziur może sięgać około 10 12 K, a przy ich szybkim parowaniu (około 1,5 minuty) takie czarne dziury mogą emitować energię około dziesięciu milionów bomb atomowych. Ale na szczęście wytworzenie takich hipotetycznych obiektów wymagałoby energii 10 14 razy większej niż ta osiągana dzisiaj w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Ponadto astronomowie nigdy nie zaobserwowali takich zjawisk.

Z czego składa się czarna dziura?

Kolejne pytanie niepokoi zarówno naukowców, jak i tych, którzy po prostu interesują się astrofizyką - z czego składa się czarna dziura? Nie ma jasnej odpowiedzi na to pytanie, ponieważ nie można patrzeć poza horyzont zdarzeń otaczający jakąkolwiek czarną dziurę. Ponadto, jak wspomniano wcześniej, teoretyczne modele czarnej dziury uwzględniają tylko 3 jej elementy: ergosferę, horyzont zdarzeń i osobliwość. Logiczne jest założenie, że w ergosferze znajdują się tylko te obiekty, które zostały przyciągnięte przez czarną dziurę i które teraz krążą wokół niej – różnego rodzaju ciała kosmiczne i kosmiczny gaz. Horyzont zdarzeń to jedynie cienka, ukryta granica, po przekroczeniu której te same ciała kosmiczne są nieodwracalnie przyciągane w stronę ostatniego głównego składnika czarnej dziury – osobliwości. Natura osobliwości nie jest dziś badana i jest zbyt wcześnie, aby mówić o jej składzie.

Według niektórych założeń czarna dziura może składać się z neutronów. Jeśli podążymy za scenariuszem pojawienia się czarnej dziury w wyniku kompresji gwiazdy do gwiazdy neutronowej z późniejszą jej kompresją, to prawdopodobnie główna część czarnej dziury składa się z neutronów, z których sama gwiazda neutronowa jest opanowany. W prostych słowach: kiedy gwiazda się zapada, jej atomy są ściskane w taki sposób, że elektrony łączą się z protonami, tworząc w ten sposób neutrony. Podobna reakcja faktycznie zachodzi w przyrodzie, a wraz z utworzeniem neutronu następuje promieniowanie neutrinowe. Są to jednak tylko założenia.

Co się stanie, jeśli wpadniesz do czarnej dziury?

Wpadnięcie do astrofizycznej czarnej dziury powoduje rozciąganie ciała. Weźmy pod uwagę hipotetycznego kosmonautę-samobójcę, który udaje się do czarnej dziury ubrany jedynie w skafander kosmiczny, ze stopami do przodu. Przekraczając horyzont zdarzeń, astronauta nie zauważy żadnych zmian, mimo że nie ma już możliwości powrotu. W pewnym momencie astronauta osiągnie punkt (nieco za horyzontem zdarzeń), w którym zacznie następować deformacja jego ciała. Ponieważ pole grawitacyjne czarnej dziury jest nierównomierne i reprezentuje je gradient siły rosnący w kierunku środka, nogi astronauty będą poddane zauważalnie większemu działaniu grawitacji niż np. głowa. Wtedy pod wpływem grawitacji, a raczej sił pływowych, nogi „opadną” szybciej. W ten sposób ciało zaczyna stopniowo się wydłużać. Aby opisać to zjawisko, astrofizycy wymyślili dość twórczy termin – spaghettyfikację. Dalsze rozciąganie ciała prawdopodobnie spowoduje jego rozkład na atomy, które prędzej czy później osiągną osobliwość. Można się tylko domyślać, jak dana osoba będzie się czuć w tej sytuacji. Warto zauważyć, że efekt rozciągania ciała jest odwrotnie proporcjonalny do masy czarnej dziury. Oznacza to, że jeśli czarna dziura o masie trzech Słońc natychmiast rozciągnie/rozerwie ciało, wówczas supermasywna czarna dziura będzie miała mniejsze siły pływowe i istnieją sugestie, że niektóre materiały fizyczne mogłyby „tolerować” takie odkształcenia bez utraty swojej struktury.

Jak wiadomo, czas płynie wolniej w pobliżu masywnych obiektów, co oznacza, że czas dla astronauty-samobójcy będzie płynął znacznie wolniej niż dla Ziemianina. W tym przypadku być może przeżyje nie tylko swoich przyjaciół, ale także samą Ziemię. Aby określić, ile czasu zwolni astronauta, potrzebne będą obliczenia, ale z powyższego można założyć, że astronauta wpadnie do czarnej dziury bardzo powoli i być może po prostu nie dożyje momentu, w którym jego ciało zaczyna się deformować.

Warto zauważyć, że dla obserwatora z zewnątrz wszystkie ciała, które wlecą do horyzontu zdarzeń, pozostaną na krawędzi tego horyzontu, dopóki ich obraz nie zniknie. Przyczyną tego zjawiska jest grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni. W pewnym uproszczeniu można powiedzieć, że światło padające na ciało kosmonauty-samobójcy „zamrożone” na horyzoncie zdarzeń będzie zmieniać swoją częstotliwość ze względu na spowolniony czas. W miarę wolniejszego upływu czasu częstotliwość światła będzie się zmniejszać, a długość fali wzrastać. W wyniku tego zjawiska na wyjściu, czyli dla obserwatora zewnętrznego, światło będzie stopniowo przesuwać się w stronę niskiej częstotliwości – czerwonej. Nastąpi przesunięcie światła wzdłuż widma, w miarę jak kosmonauta-samobójca będzie coraz bardziej, choć prawie niezauważalnie, oddalał się od obserwatora, a jego czas będzie płynął coraz wolniej. Tym samym światło odbite od jego ciała wkrótce wyjdzie poza widmo widzialne (obraz zniknie), a w przyszłości ciało astronauty będzie można wykryć jedynie w zakresie promieniowania podczerwonego, później radiowego, a w efekcie promieniowanie będzie całkowicie nieuchwytne.

Pomimo tego zakłada się, że w bardzo dużych supermasywnych czarnych dziurach siły pływowe nie zmieniają się tak bardzo wraz z odległością i działają niemal równomiernie na spadające ciało. W takim przypadku spadający statek kosmiczny zachowałby swoją konstrukcję. Powstaje rozsądne pytanie: dokąd prowadzi czarna dziura? Odpowiedź na to pytanie można znaleźć w pracach niektórych naukowców, łączących dwa zjawiska, takie jak tunele czasoprzestrzenne i czarne dziury.

Już w 1935 roku Albert Einstein i Nathan Rosen wysunęli hipotezę o istnieniu tzw. tuneli czasoprzestrzennych, łączących dwa punkty czasoprzestrzeni poprzez miejsca znacznego zakrzywienia tej ostatniej – most lub tunel czasoprzestrzenny Einsteina-Rosena. Do tak potężnego zakrzywienia przestrzeni potrzebne byłyby ciała o gigantycznej masie, których rolę doskonale spełniałyby czarne dziury.

Most Einsteina-Rosena jest uważany za nieprzejezdny tunel czasoprzestrzenny, ponieważ jest mały i niestabilny.

W ramach teorii czarnych i białych dziur możliwy jest tunel czasoprzestrzenny, przez który można przejść. Gdzie biała dziura jest wyjściem informacji uwięzionej w czarnej dziurze. Biała dziura jest opisana w ramach ogólnej teorii względności, ale dziś pozostaje hipotetyczna i nie została odkryta. Inny model tunelu czasoprzestrzennego zaproponowali amerykańscy naukowcy Kip Thorne i jego absolwent Mike Morris, który może być przejezdny. Jednak zarówno w przypadku tunelu czasoprzestrzennego Morrisa-Thorne'a, jak i w przypadku czarnych i białych dziur możliwość podróżowania wymaga istnienia tzw. materii egzotycznej, która ma energię ujemną i również pozostaje hipotetyczna.

Czarne dziury we wszechświecie

Istnienie czarnych dziur potwierdzono stosunkowo niedawno (wrzesień 2015), jednak już wcześniej istniało mnóstwo materiału teoretycznego na temat natury czarnych dziur, a także wiele obiektów kandydujących do roli czarnej dziury. Przede wszystkim należy wziąć pod uwagę wielkość czarnej dziury, ponieważ od nich zależy sama natura zjawiska:

Czarna dziura o masie gwiazdowej. Takie obiekty powstają w wyniku zapadnięcia się gwiazdy. Jak wspomniano wcześniej, minimalna masa ciała zdolnego do uformowania takiej czarnej dziury wynosi 2,5 - 3 masy Słońca.
Czarne dziury o masie pośredniej. Warunkowy pośredni typ czarnej dziury, który urósł w wyniku absorpcji pobliskich obiektów, takich jak gromada gazu, sąsiednia gwiazda (w układach dwóch gwiazd) i inne ciała kosmiczne.
Wielka czarna dziura. Zwarte obiekty o masie 10 5 -10 10 mas Słońca. Cechami charakterystycznymi takich czarnych dziur jest ich paradoksalnie mała gęstość, a także słabe siły pływowe, o których wspominaliśmy wcześniej. To jest dokładnie supermasywna czarna dziura w centrum naszej galaktyki Drogi Mlecznej (Sagittarius A*, Sgr A*), a także większości innych galaktyk.

Kandydaci do ChD

Najbliższa czarna dziura, a właściwie kandydatka do roli czarnej dziury, to obiekt (V616 Monoceros), który znajduje się w odległości 3000 lat świetlnych od Słońca (w naszej galaktyce). Składa się z dwóch elementów: gwiazdy o masie połowy masy Słońca oraz niewidzialnego małego ciała o masie 3–5 mas Słońca. Jeśli obiekt ten okaże się małą czarną dziurą o masie gwiazdowej, wówczas słusznie stanie się najbliższą czarną dziurą.

Po tym obiekcie drugą najbliższą czarną dziurą jest obiekt Cygnus X-1 (Cyg X-1), który był pierwszym kandydatem do roli czarnej dziury. Odległość do niej wynosi około 6070 lat świetlnych. Całkiem dobrze zbadana: ma masę 14,8 mas Słońca i promień horyzontu zdarzeń około 26 km.

Według niektórych źródeł kolejnym najbliższym kandydatem do roli czarnej dziury może być ciało w układzie gwiazd V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), które według szacunków z 1999 roku znajdowało się w odległości 1600 lat świetlnych. Jednak kolejne badania zwiększyły tę odległość co najmniej 15-krotnie.

Ile czarnych dziur jest w naszej galaktyce?

Nie ma dokładnej odpowiedzi na to pytanie, ponieważ ich obserwacja jest dość trudna, a przez cały okres badania nieba naukowcom udało się odkryć w Drodze Mlecznej kilkanaście czarnych dziur. Nie oddając się kalkulacjom, zauważamy, że w naszej galaktyce jest około 100–400 miliardów gwiazd, a mniej więcej co tysięczna gwiazda ma wystarczającą masę, aby utworzyć czarną dziurę. Jest prawdopodobne, że podczas istnienia Drogi Mlecznej mogły powstać miliony czarnych dziur. Ponieważ łatwiej jest wykryć czarne dziury o ogromnych rozmiarach, logiczne jest założenie, że najprawdopodobniej większość czarnych dziur w naszej galaktyce nie jest supermasywna. Warto zauważyć, że badania NASA z 2005 roku sugerują obecność całego roju czarnych dziur (10-20 tys.) krążącego wokół centrum galaktyki. Ponadto w 2016 roku japońscy astrofizycy odkryli w pobliżu obiektu* masywnego satelitę - czarną dziurę, jądro Drogi Mlecznej. Ze względu na mały promień (0,15 roku świetlnego) tego ciała, a także jego ogromną masę (100 000 mas Słońca), naukowcy zakładają, że obiekt ten jest również supermasywną czarną dziurą.

Jądro naszej galaktyki, czarna dziura Drogi Mlecznej (Sagittarius A*, Sgr A* lub Sagittarius A*) jest supermasywne i ma masę 4,31 10 6 mas Słońca oraz promień 0,00071 lat świetlnych (6,25 godzin świetlnych) lub 6,75 miliarda km). Temperatura Strzelca A* wraz z otaczającą go gromadą wynosi około 1,10 7 K.

Największa czarna dziura

Największą czarną dziurą we Wszechświecie odkrytą przez naukowców jest supermasywna czarna dziura, FSRQ blazar, znajdująca się w centrum galaktyki S5 0014+81, w odległości 1,2 10 10 lat świetlnych od Ziemi. Według wstępnych wyników obserwacji z wykorzystaniem obserwatorium kosmicznego Swift masa czarnej dziury wynosiła 40 miliardów (40,10 9) mas Słońca, a promień Schwarzschilda takiej dziury wynosił 118,35 miliarda kilometrów (0,013 lat świetlnych). Ponadto, według obliczeń, powstał 12,1 miliarda lat temu (1,6 miliarda lat po Wielkim Wybuchu). Jeśli ta gigantyczna czarna dziura nie pochłonie otaczającej ją materii, dożyje ery czarnych dziur – jednej z epok rozwoju Wszechświata, podczas której będą w niej dominować czarne dziury. Jeśli jądro galaktyki S5 0014+81 będzie nadal rosło, stanie się jedną z ostatnich czarnych dziur, jakie będą istnieć we Wszechświecie.

Pozostałe dwie znane czarne dziury, choć nie mają własnych nazw, mają największe znaczenie dla badania czarnych dziur, ponieważ potwierdziły swoje istnienie eksperymentalnie, a także dostarczyły ważnych wyników do badania grawitacji. Mówimy o zdarzeniu GW150914, czyli zderzeniu dwóch czarnych dziur w jedną. To wydarzenie umożliwiło rejestrację.

Wykrywanie czarnych dziur

Zanim zastanowimy się nad metodami wykrywania czarnych dziur, powinniśmy odpowiedzieć sobie na pytanie – dlaczego czarna dziura jest czarna? – odpowiedź na to pytanie nie wymaga głębokiej wiedzy z astrofizyki i kosmologii. Faktem jest, że czarna dziura pochłania całe padające na nią promieniowanie i w ogóle nie emituje, jeśli nie weźmie się pod uwagę hipotetycznego. Jeśli przyjrzymy się temu zjawisku bardziej szczegółowo, możemy założyć, że wewnątrz czarnych dziur nie zachodzą procesy prowadzące do uwolnienia energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Następnie, jeśli czarna dziura emituje, dzieje się to w widmie Hawkinga (które pokrywa się z widmem nagrzanego, całkowicie czarnego ciała). Jednak jak wspomniano wcześniej, promieniowania tego nie wykryto, co sugeruje, że temperatura czarnych dziur jest zupełnie niska.

Inna ogólnie przyjęta teoria mówi, że promieniowanie elektromagnetyczne w ogóle nie jest w stanie opuścić horyzontu zdarzeń. Najprawdopodobniej fotony (cząstki światła) nie są przyciągane przez masywne obiekty, ponieważ zgodnie z teorią same w sobie nie mają masy. Jednak czarna dziura nadal „przyciąga” fotony światła poprzez zniekształcenie czasoprzestrzeni. Jeśli wyobrazimy sobie czarną dziurę w przestrzeni jako rodzaj zagłębienia na gładkiej powierzchni czasoprzestrzeni, to istnieje pewna odległość od środka czarnej dziury, do której światło nie będzie już w stanie się od niej oddalić. Oznacza to, że z grubsza rzecz biorąc, światło zaczyna „wpadać” do „dziury”, która nie ma nawet „dna”.

Ponadto, jeśli weźmiemy pod uwagę efekt grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni, możliwe jest, że światło w czarnej dziurze traci swoją częstotliwość, przesuwając się wzdłuż widma w obszar promieniowania długofalowego o niskiej częstotliwości, aż do całkowitej utraty energii.

Zatem czarna dziura ma czarny kolor i dlatego jest trudna do wykrycia w kosmosie.

Metody wykrywania

Przyjrzyjmy się metodom stosowanym przez astronomów do wykrywania czarnej dziury:

Oprócz metod wymienionych powyżej naukowcy często łączą obiekty takie jak czarne dziury i. Kwazary to pewne skupiska ciał kosmicznych i gazu, które należą do najjaśniejszych obiektów astronomicznych we Wszechświecie. Ponieważ charakteryzują się one dużą intensywnością luminescencji przy stosunkowo małych rozmiarach, można przypuszczać, że centrum tych obiektów to supermasywna czarna dziura przyciągająca otaczającą materię. W wyniku tak silnego przyciągania grawitacyjnego przyciągana materia jest tak podgrzewana, że intensywnie promieniuje. Odkrycie takich obiektów jest zwykle porównywane z odkryciem czarnej dziury. Czasami kwazary mogą emitować strumienie rozgrzanej plazmy w dwóch kierunkach - dżety relatywistyczne. Przyczyny pojawienia się takich dżetów nie są do końca jasne, ale prawdopodobnie są one spowodowane interakcją pól magnetycznych czarnej dziury i dysku akrecyjnego i nie są emitowane przez bezpośrednią czarną dziurę.

Dżet w galaktyce M87 strzelający ze środka czarnej dziury

Podsumowując powyższe, można sobie wyobrazić z bliska: jest to kulisty czarny obiekt, wokół którego obraca się silnie nagrzana materia, tworząc świetlisty dysk akrecyjny.

Łączenie i zderzanie czarnych dziur

Jednym z najciekawszych zjawisk w astrofizyce jest zderzenie czarnych dziur, które umożliwia także wykrywanie tak masywnych ciał astronomicznych. Procesy takie interesują nie tylko astrofizyków, gdyż w ich wyniku powstają zjawiska słabo zbadane przez fizyków. Najbardziej uderzającym przykładem jest wspomniane wcześniej wydarzenie o nazwie GW150914, kiedy dwie czarne dziury zbliżyły się tak blisko, że w wyniku wzajemnego przyciągania grawitacyjnego połączyły się w jedną. Ważną konsekwencją tego zderzenia było pojawienie się fal grawitacyjnych.

Zgodnie z definicją fale grawitacyjne to zmiany pola grawitacyjnego, które rozchodzą się w sposób przypominający falę od masywnych poruszających się obiektów. Kiedy dwa takie obiekty zbliżają się do siebie, zaczynają obracać się wokół wspólnego środka ciężkości. W miarę jak się zbliżają, ich obrót wokół własnej osi wzrasta. Takie naprzemienne oscylacje pola grawitacyjnego mogą w pewnym momencie utworzyć jedną potężną falę grawitacyjną, która może rozprzestrzeniać się w przestrzeni przez miliony lat świetlnych. Tym samym w odległości 1,3 miliarda lat świetlnych zderzyły się dwie czarne dziury, generując potężną falę grawitacyjną, która dotarła do Ziemi 14 września 2015 roku i została zarejestrowana przez detektory LIGO i VIRGO.

Jak umierają czarne dziury?

Oczywiście, aby czarna dziura przestała istnieć, musiałaby stracić całą swoją masę. Jednak zgodnie z definicją nic nie może opuścić czarnej dziury, jeśli przekroczyła ona swój horyzont zdarzeń. Wiadomo, że o możliwości emisji cząstek z czarnej dziury po raz pierwszy wspomniał radziecki fizyk teoretyczny Władimir Gribow w rozmowie z innym sowieckim naukowcem Jakowem Zeldowiczem. Twierdził, że z punktu widzenia mechaniki kwantowej czarna dziura jest zdolna do emitowania cząstek poprzez efekt tunelowania. Później, wykorzystując mechanikę kwantową, angielski fizyk teoretyczny Stephen Hawking zbudował własną, nieco odmienną teorię. Możesz przeczytać więcej o tym zjawisku. Krótko mówiąc, w próżni znajdują się tzw. cząstki wirtualne, które nieustannie rodzą się parami i unicestwiają się nawzajem, nie oddziałując ze światem zewnętrznym. Jeśli jednak takie pary pojawią się na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury, wówczas hipotetycznie silna grawitacja jest w stanie je rozdzielić, przy czym jedna cząstka wpada do czarnej dziury, a druga oddala się od czarnej dziury. A skoro można zaobserwować cząstkę odlatującą z dziury i dlatego ma ona energię dodatnią, to cząstka wpadająca do dziury musi mieć energię ujemną. W ten sposób czarna dziura straci swoją energię i nastąpi efekt zwany parowaniem czarnej dziury.

Zgodnie z istniejącymi modelami czarnej dziury, jak wspomniano wcześniej, wraz ze spadkiem jej masy jej promieniowanie staje się intensywniejsze. Następnie, w końcowej fazie istnienia czarnej dziury, kiedy może ona skurczyć się do rozmiarów czarnej dziury kwantowej, wyzwoli ogromną ilość energii w postaci promieniowania, która może być równoważna tysiącom, a nawet milionom energii atomowej bomby. To wydarzenie przypomina nieco eksplozję czarnej dziury, jak tej samej bomby. Według obliczeń pierwotne czarne dziury mogły powstać w wyniku Wielkiego Wybuchu, a te z nich o masie około 10–12 kg wyparowałyby i eksplodowały mniej więcej w naszych czasach. Tak czy inaczej, astronomowie nigdy nie zauważyli takich eksplozji.

Pomimo zaproponowanego przez Hawkinga mechanizmu niszczenia czarnych dziur, właściwości promieniowania Hawkinga powodują paradoks w ramach mechaniki kwantowej. Jeśli czarna dziura pochłonie określone ciało, a następnie utraci masę powstałą w wyniku wchłonięcia tego ciała, to niezależnie od charakteru ciała, czarna dziura nie będzie się różnić od tego, czym była przed wchłonięciem ciała. W takim przypadku informacje o ciele zostają utracone na zawsze. Z punktu widzenia obliczeń teoretycznych przemiana początkowego stanu czystego w powstały stan mieszany („termiczny”) nie odpowiada aktualnej teorii mechaniki kwantowej. Paradoks ten nazywany jest czasami znikaniem informacji w czarnej dziurze. Nigdy nie znaleziono ostatecznego rozwiązania tego paradoksu. Znane rozwiązania paradoksu:

Nieważność teorii Hawkinga. Pociąga to za sobą niemożność zniszczenia czarnej dziury i jej ciągłego wzrostu.
Obecność białych dziur. W tym przypadku wchłonięta informacja nie znika, ale jest po prostu wrzucana do innego Wszechświata.
Niespójność ogólnie przyjętej teorii mechaniki kwantowej.

Nierozwiązany problem fizyki czarnych dziur

Sądząc po wszystkim, co opisano wcześniej, czarne dziury, choć badane są od stosunkowo długiego czasu, nadal posiadają wiele cech, których mechanizmy są wciąż nieznane naukowcom.

W 1970 roku angielski naukowiec sformułował tzw. „zasada kosmicznej cenzury” – „Natura nie znosi nagiej osobliwości”. Oznacza to, że osobliwości powstają tylko w ukrytych miejscach, np. w centrum czarnej dziury. Jednak zasada ta nie została jeszcze udowodniona. Istnieją także teoretyczne obliczenia, według których może powstać „naga osobliwość”.
Nie udowodniono również „twierdzenia o braku włosów”, zgodnie z którym czarne dziury mają tylko trzy parametry.
Nie opracowano pełnej teorii magnetosfery czarnej dziury.
Natura i fizyka osobliwości grawitacyjnej nie zostały zbadane.
Nie wiadomo na pewno, co dzieje się w końcowej fazie istnienia czarnej dziury i co pozostaje po jej rozpadzie kwantowym.

Interesujące fakty na temat czarnych dziur

Podsumowując powyższe, możemy wyróżnić kilka interesujących i niezwykłych cech natury czarnych dziur:

BH mają tylko trzy parametry: masę, ładunek elektryczny i moment pędu. Ze względu na tak małą liczbę cech tego ciała, stwierdzające to twierdzenie nazywa się „twierdzeniem o braku włosów”. Stąd też wzięło się powiedzenie „czarna dziura nie ma włosa”, co oznacza, że dwie czarne dziury są absolutnie identyczne, a ich trzy wymienione parametry są takie same.
Gęstość czarnej dziury może być mniejsza niż gęstość powietrza, a temperatura jest bliska zera absolutnego. Na tej podstawie możemy założyć, że powstawanie czarnej dziury nie następuje w wyniku kompresji materii, ale w wyniku nagromadzenia dużej ilości materii w określonej objętości.
Czas płynie znacznie wolniej w przypadku ciał pochłoniętych przez czarną dziurę niż w przypadku zewnętrznego obserwatora. Ponadto zaabsorbowane ciała znacznie się rozciągają wewnątrz czarnej dziury, co naukowcy nazywają spaghettyfikacją.
W naszej galaktyce może znajdować się około miliona czarnych dziur.
Prawdopodobnie w centrum każdej galaktyki znajduje się supermasywna czarna dziura.
W przyszłości, zgodnie z modelem teoretycznym, Wszechświat osiągnie tzw. erę czarnych dziur, kiedy to czarne dziury staną się ciałami dominującymi we Wszechświecie.

Pod koniec 1967 r. i po raz pierwszy użyty w wykładzie publicznym „Nasz wszechświat: znane i nieznane” 29 grudnia 1967 r. Wcześniej takie obiekty astrofizyczne nazywano „gwiazdami zapadniętymi” lub „kolapsarami” (z angielskiego. zapadnięte gwiazdy), a także „zamrożone gwiazdy” (ang. zamarznięte gwiazdy).

Pytanie o realne istnienie czarnych dziur w rozumieniu podanej powyżej definicji w dużej mierze wiąże się z poprawnością teorii grawitacji, z której wynika istnienie takich obiektów. We współczesnej fizyce standardową teorią grawitacji, najlepiej potwierdzoną eksperymentalnie, jest Ogólna Teoria Względności (GTR), chociaż istnienie czarnych dziur możliwe jest także w ramach innych (nie wszystkich) teoretycznych modeli grawitacji (patrz: Teorie grawitacji). Dlatego dane obserwacyjne analizuje się i interpretuje przede wszystkim w ich kontekście, chociaż ściśle rzecz biorąc, teoria ta nie jest potwierdzona eksperymentalnie dla warunków odpowiadających obszarowi czasoprzestrzeni w bezpośrednim sąsiedztwie czarnej dziury. Dlatego twierdzenia o bezpośrednich dowodach na istnienie czarnych dziur, zawarte w poniższym artykule, należy ściśle rzecz biorąc rozumieć w sensie potwierdzenia istnienia obiektów tak gęstych i masywnych, a także posiadających jakieś inne obserwowalne właściwości, że można je interpretować jako ogólną teorię względności dotyczącą czarnych dziur.

Ponadto czarne dziury są często nazywane obiektami, które nie odpowiadają ściśle podanej powyżej definicji, a jedynie zbliżają się swoimi właściwościami do takiej czarnej dziury z ogólnej teorii względności, na przykład zapadających się gwiazd w późnych stadiach zapadania się. We współczesnej astrofizyce tej różnicy nie przywiązuje się większego znaczenia, ponieważ obserwacyjne objawy „prawie zapadniętej” („zamarzniętej”) gwiazdy i „prawdziwej” czarnej dziury są prawie takie same.

Historia pomysłów na temat czarnych dziur

W historii pomysłów na temat czarnych dziur wyróżnia się trzy okresy:

Początek pierwszego okresu wiąże się z opublikowaną w 1784 r. pracą Johna Michella, która nakreśliła obliczenia masy obiektu niedostępnego obserwacyjnie.
Drugi okres wiąże się z rozwojem ogólnej teorii względności, której stacjonarne rozwiązanie równań uzyskał Karl Schwarzschild w 1915 roku.
Publikacja w 1975 roku pracy Stephena Hawkinga, w której zaproponował on ideę promieniowania z czarnych dziur, rozpoczyna okres trzeci. Granica między drugim a trzecim okresem jest raczej dowolna, ponieważ nie od razu stały się jasne wszystkie konsekwencje odkrycia Hawkinga, którego badanie wciąż trwa.

„Czarna Gwiazda” Michella

„Czarna dziura” Michella

W polu grawitacyjnym Newtona dla cząstek w spoczynku w nieskończoności, z uwzględnieniem zasady zachowania energii:

Niech promień grawitacyjny będzie odległością od grawitującej masy, przy której prędkość cząstki staje się równa prędkości światła. Następnie .

Koncepcja masywnego ciała, którego przyciąganie grawitacyjne jest tak duże, że prędkość konieczna do pokonania tego przyciągania (druga prędkość ucieczki) jest równa lub większa od prędkości światła, została po raz pierwszy zaproponowana w 1784 r. przez Johna Michella w liście wysłanym do Towarzystwo Królewskie. W liście zawarta była kalkulacja, z której wynikało, że dla ciała o promieniu 500 promieni Słońca i gęstości Słońca druga prędkość ucieczki na jego powierzchni będzie równa prędkości światła. Tym samym światło nie będzie mogło opuścić tego ciała i będzie niewidzialne. Michell zasugerował, że w kosmosie może znajdować się wiele takich niedostępnych obiektów. W 1796 roku Laplace umieścił dyskusję na temat tej idei w swojej Exposition du Systeme du Monde, ale sekcja ta została pominięta w kolejnych wydaniach.

Po Laplace'u, przed Schwarzschildem

Przez cały XIX wiek idea ciał niewidzialnych ze względu na swoją masywność nie cieszyła się dużym zainteresowaniem naukowców. Wynikało to z faktu, że w ramach fizyki klasycznej prędkość światła nie ma zasadniczego znaczenia. Jednak już na przełomie XIX i XX w. ustalono, że sformułowane przez J. Maxwella prawa elektrodynamiki z jednej strony są spełnione we wszystkich inercjalnych układach odniesienia, a z drugiej strony nie nie mają niezmienności w przypadku transformacji Galileusza. Oznaczało to, że dominujące w fizyce koncepcje dotyczące natury przejścia z jednego inercjalnego układu odniesienia do drugiego wymagały znacznych dostosowań.

W toku dalszego rozwoju elektrodynamiki G. Lorentz zaproponował nowy układ transformacji współrzędnych czasoprzestrzennych (znany dziś jako transformacje Lorentza), względem którego równania Maxwella pozostały niezmiennicze. Rozwijając koncepcje Lorentza, A. Poincaré założył, że wszystkie inne prawa fizyczne są również niezmienne w odniesieniu do tych przekształceń.

Zakrzywienie przestrzeni

Przestrzenie (pseudo)riemanna to przestrzenie, które w małych skalach zachowują się „prawie” jak zwykłe przestrzenie (pseudo)euklidesowe. Zatem na małych obszarach kuli twierdzenie Pitagorasa i inne fakty geometrii euklidesowej są spełnione z bardzo dużą dokładnością. Kiedyś ta okoliczność umożliwiła skonstruowanie geometrii euklidesowej na podstawie obserwacji powierzchni Ziemi (która w rzeczywistości nie jest płaska, ale zbliżona do kulistej). Ta sama okoliczność przesądziła także o wyborze przestrzeni pseudo-riemanna (a nie żadnej innej) jako głównego przedmiotu rozważań w Ogólnej Teorii Względności: właściwości małych odcinków czasoprzestrzeni nie powinny zbytnio różnić się od tych znanych ze Szczególnej Teorii Względności.

Jednak w dużych skalach przestrzenie riemannowskie mogą bardzo różnić się od przestrzeni euklidesowych. Jedną z głównych cech takiej różnicy jest koncepcja krzywizny. Jej istota jest następująca: Przestrzenie euklidesowe mają własność absolutna równoległość: wektor X", uzyskany w wyniku równoległego przesunięcia wektora X wzdłuż dowolnej zamkniętej ścieżki pokrywa się z wektorem oryginalnym X. W przypadku przestrzeni riemannowskich nie zawsze tak jest, co można łatwo wykazać na poniższym przykładzie. Załóżmy, że obserwator stał na przecięciu równika z południkiem zerowym, zwrócony na wschód i zaczął poruszać się wzdłuż równika. Osiągnąwszy punkt o długości geograficznej 180°, zmienił kierunek ruchu i zaczął poruszać się wzdłuż południka na północ, nie zmieniając kierunku wzroku (to znaczy teraz po drodze patrzy w prawo) . Kiedy w ten sposób przekroczy biegun północny i powróci do punktu wyjścia, znajdzie się zwrócony twarzą na zachód (a nie na wschód, jak pierwotnie). Inaczej mówiąc, wektor, przesyłany równolegle wzdłuż trasy obserwatora, „przewijał się” względem wektora pierwotnego. Cechą charakterystyczną wielkości takiego „przewijania” jest krzywizna.

Rozwiązania równań Einsteina dla czarnych dziur

Rozwiązania stacjonarne dla czarnych dziur w ramach ogólnej teorii względności charakteryzują się trzema parametrami: masą ( M), moment pędu ( L) i ładunek elektryczny ( Q), na które składają się odpowiednie cechy ciał i promieniowania, które na nie wpadło. Każda czarna dziura ma tendencję do stania się stacjonarną przy braku wpływów zewnętrznych, co zostało udowodnione wysiłkami wielu fizyków teoretyków, z których na szczególnie godny uwagi jest wkład laureata Nagrody Nobla Subramaniana Chandrasekhara, który napisał monografię „Matematyczna teoria czarnych dziur” , fundamentalne dla tego kierunku.

Rozwiązania równań Einsteina dla czarnych dziur o odpowiednich charakterystykach:

Rozwiązanie problemu wirującej czarnej dziury jest niezwykle trudne. Co ciekawe, najbardziej złożony typ rozwiązania Kerr „odgadł” na podstawie „względów fizycznych”. Pierwszego spójnego wyprowadzenia rozwiązania Kerra dokonał po raz pierwszy ponad piętnaście lat później S. Chandrasekhar. Uważa się, że rozwiązanie Kerra ma ogromne znaczenie dla astrofizyki, ponieważ naładowane czarne dziury powinny szybko tracić ładunek, przyciągając i pochłaniając przeciwnie naładowane jony i pył z kosmosu. Istnieje również teoria łącząca rozbłyski gamma z procesem wybuchowej neutralizacji naładowanych czarnych dziur poprzez narodziny par elektron-pozyton z próżni i spadek jednej z cząstek na dziurę, a drugiej zmierzającej do nieskończoności (R Ruffini i współpracownicy).

Rozwiązanie Schwarzschilda

Obiekty, których rozmiar jest najbliższy promieniowi Schwarzschilda, ale które nie są jeszcze czarnymi dziurami, to gwiazdy neutronowe.

Pojęcie „średniej gęstości” czarnej dziury można wprowadzić, dzieląc jej masę przez objętość zawartą pod horyzontem zdarzeń:

Średnia gęstość maleje wraz ze wzrostem masy czarnej dziury. Jeśli więc czarna dziura o masie rzędu Słońca ma gęstość większą od gęstości jądrowej, to supermasywna czarna dziura o masie 10 9 mas Słońca (istnienie takich czarnych dziur podejrzewa się w kwazarach) ma średnia gęstość rzędu 20 kg/m3, czyli znacznie mniej niż gęstość wody !

Zatem czarną dziurę można uzyskać nie tylko poprzez kompresję istniejącej objętości materii, ale także w sposób ekstensywny, gromadząc ogromną ilość materii.

Aby dokładnie opisać prawdziwe czarne dziury, należy wziąć pod uwagę poprawki kwantowe, a także obecność momentu pędu. W pobliżu horyzontu zdarzeń efekty kwantowe związane z polami materialnymi (elektromagnetycznymi, neutrinami itp.) są silne. Biorąc to pod uwagę, teorię (czyli ogólną teorię względności, w której prawa strona równań Einsteina jest średnią ze stanu kwantowego tensora energii i pędu) nazywa się zwykle „grawitacją półklasyczną”.

Rozwiązanie Reissnera-Nordströma

Jest to statyczne rozwiązanie równań Einsteina dla sferycznie symetrycznej czarnej dziury z ładunkiem, ale bez rotacji.

Metryka czarnej dziury Reissnera-Nordströma:

C− prędkość światła, m/s, T− współrzędna czasu (czas mierzony na nieskończenie odległym zegarze), w sekundach, R− współrzędna promieniowa (długość „równika” podzielona przez 2π), w metrach, θ − szerokość geograficzna (kąt od północy), w radianach, − długość geograficzna w radianach, R S− Promień Schwarzschilda (w metrach) ciała o masie M , R Q− skala długości (w metrach) odpowiadająca ładunkowi elektrycznemu Q(analog promienia Schwarzschilda, tylko nie dla masy, ale dla ładunku) zdefiniowany jako

gdzie jest stała Coulomba.

Parametry czarnej dziury nie mogą być dowolne. Maksymalny ładunek, jaki może mieć czarna dziura Reissnera-Nordströma, wynosi , gdzie mi- ładunek elektronowy. Jest to szczególny przypadek ograniczenia Kerra-Newmana dla czarnej dziury o zerowym momencie pędu ( J= 0, czyli bez rotacji).

Należy jednak zaznaczyć, że w realistycznych sytuacjach (patrz: Zasada kosmicznej cenzury) czarnych dziur nie należy ładować w znaczącym stopniu.

Rozwiązanie Kerra

Czarna dziura Kerra ma wiele niezwykłych właściwości. Wokół horyzontu zdarzeń znajduje się obszar zwany ergosferą, wewnątrz którego stosunkowo odlegli obserwatorzy nie mogą odpocząć, a jedynie obracać się wokół czarnej dziury zgodnie z kierunkiem jej obrotu. Efekt ten nazywany jest „przeciąganiem inercjalnego układu odniesienia” (ang. przeciąganie ramek) i jest obserwowany wokół dowolnego wirującego masywnego ciała, takiego jak Ziemia lub Słońce, ale w dużo w mniejszym stopniu. Jednak samą ergosferę nadal można pozostawić, ten obszar nie jest ekscytujący. Wymiary ergosfery zależą od momentu pędu obrotu.

Parametry czarnej dziury nie mogą być dowolne (patrz: Zasada kosmicznej cenzury). Na J MAX = M 2 metryka nazywa się rozwiązaniem granicznym Kerra. Jest to szczególny przypadek ograniczenia Kerra-Newmana dla czarnej dziury o zerowym ładunku ( Q = 0 ).

To i inne rozwiązania związane z czarnymi dziurami dają początek niesamowitej geometrii czasoprzestrzeni. Wymagana jest jednak analiza stabilności odpowiedniej konfiguracji, która może zostać zakłócona w wyniku interakcji z polami kwantowymi i innymi efektami.

W przypadku czasoprzestrzeni Kerra analizę tę przeprowadził Subramanian Chandrasekhar i stwierdzono, że czarna dziura Kerra – jej zewnętrzny obszar – jest stabilna. Podobnie, jako przypadki szczególne, stabilne okazały się dziury Schwarzschilda i Reissnera-Nordströma. Jednak analiza czasoprzestrzeni Kerra-Newmana nie została jeszcze przeprowadzona ze względu na duże trudności matematyczne.

Rozwiązanie Kerra-Newmana

Najbardziej ogólnym rozwiązaniem odpowiadającym końcowemu stanowi równowagi czarnej dziury jest trójparametrowa rodzina Kerra-Newmana. We współrzędnych Boyera-Lindquista metryka Kerra-Newmana jest wyrażona wzorem:

Z tego prostego wzoru łatwo wynika, że horyzont zdarzeń leży na promieniu: .

Dlatego parametry czarnej dziury nie mogą być dowolne. Ładunek elektryczny i moment pędu nie mogą być większe niż wartości odpowiadające zanikowi horyzontu zdarzeń. Należy spełnić następujące ograniczenia:

- Ten Wiązanie Kerra-Newmana.

Jeśli te ograniczenia zostaną naruszone, horyzont zdarzeń zniknie, a rozwiązanie zamiast czarnej dziury będzie opisywało tzw. „nagą” osobliwość, ale takie obiekty, zgodnie z powszechnym przekonaniem, nie powinny istnieć w prawdziwym wszechświecie. (patrz: Zasada kosmicznej cenzury, ale nie została jeszcze udowodniona).

Metrykę Kerra-Newmana można analitycznie rozszerzyć, aby połączyć nieskończenie wiele „niezależnych” przestrzeni w czarnej dziurze. Mogą to być zarówno „inne” Wszechświaty, jak i odległe części naszego Wszechświata. W powstałych przestrzeniach tworzą się zamknięte krzywe czasowe: podróżnik może w zasadzie wejść w swoją przeszłość, czyli spotkać się z samym sobą. Wokół horyzontu zdarzeń wirującej czarnej dziury istnieje również obszar zwany ergosferą, praktycznie równoważny ergosferze z rozwiązania Kerra; znajdujący się tam nieruchomy obserwator musi obracać się z dodatnią prędkością kątową (w kierunku obrotu czarnej dziury).

Termodynamika i parowanie czarnych dziur

Pomysł czarnej dziury jako obiektu całkowicie absorbującego został poprawiony przez S. Hawkinga w 1975 roku. Badając zachowanie pól kwantowych w pobliżu czarnej dziury, przewidział, że czarna dziura koniecznie emituje cząstki w przestrzeń kosmiczną, tracąc w ten sposób masę. Efekt ten nazywany jest promieniowaniem Hawkinga (parowaniem). Mówiąc najprościej, pole grawitacyjne polaryzuje próżnię, w wyniku czego możliwe jest powstawanie nie tylko wirtualnych, ale także rzeczywistych par cząstka-antycząstka. Jedna z cząstek tuż pod horyzontem zdarzeń wpada do czarnej dziury, a druga tuż nad horyzontem odlatuje, zabierając energię (czyli część masy) czarnej dziury. Moc promieniowania czarnej dziury jest równa

Skład promieniowania zależy od wielkości czarnej dziury: w przypadku dużych czarnych dziur są to głównie fotony i neutrina, a w widmie lekkich czarnych dziur zaczynają pojawiać się ciężkie cząstki. Widmo promieniowania Hawkinga okazało się ściśle pokrywać się z promieniowaniem ciała absolutnie czarnego, co umożliwiło przypisanie czarnej dziurze temperatury

gdzie jest zredukowana stała Plancka, C- prędkość światła, k- stała Boltzmanna, G- stała grawitacyjna, M- masa czarnej dziury.

Na tej podstawie zbudowano termodynamikę czarnych dziur, łącznie z wprowadzeniem kluczowego pojęcia entropii czarnej dziury, która okazała się proporcjonalna do powierzchni jej horyzontu zdarzeń:

Gdzie A- obszar horyzontu zdarzeń.

Szybkość parowania czarnej dziury jest tym większa, im mniejszy jest jej rozmiar. Parowanie czarnych dziur w skali gwiazdowej (a zwłaszcza galaktycznej) można pominąć, jednak w przypadku pierwotnych, a zwłaszcza kwantowych czarnych dziur, procesy parowania stają się centralne.

W wyniku parowania wszystkie czarne dziury tracą masę, a ich czas życia okazuje się skończony:

W tym przypadku intensywność parowania wzrasta jak lawina, a końcowy etap ewolucji ma charakter eksplozji, np. czarna dziura o masie 1000 ton wyparuje w ciągu około 84 sekund, uwalniając energię równą eksplozji około dziesięć milionów bomb atomowych średniej mocy.

Jednocześnie duże czarne dziury, których temperatura jest niższa od temperatury kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła Wszechświata (2,7 K), na obecnym etapie rozwoju Wszechświata mogą jedynie rosnąć, ponieważ promieniowanie, które emitowane mają mniejszą energię niż promieniowanie, które pochłaniają. Proces ten będzie trwał do czasu ochłodzenia gazu fotonowego kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła w wyniku ekspansji Wszechświata.

Bez kwantowej teorii grawitacji nie da się opisać końcowego etapu parowania, kiedy czarne dziury stają się mikroskopijne (kwantowe). Według niektórych teorii po odparowaniu powinien pozostać „żużel” – minimalna czarna dziura Plancka.

Twierdzenia o „braku włosów”.

Twierdzenia o „braku włosów” czarnej dziury Brak twierdzenia o włosie) mówią, że nieruchoma czarna dziura nie może mieć cech zewnętrznych innych niż masa, moment pędu i pewne ładunki (właściwe dla różnych pól materialnych), a szczegółowe informacje o materii zostaną utracone (i częściowo wyemitowane na zewnątrz) podczas zapadnięcia się. Brandon Carter, Werner Izrael, Roger Penrose, Piotr Chruściel i Markus Heusler wnieśli znaczący wkład w dowód podobnych twierdzeń dla różnych układów pól fizycznych. Obecnie okazuje się, że twierdzenie to jest prawdziwe dla obecnie znanych dziedzin, choć w niektórych egzotycznych przypadkach, dla których w przyrodzie nie znaleziono analogii, zostaje ono łamane.

Wpadnięcie do czarnej dziury

Wyobraźmy sobie, jak wyglądałoby wpadnięcie do czarnej dziury Schwarzschilda. Ciało spadające swobodnie pod wpływem grawitacji znajduje się w stanie nieważkości. Na spadające ciało działają siły pływowe, rozciągające je w kierunku promieniowym i ściskające w kierunku stycznym. Wielkość tych sił rośnie i dąży do nieskończoności w temperaturze . W pewnym momencie ciało przekroczy horyzont zdarzeń. Z punktu widzenia obserwatora spadającego wraz z ciałem moment ten niczym nie jest uwydatniony, ale teraz nie ma już odwrotu. Ciało znajduje się w gardle (jego promień w miejscu, w którym znajduje się ciało), ściskając się tak szybko, że nie da się już od niego odlecieć przed momentem ostatecznego zapadnięcia się (to jest osobliwość), nawet poruszając się z prędkością prędkość światła.

Rozważmy teraz proces wpadania ciała do czarnej dziury z punktu widzenia odległego obserwatora. Niech np. ciało będzie świetliste i dodatkowo będzie wysyłać sygnały z określoną częstotliwością. Początkowo zdalny obserwator dostrzeże, że ciało znajdujące się w procesie swobodnego spadania stopniowo przyspiesza pod wpływem grawitacji w stronę środka. Kolor korpusu nie zmienia się, częstotliwość wykrywanych sygnałów jest prawie stała. Jednak w miarę jak ciało zaczyna zbliżać się do horyzontu zdarzeń, fotony wychodzące z ciała będą doświadczać coraz większego grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni. Dodatkowo, ze względu na pole grawitacyjne, zarówno światło, jak i wszystkie procesy fizyczne z punktu widzenia odległego obserwatora będą przebiegać coraz wolniej. Okaże się, że ciało – w skrajnie spłaszczonej formie – będzie Kierowco zwolnij, zbliżając się do horyzontu zdarzeń i w końcu praktycznie się zatrzyma. Częstotliwość sygnału gwałtownie spadnie. Długość fali światła emitowanego przez ciało gwałtownie wzrośnie, przez co światło szybko zamieni się w fale radiowe, a następnie w wibracje elektromagnetyczne o niskiej częstotliwości, których nie będzie już można wykryć. Obserwator nigdy nie zobaczy ciała przekraczającego horyzont zdarzeń i w tym sensie spadek do czarnej dziury będzie trwał w nieskończoność. Nadchodzi jednak moment, od którego zdalny obserwator nie będzie już miał wpływu na spadające ciało. Promień światła wysłany za tym ciałem albo nigdy go nie dogoni, albo dogoni już za horyzontem.

Proces zapadania się grawitacyjnego będzie wyglądał podobnie do odległego obserwatora. Początkowo materia będzie pędziła w kierunku centrum, ale w pobliżu horyzontu zdarzeń zacznie gwałtownie zwalniać, jej promieniowanie przejdzie w zakres radiowy, w efekcie odległy obserwator zobaczy, że gwiazda zgasła .

Model teorii strun

Grupa Samira Mathura obliczyła rozmiary kilku modeli czarnych dziur przy użyciu własnej metody. Uzyskane wyniki pokrywały się z wymiarami „horyzontu zdarzeń” w teorii tradycyjnej.

W związku z tym Mathur zasugerował, że horyzont zdarzeń jest w rzeczywistości spienioną masą strun, a nie sztywno określoną granicą.

Dlatego zgodnie z tym modelem czarna dziura w rzeczywistości nie niszczy informacji, ponieważ w czarnych dziurach nie ma osobliwości. Masa strun jest rozłożona w całej objętości aż do horyzontu zdarzeń, a informacje mogą być przechowywane w strunach i przesyłane przez wychodzące promieniowanie Hawkinga (a zatem wykraczają poza horyzont zdarzeń).

Inną opcję zaproponowali Gary Horowitz z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara i Juan Maldacena z Princeton Institute for Advanced Study. Według tych badaczy osobliwość w centrum czarnej dziury istnieje, ale informacje po prostu do niej nie docierają: materia trafia do osobliwości, a informacja – poprzez teleportację kwantową – jest odciskana na promieniowaniu Hawkinga.

Czarne dziury we wszechświecie

Od czasu teoretycznego przewidywania czarnych dziur kwestia ich istnienia pozostaje otwarta, ponieważ obecność rozwiązania typu „czarna dziura” nie gwarantuje istnienia mechanizmów powstawania takich obiektów we Wszechświecie. Znane są jednak mechanizmy, które mogą prowadzić do tego, że niektóre region czasoprzestrzeń będzie miała te same właściwości (tą samą geometrię), co odpowiadająca jej czasoprzestrzeń region przy czarnej dziurze. Na przykład w wyniku zapadnięcia się gwiazdy może uformować się czasoprzestrzeń pokazana na rysunku.

Bezgraniczny Wszechświat jest pełen tajemnic, zagadek i paradoksów. Pomimo faktu, że współczesna nauka dokonała ogromnego postępu w eksploracji kosmosu, wiele w tym rozległym świecie pozostaje niezrozumiałych dla ludzkiego światopoglądu. Wiemy dużo o gwiazdach, mgławicach, gromadach i planetach. Jednak w bezmiarze Wszechświata istnieją obiekty, o których istnieniu możemy się jedynie domyślać. Na przykład niewiele wiemy o czarnych dziurach. Podstawowe informacje i wiedza o naturze czarnych dziur opierają się na założeniach i domysłach. Astrofizycy i naukowcy zajmujący się energią jądrową zmagają się z tym problemem od dziesięcioleci. Co to jest czarna dziura w kosmosie? Jaka jest natura takich obiektów?

Mówiąc o czarnych dziurach w prostych słowach

Aby wyobrazić sobie, jak wygląda czarna dziura, wystarczy zobaczyć ogon pociągu wjeżdżającego do tunelu. Światła sygnalizacyjne ostatniego wagonu będą się zmniejszać w miarę wjeżdżania pociągu w tunel, aż całkowicie znikną z pola widzenia. Innymi słowy, są to obiekty, w których pod wpływem monstrualnej grawitacji znika nawet światło. Cząstki elementarne, elektrony, protony i fotony nie są w stanie pokonać niewidzialnej bariery i wpaść w czarną otchłań nicości, dlatego taką dziurę w przestrzeni nazywa się czarną. Nie ma w nim najmniejszego pola światła, kompletna czerń i nieskończoność. Nie wiadomo, co znajduje się po drugiej stronie czarnej dziury.

Ten kosmiczny odkurzacz ma kolosalną siłę grawitacji i jest w stanie wchłonąć całą galaktykę ze wszystkimi gromadami i supergromadami gwiazd, w tym mgławicami i ciemną materią. Jak to jest możliwe? Możemy się tylko domyślać. Znane nam prawa fizyki w tym przypadku pękają w szwach i nie dają wyjaśnienia zachodzących procesów. Istota paradoksu polega na tym, że w danej części Wszechświata o oddziaływaniu grawitacyjnym ciał decyduje ich masa. Na proces wchłaniania jednego przedmiotu przez drugi nie ma wpływu ich skład jakościowy i ilościowy. Cząstki, osiągając liczbę krytyczną w określonym obszarze, wchodzą w kolejny poziom interakcji, gdzie siły grawitacyjne stają się siłami przyciągania. Ciało, przedmiot, substancja lub materia zaczyna się ściskać pod wpływem grawitacji, osiągając kolosalną gęstość.

W przybliżeniu podobne procesy zachodzą podczas powstawania gwiazdy neutronowej, gdzie materia gwiazdowa ulega kompresji pod wpływem wewnętrznej grawitacji. Swobodne elektrony łączą się z protonami, tworząc elektrycznie obojętne cząstki – neutrony. Gęstość tej substancji jest ogromna. Cząsteczka materii wielkości kawałka rafinowanego cukru waży miliardy ton. W tym miejscu wypadałoby przypomnieć ogólną teorię względności, gdzie przestrzeń i czas są wielkościami ciągłymi. W związku z tym procesu kompresji nie można zatrzymać w połowie i dlatego nie ma on ograniczeń.

Potencjalnie czarna dziura wygląda jak dziura, w której może nastąpić przejście z jednej części przestrzeni do drugiej. Jednocześnie zmieniają się same właściwości przestrzeni i czasu, skręcając się w lejek czasoprzestrzenny. Docierając do dna tego lejka, każda materia rozpada się na kwanty. Co znajduje się po drugiej stronie czarnej dziury, tej gigantycznej dziury? Być może istnieje inna przestrzeń, w której obowiązują inne prawa, a czas płynie w przeciwnym kierunku.

W kontekście teorii względności teoria czarnej dziury wygląda tak. Punkt w przestrzeni, w którym siły grawitacyjne skompresowały jakąkolwiek materię do mikroskopijnych rozmiarów, ma kolosalną siłę przyciągania, której wielkość wzrasta do nieskończoności. Pojawia się fałda czasu, a przestrzeń zagina się, zamykając w jednym punkcie. Obiekty pochłonięte przez czarną dziurę nie są w stanie samodzielnie wytrzymać siły ciągnącej tego monstrualnego odkurzacza. Nawet prędkość światła, jaką posiadają kwanty, nie pozwala cząstkom elementarnym pokonać siły grawitacji. Każde ciało, które dotrze do takiego punktu, przestaje być obiektem materialnym, łącząc się z bańką czasoprzestrzenną.

Czarne dziury z naukowego punktu widzenia

Jeśli zadajesz sobie pytanie, jak powstają czarne dziury? Nie będzie jasnej odpowiedzi. We Wszechświecie istnieje sporo paradoksów i sprzeczności, których nie da się wytłumaczyć z naukowego punktu widzenia. Teoria względności Einsteina pozwala jedynie na teoretyczne wyjaśnienie natury takich obiektów, ale mechanika i fizyka kwantowa milczą w tym przypadku.

Próbując wyjaśnić procesy zachodzące za pomocą praw fizyki, obraz będzie wyglądał następująco. Obiekt powstały w wyniku kolosalnej kompresji grawitacyjnej masywnego lub supermasywnego ciała kosmicznego. Proces ten ma naukową nazwę - zapadnięcie się grawitacyjne. Termin „czarna dziura” po raz pierwszy usłyszano w środowisku naukowym w 1968 r., kiedy amerykański astronom i fizyk John Wheeler próbował wyjaśnić stan zapadania się gwiazd. Według jego teorii w miejscu masywnej gwiazdy, która uległa zapadnięciu grawitacyjnemu, pojawia się szczelina przestrzenno-czasowa, w której działa stale rosnąca kompresja. Wszystko, z czego zbudowana jest gwiazda, przechodzi w nią samą.

To wyjaśnienie pozwala stwierdzić, że natura czarnych dziur nie jest w żaden sposób powiązana z procesami zachodzącymi we Wszechświecie. Wszystko, co dzieje się wewnątrz tego obiektu, nie przekłada się w żaden sposób na otaczającą przestrzeń jednym „ALE”. Siła grawitacji czarnej dziury jest tak duża, że zagina przestrzeń, powodując rotację galaktyk wokół czarnych dziur. W związku z tym staje się jasny powód, dla którego galaktyki przyjmują kształt spirali. Nie wiadomo, ile czasu zajmie ogromnej galaktyce Drogi Mlecznej zniknięcie w otchłani supermasywnej czarnej dziury. Ciekawostką jest to, że czarne dziury mogą pojawić się w dowolnym miejscu przestrzeni kosmicznej, gdzie stworzone są do tego idealne warunki. Takie zagięcie czasu i przestrzeni neutralizuje ogromne prędkości, z jakimi gwiazdy rotują i poruszają się w przestrzeni galaktyki. Czas w czarnej dziurze płynie w innym wymiarze. W tym regionie żadne prawa grawitacji nie mogą być interpretowane w kategoriach fizyki. Stan ten nazywany jest osobliwością czarnej dziury.

Czarne dziury nie wykazują żadnych zewnętrznych znaków identyfikacyjnych; ich istnienie można ocenić na podstawie zachowania innych obiektów kosmicznych, na które wpływają pola grawitacyjne. Cały obraz walki na śmierć i życie rozgrywa się na granicy czarnej dziury, która jest pokryta membraną. Ta wyimaginowana powierzchnia lejka nazywana jest „horyzontem zdarzeń”. Wszystko, co widzimy aż do tej granicy, jest namacalne i materialne.

Scenariusze powstawania czarnych dziur

Rozwijając teorię Johna Wheelera, możemy stwierdzić, że tajemnica czarnych dziur najprawdopodobniej nie jest w procesie jej powstawania. Powstawanie czarnej dziury następuje w wyniku zapadnięcia się gwiazdy neutronowej. Co więcej, masa takiego obiektu powinna trzykrotnie lub więcej przewyższać masę Słońca. Gwiazda neutronowa kurczy się, aż jej własne światło nie jest już w stanie uciec spod ciasnego uścisku grawitacji. Istnieje granica rozmiaru, do jakiego gwiazda może się skurczyć, tworząc czarną dziurę. Promień ten nazywany jest promieniem grawitacyjnym. Masywne gwiazdy w końcowej fazie rozwoju powinny mieć promień grawitacyjny wynoszący kilka kilometrów.

Dziś naukowcy uzyskali pośrednie dowody na obecność czarnych dziur w kilkunastu rentgenowskich gwiazdach podwójnych. Gwiazdy rentgenowskie, pulsary i wybuchy nie mają stałej powierzchni. Ponadto ich masa jest większa niż masa trzech Słońc. Obecny stan przestrzeni kosmicznej w konstelacji Łabędzia – gwiazdy rentgenowskiej Łabędź X-1, pozwala nam prześledzić proces powstawania tych ciekawych obiektów.

Na podstawie badań i założeń teoretycznych dzisiaj w nauce istnieją cztery scenariusze powstawania czarnych gwiazd:

zapadnięcie się grawitacyjne masywnej gwiazdy na końcowym etapie jej ewolucji;
upadek centralnego obszaru galaktyki;
powstawanie czarnych dziur podczas Wielkiego Wybuchu;
powstawanie kwantowych czarnych dziur.

Pierwszy scenariusz jest najbardziej realistyczny, jednak liczba znanych nam dzisiaj czarnych gwiazd przewyższa liczbę znanych gwiazd neutronowych. A wiek Wszechświata nie jest na tyle duży, aby taka liczba masywnych gwiazd mogła przejść pełny proces ewolucji.

Drugi scenariusz ma prawo do życia i istnieje tego uderzający przykład – supermasywna czarna dziura Sagittarius A*, umiejscowiona w centrum naszej galaktyki. Masa tego obiektu wynosi 3,7 masy Słońca. Mechanizm tego scenariusza jest podobny do scenariusza zapadnięcia się grawitacyjnego, z tą tylko różnicą, że to nie gwiazda się zapada, ale gaz międzygwiazdowy. Pod wpływem sił grawitacyjnych gaz zostaje sprężony do masy krytycznej i gęstości. W krytycznym momencie materia rozpada się na kwanty, tworząc czarną dziurę. Jednak teoria ta jest wątpliwa, ponieważ niedawno astronomowie z Uniwersytetu Columbia zidentyfikowali satelity czarnej dziury Sagittarius A*. Okazało się, że jest to wiele małych czarnych dziur, które prawdopodobnie powstały w inny sposób.

Trzeci scenariusz jest bardziej teoretyczny i wiąże się z istnieniem teorii Wielkiego Wybuchu. W momencie powstania Wszechświata część materii i pól grawitacyjnych ulegała wahaniom. Innymi słowy, procesy potoczyły się inną drogą, niezwiązaną ze znanymi procesami mechaniki kwantowej i fizyki jądrowej.

Ostatni scenariusz koncentruje się na fizyce wybuchu jądrowego. W grudkach materii podczas reakcji jądrowych pod wpływem sił grawitacyjnych następuje eksplozja, w miejscu której powstaje czarna dziura. Materia eksploduje do wewnątrz, pochłaniając wszystkie cząstki.

Istnienie i ewolucja czarnych dziur

Mając ogólne pojęcie o naturze takich dziwnych obiektów kosmicznych, interesujące jest coś innego. Jakie są prawdziwe rozmiary czarnych dziur i jak szybko rosną? Rozmiary czarnych dziur zależą od ich promienia grawitacyjnego. W przypadku czarnych dziur promień czarnej dziury jest określany na podstawie jej masy i nazywany jest promieniem Schwarzschilda. Na przykład, jeśli obiekt ma masę równą masie naszej planety, wówczas promień Schwarzschilda w tym przypadku wynosi 9 mm. Nasza główna oprawa ma promień 3 km. Średnia gęstość czarnej dziury powstałej w miejscu gwiazdy o masie 10⁸ mas Słońca będzie bliska gęstości wody. Promień takiej formacji wyniesie 300 milionów kilometrów.

Jest prawdopodobne, że takie gigantyczne czarne dziury znajdują się w centrach galaktyk. Do chwili obecnej znanych jest 50 galaktyk, w centrum których znajdują się ogromne studnie czasowe i przestrzenne. Masa takich gigantów to miliardy mas Słońca. Można sobie tylko wyobrazić, jaką kolosalną i potworną siłę przyciągania ma taka dziura.

Jeśli chodzi o małe dziury, są to miniobiekty, których promień osiąga znikome wartości, zaledwie 10¯¹² cm, a masa takich okruchów wynosi 10¹⁴g. Takie formacje powstały w czasie Wielkiego Wybuchu, ale z biegiem czasu powiększyły się i dziś obnoszą się w przestrzeni kosmicznej jako potwory. Naukowcy próbują obecnie odtworzyć warunki, w jakich tworzyły się małe czarne dziury w warunkach ziemskich. W tym celu przeprowadza się eksperymenty w zderzaczach elektronów, dzięki którym cząstki elementarne przyspieszane są do prędkości światła. Pierwsze eksperymenty umożliwiły otrzymanie w warunkach laboratoryjnych plazmy kwarkowo-gluonowej – materii, która istniała u zarania powstawania Wszechświata. Takie eksperymenty pozwalają mieć nadzieję, że czarna dziura na Ziemi to tylko kwestia czasu. Inną sprawą jest to, czy takie osiągnięcie nauki ludzkiej nie przerodzi się w katastrofę dla nas i naszej planety. Tworząc sztuczną czarną dziurę, możemy otworzyć puszkę Pandory.

Niedawne obserwacje innych galaktyk pozwoliły naukowcom odkryć czarne dziury, których wymiary przekraczają wszelkie wyobrażalne oczekiwania i założenia. Ewolucja zachodząca w przypadku takich obiektów pozwala nam lepiej zrozumieć, dlaczego masa czarnych dziur rośnie i jaka jest jej rzeczywista granica. Naukowcy doszli do wniosku, że wszystkie znane czarne dziury osiągnęły swoje rzeczywiste rozmiary w ciągu 13–14 miliardów lat. Różnicę w wielkości tłumaczy się gęstością otaczającej przestrzeni. Jeśli czarna dziura ma wystarczającą ilość pożywienia w zasięgu swoich sił grawitacyjnych, rośnie skokowo, osiągając masę setek lub tysięcy mas Słońca. Stąd gigantyczne rozmiary takich obiektów znajdujących się w centrach galaktyk. Masywna gromada gwiazd i ogromne masy gazu międzygwiazdowego zapewniają obfite pożywienie dla wzrostu. Kiedy galaktyki się łączą, czarne dziury mogą się połączyć, tworząc nowy supermasywny obiekt.

Sądząc po analizie procesów ewolucyjnych, zwyczajowo rozróżnia się dwie klasy czarnych dziur:

obiekty o masie 10 razy większej od masy Słońca;
masywne obiekty, których masa wynosi setki tysięcy, miliardy mas Słońca.

Istnieją czarne dziury o średniej masie pośredniej równej 100-10 tysięcy mas Słońca, ale ich natura wciąż pozostaje nieznana. Na każdą galaktykę przypada około jeden taki obiekt. Badanie gwiazd rentgenowskich umożliwiło znalezienie dwóch czarnych dziur o średniej masie w odległości 12 milionów lat świetlnych w galaktyce M82. Masa jednego obiektu waha się w przedziale 200-800 mas Słońca. Drugi obiekt jest znacznie większy i ma masę 10-40 tysięcy mas Słońca. Ciekawe są losy takich obiektów. Znajdują się w pobliżu gromad gwiazd, stopniowo przyciągane przez supermasywną czarną dziurę znajdującą się w centralnej części galaktyki.

Nasza planeta i czarne dziury

Pomimo poszukiwań wskazówek na temat natury czarnych dziur, świat naukowy jest zaniepokojony miejscem i rolą czarnej dziury w losach Drogi Mlecznej, a w szczególności w losach planety Ziemia. Fałda czasu i przestrzeni istniejąca w centrum Drogi Mlecznej stopniowo pochłania wszystkie istniejące wokół niej obiekty. Czarna dziura pochłonęła już miliony gwiazd i biliony ton gazu międzygwiazdowego. Z czasem kolej na ramiona Łabędzia i Strzelca, w których znajduje się Układ Słoneczny, pokonujących odległość 27 tysięcy lat świetlnych.

Druga najbliższa supermasywna czarna dziura znajduje się w centralnej części galaktyki Andromedy. Znajduje się od nas około 2,5 miliona lat świetlnych. Prawdopodobnie zanim nasz obiekt Sagittarius A* pochłonie własną galaktykę, powinniśmy spodziewać się połączenia dwóch sąsiednich galaktyk. W związku z tym dwie supermasywne czarne dziury połączą się w jedną, okropną i potworną wielkości.

Małe czarne dziury to zupełnie inna sprawa. Aby połknąć planetę Ziemię, wystarczy czarna dziura o promieniu kilku centymetrów. Problem polega na tym, że ze swej natury czarna dziura jest obiektem całkowicie pozbawionym twarzy. Z jego brzucha nie wydobywa się żadne promieniowanie ani promieniowanie, dlatego dość trudno jest zauważyć tak tajemniczy obiekt. Dopiero z bliskiej odległości można wykryć zakrzywienie światła tła, co wskazuje, że w tym obszarze Wszechświata znajduje się dziura w przestrzeni.

Do tej pory naukowcy ustalili, że najbliższą Ziemi czarną dziurą jest obiekt V616 Monocerotis. Potwór znajduje się 3000 lat świetlnych od naszego układu. Jest to duża formacja, jej masa wynosi 9-13 mas Słońca. Kolejnym pobliskim obiektem stanowiącym zagrożenie dla naszego świata jest czarna dziura Gygnus X-1. Od tego potwora dzieli nas odległość 6000 lat świetlnych. Czarne dziury odkryte w naszym sąsiedztwie wchodzą w skład układu podwójnego, tj. istnieją w pobliżu gwiazdy, która zasila nienasycony obiekt.

Wniosek

Istnienie tak tajemniczych i tajemniczych obiektów w kosmosie jak czarne dziury z pewnością zmusza nas do zachowania czujności. Jednak wszystko, co dzieje się z czarnymi dziurami, zdarza się dość rzadko, biorąc pod uwagę wiek Wszechświata i ogromne odległości. Od 4,5 miliarda lat Układ Słoneczny znajduje się w spoczynku, egzystując według znanych nam praw. W tym czasie nic takiego, ani zniekształcenie przestrzeni, ani zagięcie czasu, nie pojawiło się w pobliżu Układu Słonecznego. Chyba nie ma ku temu odpowiednich warunków. Część Drogi Mlecznej, w której znajduje się układ gwiazd Słońca, to spokojny i stabilny obszar przestrzeni.

Naukowcy przyznają, że pojawienie się czarnych dziur nie jest przypadkowe. Obiekty takie pełnią rolę porządkowych we Wszechświecie, niszcząc nadmiar ciał kosmicznych. Jeśli chodzi o los samych potworów, ich ewolucja nie została jeszcze w pełni zbadana. Istnieje wersja, że czarne dziury nie są wieczne i na pewnym etapie mogą przestać istnieć. Nie jest już tajemnicą, że tego typu obiekty stanowią potężne źródła energii. Jaki to rodzaj energii i jak jest mierzony, to inna sprawa.

Dzięki wysiłkom Stephena Hawkinga nauce przedstawiono teorię, że czarna dziura nadal emituje energię, tracąc jednocześnie masę. W swoich założeniach naukowiec kierował się teorią względności, gdzie wszystkie procesy są ze sobą powiązane. Nic tak po prostu nie znika, nie pojawiając się gdzie indziej. Każdą materię można przekształcić w inną substancję, przy czym jeden rodzaj energii przechodzi na inny poziom energii. Może tak być w przypadku czarnych dziur, które stanowią portal przejściowy z jednego stanu do drugiego.

Jeśli masz jakieś pytania, zostaw je w komentarzach pod artykułem. My lub nasi goście chętnie na nie odpowiemy