« Science fiction może się przydać – pobudza wyobraźnię i łagodzi strach przed przyszłością. Jednak fakty naukowe mogą być znacznie bardziej zaskakujące. Science fiction nawet nie wyobrażało sobie istnienia czegoś takiego jak czarne dziury»
Stephena Hawkinga

W głębi wszechświata kryją się przed człowiekiem niezliczone tajemnice i sekrety. Jednym z nich są czarne dziury – obiekty, których nie są w stanie zrozumieć nawet największe umysły ludzkości. Setki astrofizyków próbują odkryć naturę czarnych dziur, ale na tym etapie nie udowodniliśmy nawet ich istnienia w praktyce.

Reżyserzy poświęcają im swoje filmy, a wśród zwykłych ludzi czarne dziury stały się zjawiskiem na tyle kultowym, że utożsamiane są z końcem świata i nieuniknioną śmiercią. Boją się ich i nienawidzą, ale jednocześnie są idealizowani i czczeni przez nieznane, które kryją w sobie te dziwne fragmenty Wszechświata. Zgadzam się, bycie pochłoniętym przez czarną dziurę to romantyczna rzecz. Z ich pomocą jest to możliwe, a oni także mogą stać się dla nas przewodnikami.

Prasa żółta często spekuluje na temat popularności czarnych dziur. Znalezienie nagłówków w gazetach związanych z końcem świata w wyniku kolejnego zderzenia z supermasywną czarną dziurą nie stanowi problemu. Znacznie gorsze jest to, że niepiśmienna część społeczeństwa wszystko traktuje poważnie i wywołuje prawdziwą panikę. Dla jasności wybierzemy się w podróż do początków odkrycia czarnych dziur i spróbujemy zrozumieć, czym one są i jak je leczyć.

Niewidzialne gwiazdy

Tak się składa, że ​​współcześni fizycy opisują budowę naszego Wszechświata za pomocą teorii względności, którą Einstein starannie przekazał ludzkości na początku XX wieku. Czarne dziury stają się jeszcze bardziej tajemnicze, na horyzoncie zdarzeń, na którym przestają obowiązywać wszystkie znane nam prawa fizyki, w tym teoria Einsteina. Czy to nie cudowne? Ponadto przypuszczenia o istnieniu czarnych dziur zostały wyrażone na długo przed narodzinami samego Einsteina.

W roku 1783 nastąpił znaczny wzrost aktywności naukowej w Anglii. W tamtych czasach nauka szła ramię w ramię z religią, dobrze się ze sobą dogadywały, a naukowców nie uważano już za heretyków. Ponadto księża zajmowali się badaniami naukowymi. Jednym z takich sług Bożych był angielski pastor John Michell, który zastanawiał się nie tylko nad kwestiami egzystencjalnymi, ale także problemami zupełnie naukowymi. Michell był bardzo utytułowanym naukowcem: początkowo był nauczycielem matematyki i lingwistyki starożytnej w jednej z uczelni, a następnie został przyjęty do Royal Society of London za szereg odkryć.

John Michell studiował sejsmologię, ale w wolnym czasie lubił myśleć o wieczności i kosmosie. W ten sposób wpadł na pomysł, że gdzieś w głębi Wszechświata mogą znajdować się supermasywne ciała o tak potężnej grawitacji, że aby pokonać siłę grawitacji takiego ciała, konieczne jest poruszanie się z prędkością równą lub większą niż prędkość światła. Jeśli przyjmiemy taką teorię jako prawdziwą, to nawet światło nie będzie w stanie rozwinąć drugiej prędkości ucieczki (prędkości niezbędnej do pokonania przyciągania grawitacyjnego opuszczającego ciała), więc takie ciało pozostanie niewidoczne gołym okiem.

Michell nazwał swoją nową teorię „ciemnymi gwiazdami” i jednocześnie próbował obliczyć masę takich obiektów. Swoje przemyślenia w tej sprawie wyraził w liście otwartym do Royal Society of London. Niestety w tamtych czasach takie badania nie miały szczególnej wartości dla nauki, dlatego list Michella trafił do archiwum. Dopiero dwieście lat później, w drugiej połowie XX wieku, odkryto go wśród tysięcy innych zapisów starannie przechowywanych w starożytnej bibliotece.

Pierwszy naukowy dowód na istnienie czarnych dziur

Po opublikowaniu Ogólnej teorii względności Einsteina matematycy i fizycy na poważnie rozpoczęli rozwiązywanie równań przedstawionych przez niemieckiego naukowca, które miały nam powiedzieć wiele nowych rzeczy na temat budowy Wszechświata. Niemiecki astronom i fizyk Karl Schwarzschild postanowił zrobić to samo w 1916 roku.

Naukowiec na podstawie swoich obliczeń doszedł do wniosku, że istnienie czarnych dziur jest możliwe. Jako pierwszy opisał także romantyczną frazę „horyzont zdarzeń” – wyimaginowaną granicę czasoprzestrzeni przy czarnej dziurze, po przekroczeniu której nie ma już powrotu. Z horyzontu zdarzeń nie ucieknie nic, nawet światło. To właśnie za horyzontem zdarzeń dochodzi do tzw. „osobliwości”, w której znane nam prawa fizyki przestają obowiązywać.

Kontynuując rozwój swojej teorii i rozwiązywanie równań, Schwarzschild odkrył dla siebie i świata nowe tajemnice czarnych dziur. W ten sposób był w stanie, wyłącznie na papierze, obliczyć odległość od środka czarnej dziury, gdzie skupia się jej masa, do horyzontu zdarzeń. Schwarzschild nazwał tę odległość promieniem grawitacyjnym.

Pomimo tego, że matematycznie rozwiązania Schwarzschilda były niezwykle poprawne i nie dało się ich obalić, społeczność naukowa początku XX wieku nie mogła od razu zaakceptować tak szokującego odkrycia, a istnienie czarnych dziur spisano na straty jako fantazję, która pojawiała się co roku od czasu do czasu w teorii względności. Przez następne półtorej dekady eksploracja kosmosu w poszukiwaniu czarnych dziur była powolna i zajmowało się nią zaledwie kilku zwolenników teorii niemieckiego fizyka.

Gwiazdy rodzące ciemność

Po uporządkowaniu równań Einsteina przyszedł czas na wykorzystanie wyciągniętych wniosków do zrozumienia struktury Wszechświata. W szczególności w teorii ewolucji gwiazd. Nie jest tajemnicą, że w naszym świecie nic nie trwa wiecznie. Nawet gwiazdy mają swój własny cykl życia, choć dłuższy niż człowiek.

Jednym z pierwszych naukowców, który poważnie zainteresował się ewolucją gwiazd, był pochodzący z Indii młody astrofizyk Subramanyan Chandrasekhar. W 1930 roku opublikował pracę naukową, w której opisał przypuszczalną strukturę wewnętrzną gwiazd, a także ich cykle życia.

Już na początku XX wieku naukowcy domyślali się istnienia takiego zjawiska, jak kompresja grawitacyjna (zapadnięcie grawitacyjne). W pewnym momencie swojego życia gwiazda zaczyna się kurczyć z ogromną prędkością pod wpływem sił grawitacyjnych. Z reguły dzieje się to w momencie śmierci gwiazdy, ale podczas zapadania się grawitacyjnego istnieje kilka sposobów na dalsze istnienie gorącej kuli.

Doradca naukowy Chandrasekhara, Ralph Fowler, szanowany w swoich czasach fizyk teoretyczny, założył, że podczas zapadania się grawitacyjnego każda gwiazda zamienia się w mniejszą i gorętszą – białego karła. Okazało się jednak, że uczeń „złamał” teorię nauczyciela, podzielaną przez większość fizyków na początku ubiegłego wieku. Według prac młodego Hindusa śmierć gwiazdy zależy od jej masy początkowej. Na przykład białymi karłami mogą stać się tylko te gwiazdy, których masa nie przekracza 1,44 masy Słońca. Liczbę tę nazwano granicą Chandrasekhara. Jeśli masa gwiazdy przekroczy ten limit, wówczas umiera w zupełnie inny sposób. Pod pewnymi warunkami taka gwiazda w chwili śmierci może odrodzić się w nową gwiazdę neutronową - kolejną zagadkę współczesnego Wszechświata. Teoria względności podpowiada nam inną opcję – kompresję gwiazdy do ultramałych wartości i tu zaczyna się zabawa.

W 1932 roku w jednym z czasopism naukowych ukazał się artykuł, w którym genialny fizyk z ZSRR Lew Landau zasugerował, że podczas zapadnięcia się supermasywna gwiazda zostaje ściśnięta w punkt o nieskończenie małym promieniu i nieskończonej masie. Mimo że z punktu widzenia nieprzygotowanej osoby bardzo trudno sobie wyobrazić takie wydarzenie, Landau nie był daleki od prawdy. Fizyk zasugerował także, że zgodnie z teorią względności grawitacja w takim punkcie będzie tak duża, że ​​zacznie zniekształcać czasoprzestrzeń.

Astrofizykom spodobała się teoria Landaua i nadal ją rozwijali. W 1939 roku w Ameryce dzięki wysiłkom dwóch fizyków – Roberta Oppenheimera i Hartlanda Snydera – powstała teoria szczegółowo opisująca supermasywną gwiazdę w momencie zapadnięcia się. W wyniku takiego zdarzenia powinna pojawić się prawdziwa czarna dziura. Pomimo przekonywalności argumentów naukowcy w dalszym ciągu zaprzeczali możliwości istnienia takich ciał, a także przekształcania się w nie gwiazd. Nawet Einstein dystansował się od tego pomysłu, wierząc, że gwiazda nie jest zdolna do tak fenomenalnych przemian. Inni fizycy nie oszczędzali na swoich stwierdzeniach, nazywając możliwość wystąpienia takich zdarzeń absurdem.
Jednak nauka zawsze dotrze do prawdy, trzeba tylko trochę poczekać. I tak się stało.

Najjaśniejsze obiekty we Wszechświecie

Nasz świat to zbiór paradoksów. Czasem współistnieją w nim rzeczy, których współistnienie wymyka się jakiejkolwiek logice. Na przykład termin „czarna dziura” nie byłby kojarzony przez normalnego człowieka z wyrażeniem „niezwykle jasna”, ale odkrycie z początku lat 60. ubiegłego wieku pozwoliło naukowcom uznać to stwierdzenie za błędne.

Za pomocą teleskopów astrofizykom udało się odkryć nieznane dotąd obiekty na gwiaździstym niebie, które zachowywały się bardzo dziwnie pomimo tego, że wyglądały jak zwykłe gwiazdy. Badając te dziwne luminarze, amerykański naukowiec Martin Schmidt zwrócił uwagę na ich spektrografię, której dane wykazały odmienne wyniki w porównaniu ze skanowaniem innych gwiazd. Mówiąc najprościej, te gwiazdy nie były takie, jak inne, do których jesteśmy przyzwyczajeni.

Nagle Schmidt olśnił i zauważył przesunięcie widma w zakresie czerwieni. Okazało się, że obiekty te znajdują się znacznie dalej od nas niż gwiazdy, które jesteśmy przyzwyczajeni obserwować na niebie. Na przykład obiekt obserwowany przez Schmidta znajdował się dwa i pół miliarda lat świetlnych od naszej planety, ale świecił tak jasno, jak gwiazda oddalona o sto lat świetlnych. Okazuje się, że światło jednego takiego obiektu jest porównywalne z jasnością całej galaktyki. Odkrycie to było prawdziwym przełomem w astrofizyce. Naukowiec nazwał te obiekty „quasi-gwiazdowymi” lub po prostu „kwazarami”.

Martin Schmidt kontynuował badania nowych obiektów i odkrył, że tak jasny blask może być spowodowany tylko z jednego powodu – akrecji. Akrecja to proces pochłaniania otaczającej materii przez supermasywne ciało za pomocą grawitacji. Naukowiec doszedł do wniosku, że w centrum kwazarów znajduje się ogromna czarna dziura, która z niesamowitą siłą wciąga w przestrzeń otaczającą ją materię. Gdy dziura pochłania materię, cząstki przyspieszają do ogromnych prędkości i zaczynają świecić. Rodzaj świetlistej kopuły wokół czarnej dziury nazywany jest dyskiem akrecyjnym. Jej wizualizację dobrze pokazano w filmie Christophera Nolana Interstellar, który zrodził wiele pytań: „w jaki sposób czarna dziura może świecić?”

Do tej pory naukowcy odkryli już tysiące kwazarów na gwiaździstym niebie. Te dziwne, niesamowicie jasne obiekty nazywane są latarniami Wszechświata. Pozwalają trochę lepiej wyobrazić sobie strukturę kosmosu i przybliżyć się do momentu, od którego to wszystko się zaczęło.

Chociaż astrofizycy przez wiele lat otrzymywali pośrednie dowody na istnienie supermasywnych niewidzialnych obiektów we Wszechświecie, termin „czarna dziura” istniał dopiero w 1967 roku. Aby uniknąć skomplikowanych nazw, amerykański fizyk John Archibald Wheeler zaproponował nazwanie takich obiektów „czarnymi dziurami”. Dlaczego nie? W pewnym stopniu są czarne, bo ich nie widać. Poza tym przyciągają wszystko, można w nie wpaść jak w prawdziwą dziurę. Zgodnie ze współczesnymi prawami fizyki wydostanie się z takiego miejsca jest po prostu niemożliwe. Jednak Stephen Hawking twierdzi, że podróżując przez czarną dziurę można dostać się do innego Wszechświata, innego świata i to jest nadzieja.

Strach przed nieskończonością

Ze względu na nadmierną tajemniczość i romantyzację czarnych dziur obiekty te stały się wśród ludzi prawdziwym horrorem. Prasa tabloidowa uwielbia spekulować na temat analfabetyzmu społeczeństwa, publikując niesamowite historie o tym, jak w stronę Ziemi zbliża się ogromna czarna dziura, która w ciągu kilku godzin pochłonie Układ Słoneczny, czy po prostu emitując fale toksycznego gazu w stronę naszej planety .

Szczególnie popularny jest temat zniszczenia planety za pomocą Wielkiego Zderzacza Hadronów, który został zbudowany w Europie w 2006 roku na terenie Europejskiej Rady Badań Jądrowych (CERN). Fala paniki zaczęła się od czyjegoś głupiego żartu, ale rosła jak kula śnieżna. Ktoś rozpuścił plotkę, że w akceleratorze cząstek zderzacza może powstać czarna dziura, która całkowicie pochłonie naszą planetę. Oczywiście oburzeni ludzie zaczęli domagać się zakazu eksperymentów w LHC, obawiając się takiego wyniku wydarzeń. Do Europejskiego Trybunału zaczęły napływać pozwy z żądaniem zamknięcia zderzacza i ukarania naukowców, którzy go stworzyli, z całą surowością prawa.

Tak naprawdę fizycy nie zaprzeczają, że gdy cząstki zderzą się w Wielkim Zderzaczu Hadronów, mogą powstać obiekty o właściwościach podobnych do czarnych dziur, ale ich wielkość jest na poziomie wielkości cząstek elementarnych, a takie „dziury” istnieją dla takiego tak krótkim czasie, że nie jesteśmy w stanie nawet odnotować ich wystąpienia.

Jednym z głównych ekspertów, który stara się rozwiać falę ignorancji przed ludźmi, jest Stephen Hawking, słynny fizyk teoretyczny, który zresztą uważany jest za prawdziwego „guru” w zakresie czarnych dziur. Hawking udowodnił, że czarne dziury nie zawsze pochłaniają światło pojawiające się w dyskach akrecyjnych, a część z nich jest rozpraszana w przestrzeń kosmiczną. Zjawisko to nazwano promieniowaniem Hawkinga, czyli parowaniem czarnej dziury. Hawking ustalił także związek pomiędzy rozmiarem czarnej dziury a szybkością jej „parowania” – im jest ona mniejsza, tym krócej istnieje. Oznacza to, że wszyscy przeciwnicy Wielkiego Zderzacza Hadronów nie powinni się martwić: czarne dziury w nim nie będą w stanie przetrwać nawet milionowej części sekundy.

Teoria niepotwierdzona w praktyce

Niestety, technologia ludzka na tym etapie rozwoju nie pozwala nam przetestować większości teorii opracowanych przez astrofizyków i innych naukowców. Z jednej strony istnienie czarnych dziur zostało dość przekonująco udowodnione na papierze i wydedukowane za pomocą wzorów, w których wszystko pasuje do każdej zmiennej. Z drugiej strony w praktyce prawdziwej czarnej dziury nie udało nam się jeszcze zobaczyć na własne oczy.

Pomimo wszystkich rozbieżności fizycy sugerują, że w centrum każdej galaktyki znajduje się supermasywna czarna dziura, która swoją grawitacją gromadzi gwiazdy w gromady i zmusza je do podróżowania po Wszechświecie w dużym i przyjaznym towarzystwie. Według różnych szacunków w naszej galaktyce Drogi Mlecznej znajduje się od 200 do 400 miliardów gwiazd. Wszystkie te gwiazdy krążą wokół czegoś, co ma ogromną masę, czego nie możemy zobaczyć przez teleskop. Najprawdopodobniej jest to czarna dziura. Czy powinniśmy się jej bać? – Nie, przynajmniej nie w ciągu najbliższych kilku miliardów lat, ale możemy nakręcić o tym kolejny ciekawy film.

Czarne dziury to chyba najbardziej tajemnicze i enigmatyczne obiekty astronomiczne w naszym Wszechświecie, od chwili ich odkrycia przyciągają uwagę naukowców i pobudzają wyobraźnię pisarzy science fiction. Czym są czarne dziury i co reprezentują? Czarne dziury to wymarłe gwiazdy, które ze względu na swoje właściwości fizyczne mają tak dużą gęstość i tak potężną grawitację, że nawet światło nie może przed nimi uciec.

Historia odkrycia czarnych dziur

Po raz pierwszy teoretyczne istnienie czarnych dziur, na długo przed ich faktycznym odkryciem, zasugerował niejaki D. Michel (angielski ksiądz z Yorkshire, który w wolnym czasie interesuje się astronomią) już w 1783 roku. Według jego obliczeń, jeśli weźmiemy naszą i skompresujemy ją (we współczesnym języku komputerowym, zarchiwizujmy) do promienia 3 km, powstanie tak duża (po prostu ogromna) siła grawitacyjna, że ​​nawet światło nie będzie mogło jej opuścić . Tak pojawiło się pojęcie „czarnej dziury”, choć tak naprawdę wcale nie jest czarna; naszym zdaniem właściwsze byłoby określenie „ciemna dziura”, bo to właśnie następuje brak światła.

Później, w 1918 roku, wielki naukowiec Albert Einstein pisał o problematyce czarnych dziur w kontekście teorii względności. Ale dopiero w 1967 roku, dzięki wysiłkom amerykańskiego astrofizyka Johna Wheelera, koncepcja czarnych dziur ostatecznie zyskała miejsce w kręgach akademickich.

Tak czy inaczej, D. Michel, Albert Einstein i John Wheeler w swoich pracach zakładali jedynie teoretyczne istnienie tych tajemniczych ciał niebieskich w przestrzeni kosmicznej, ale prawdziwe odkrycie czarnych dziur miało miejsce w 1971 roku, to właśnie wtedy po raz pierwszy zauważono w teleskopie.

Tak wygląda czarna dziura.

Jak powstają czarne dziury w kosmosie

Jak wiemy z astrofizyki, wszystkie gwiazdy (w tym nasze Słońce) mają ograniczone zasoby paliwa. I chociaż życie gwiazdy może trwać miliardy lat świetlnych, prędzej czy później to warunkowe zaopatrzenie w paliwo dobiegnie końca, a gwiazda „gaśnie”. Procesowi „zanikania” gwiazdy towarzyszą intensywne reakcje, podczas których gwiazda ulega znacznej transformacji i w zależności od swojej wielkości może zamienić się w białego karła, gwiazdę neutronową lub czarną dziurę. Co więcej, największe gwiazdy o niesamowicie imponujących rozmiarach zwykle zamieniają się w czarną dziurę - w wyniku kompresji tych najbardziej niesamowitych rozmiarów następuje wielokrotny wzrost masy i siły grawitacyjnej nowo powstałej czarnej dziury, która zamienia się w rodzaj galaktycznego odkurzacza - pochłaniającego wszystko i wszystkich wokół.

Czarna dziura połyka gwiazdę.

Mała uwaga – nasze Słońce, jak na standardy galaktyczne, wcale nie jest dużą gwiazdą i po jego wygaśnięciu, które nastąpi za około kilka miliardów lat, najprawdopodobniej nie zamieni się w czarną dziurę.

Ale bądźmy z tobą szczerzy - dziś naukowcy nie znają jeszcze wszystkich zawiłości powstawania czarnej dziury, niewątpliwie jest to niezwykle złożony proces astrofizyczny, który sam w sobie może trwać miliony lat świetlnych. Choć możliwy jest postęp w tym kierunku, mogłoby nastąpić odkrycie i późniejsze badanie tzw. czarnych dziur pośrednich, czyli gwiazd w stanie wymarcia, w których zachodzi aktywny proces powstawania czarnych dziur. Nawiasem mówiąc, podobną gwiazdę odkryli astronomowie w 2014 roku w ramieniu galaktyki spiralnej.

Ile czarnych dziur jest we wszechświecie?

Według teorii współczesnych naukowców w naszej galaktyce Drogi Mlecznej może znajdować się nawet setki milionów czarnych dziur. Nie mniej może ich być w naszej sąsiedniej galaktyce, do której z naszej Drogi Mlecznej nie ma co latać - 2,5 miliona lat świetlnych.

Teoria czarnej dziury

Pomimo ogromnej masy (która jest setki tysięcy razy większa od masy naszego Słońca) i niesamowitej siły grawitacji, dostrzeżenie czarnych dziur przez teleskop nie było łatwe, ponieważ w ogóle nie emitują światła. Naukowcom udało się zauważyć czarną dziurę dopiero w momencie jej „posiłku” – absorpcji innej gwiazdy, w tym momencie pojawia się charakterystyczne promieniowanie, które można już zaobserwować. Tym samym teoria czarnej dziury znalazła faktyczne potwierdzenie.

Właściwości czarnych dziur

Główną właściwością czarnej dziury są jej niesamowite pola grawitacyjne, które nie pozwalają otaczającej przestrzeni i czasu pozostać w swoim zwykłym stanie. Tak, dobrze słyszałeś, czas wewnątrz czarnej dziury płynie wielokrotnie wolniej niż zwykle, a gdybyś tam był, to wracając (oczywiście gdybyś miał szczęście) ze zdziwieniem zauważyłbyś, że minęły wieki na Ziemi, a ty nawet się nie zestarzejesz, zdążyłeś na czas. Chociaż bądźmy szczerzy, gdybyś znalazł się w czarnej dziurze, z trudem byś przeżył, ponieważ siła grawitacji jest tam taka, że ​​każdy obiekt materialny zostałby po prostu rozerwany na kawałki, nawet na atomy.

Ale gdybyś był nawet blisko czarnej dziury, pod wpływem jej pola grawitacyjnego, również byś miał trudności, ponieważ im bardziej opierasz się jej grawitacji, próbując odlecieć, tym szybciej w nią wpadniesz. Powodem tego pozornie paradoksalnego jest pole wirowe grawitacyjne, które posiadają wszystkie czarne dziury.

A co jeśli ktoś wpadnie do czarnej dziury?

Parowanie czarnych dziur

Angielski astronom S. Hawking odkrył interesujący fakt: czarne dziury również wydają się emitować parowanie. To prawda, że ​​​​dotyczy to tylko otworów o stosunkowo małej masie. Otaczająca je potężna grawitacja rodzi pary cząstek i antycząstek, jedna z nich jest wciągana przez dziurę, a druga wyrzucana na zewnątrz. Zatem czarna dziura emituje twarde antycząstki i promienie gamma. To parowanie, czyli promieniowanie z czarnej dziury, zostało nazwane na cześć naukowca, który ją odkrył – „promieniowaniem Hawkinga”.

Największa czarna dziura

Według teorii czarnej dziury w centrum niemal wszystkich galaktyk znajdują się ogromne czarne dziury o masach od kilku milionów do kilku miliardów mas Słońca. Stosunkowo niedawno naukowcy odkryli dwie największe znane do tej pory czarne dziury; znajdują się one w dwóch pobliskich galaktykach: NGC 3842 i NGC 4849.

NGC 3842 to najjaśniejsza galaktyka w konstelacji Lwa, położona 320 milionów lat świetlnych od nas. W jej centrum znajduje się ogromna czarna dziura ważąca 9,7 miliarda mas Słońca.

NGC 4849, galaktyka w gromadzie Coma, oddalona o 335 milionów lat świetlnych, może poszczycić się równie imponującą czarną dziurą.

Pole grawitacyjne tych gigantycznych czarnych dziur, czyli w kategoriach akademickich, ich horyzont zdarzeń, jest w przybliżeniu 5 razy większe od odległości od Słońca do ! Taka czarna dziura pochłonęłaby nasz Układ Słoneczny i nawet się nie udławiła.

Najmniejsza czarna dziura

Ale w ogromnej rodzinie czarnych dziur są też bardzo mali przedstawiciele. Zatem najbardziej karłowata czarna dziura odkryta do tej pory przez naukowców ma masę zaledwie 3 razy większą od masy naszego Słońca. W rzeczywistości jest to teoretyczne minimum wymagane do powstania czarnej dziury; gdyby ta gwiazda była nieco mniejsza, dziura nie powstałaby.

Czarne dziury to kanibale

Tak, istnieje takie zjawisko, jak pisaliśmy powyżej, czarne dziury są rodzajem „galaktycznych odkurzaczy”, które pochłaniają wszystko wokół siebie, w tym… inne czarne dziury. Niedawno astronomowie odkryli, że czarna dziura z jednej galaktyki została zjadana przez jeszcze większego czarnego żarłoka z innej galaktyki.

• Według hipotez niektórych naukowców czarne dziury to nie tylko galaktyczne odkurzacze, które wsysają wszystko do siebie, ale w pewnych okolicznościach same mogą dać początek nowym wszechświatom.
• Czarne dziury mogą z czasem wyparować. Pisaliśmy powyżej, że angielski naukowiec Stephen Hawking odkrył, że czarne dziury mają właściwość promieniowania i po pewnym, bardzo długim czasie, gdy nie ma już nic do wchłonięcia, czarna dziura zacznie bardziej parować, aż z czasem da całą swoją masę do otaczającej przestrzeni. Choć to tylko założenie, hipoteza.
• Czarne dziury spowalniają czas i zaginają przestrzeń. O dylatacji czasu pisaliśmy już, ale przestrzeń w warunkach czarnej dziury również będzie całkowicie zakrzywiona.
• Czarne dziury ograniczają liczbę gwiazd we Wszechświecie. Mianowicie ich pola grawitacyjne uniemożliwiają ochłodzenie obłoków gazu w kosmosie, z których, jak wiadomo, rodzą się nowe gwiazdy.

Czarne dziury na Discovery Channel, wideo

Podsumowując, oferujemy ciekawy dokument naukowy o czarnych dziurach z Discovery Channel

Każda osoba zapoznająca się z astronomią prędzej czy później odczuwa silną ciekawość najbardziej tajemniczych obiektów Wszechświata - czarnych dziur. To prawdziwi władcy ciemności, zdolni „połknąć” każdy atom przechodzący w pobliżu i nie pozwolić, aby nawet światło uciekło - ich przyciąganie jest tak potężne. Obiekty te stanowią prawdziwe wyzwanie dla fizyków i astronomów. Ci pierwsi nie mogą jeszcze zrozumieć, co dzieje się z materią, która wpadła do wnętrza czarnej dziury, a ci drudzy, mimo że najbardziej energochłonne zjawiska w kosmosie tłumaczą istnieniem czarnych dziur, nigdy nie mieli okazji zaobserwować żadnego z nich bezpośrednio. Opowiemy Ci o tych interesujących obiektach niebieskich, dowiemy się, co już zostało odkryte i czego jeszcze trzeba się dowiedzieć, aby podnieść zasłonę tajemnicy.

Co to jest czarna dziura?

Nazwę „czarna dziura” (w języku angielskim – czarna dziura) zaproponował w 1967 roku amerykański fizyk teoretyczny John Archibald Wheeler (patrz zdjęcie po lewej). Służyło do oznaczenia ciała niebieskiego, którego przyciąganie jest tak silne, że nawet światło nie puszcza. Dlatego jest „czarny”, bo nie emituje światła.

Obserwacje pośrednie

To jest powód takiej tajemnicy: ponieważ czarne dziury nie świecą, nie możemy ich zobaczyć bezpośrednio i zmuszeni jesteśmy ich szukać i badać, korzystając jedynie z pośrednich dowodów, które ich istnienie pozostawia w otaczającej przestrzeni. Innymi słowy, jeśli czarna dziura pochłonie gwiazdę, nie będziemy jej widzieć, ale możemy zaobserwować niszczycielskie skutki jej potężnego pola grawitacyjnego.

Intuicja Laplace’a

Chociaż wyrażenie „czarna dziura” na oznaczenie hipotetycznego końcowego etapu ewolucji gwiazdy, która zapadła się w siebie pod wpływem grawitacji, jest stosunkowo nowe, idea możliwości istnienia takich ciał zrodziła się już ponad dwie wieki temu. Anglik John Michell i Francuz Pierre-Simon de Laplace niezależnie postawili hipotezę o istnieniu „niewidzialnych gwiazd”; jednocześnie opierały się na zwykłych prawach dynamiki i prawie powszechnego ciążenia Newtona. Dziś czarne dziury otrzymały swój prawidłowy opis w oparciu o ogólną teorię względności Einsteina.

W swoim dziele „Wykład układu świata” (1796) Laplace napisał: „Jasna gwiazda o tej samej gęstości co Ziemia, o średnicy 250 razy większej niż średnica Słońca, dzięki swemu oddziaływaniu grawitacyjnemu przyciąganie, zapobiegają dotarciu do nas promieni świetlnych. Jest zatem możliwe, że z tego powodu największe i najjaśniejsze ciała niebieskie są niewidoczne.”

Niezwyciężona grawitacja

Pomysł Laplace'a opierał się na koncepcji prędkości ucieczki (drugiej prędkości kosmicznej). Czarna dziura jest tak gęstym obiektem, że jej grawitacja jest w stanie zatrzymać nawet światło, które rozwija największą prędkość w przyrodzie (prawie 300 000 km/s). W praktyce ucieczka z czarnej dziury wymaga prędkości większej niż prędkość światła, ale jest to niemożliwe!

Oznacza to, że gwiazda tego rodzaju będzie niewidoczna, ponieważ nawet światło nie będzie w stanie pokonać jej potężnej grawitacji. Einstein wyjaśnił ten fakt zjawiskiem załamania światła pod wpływem pola grawitacyjnego. W rzeczywistości w pobliżu czarnej dziury czasoprzestrzeń jest tak zakrzywiona, że ​​trajektorie promieni świetlnych również zamykają się wokół siebie. Aby zamienić Słońce w czarną dziurę, będziemy musieli skoncentrować całą jego masę w kuli o promieniu 3 km, a Ziemia będzie musiała zamienić się w kulę o promieniu 9 mm!

Rodzaje czarnych dziur

Jeszcze niecałe dziesięć lat temu obserwacje sugerowały istnienie dwóch typów czarnych dziur: gwiazdowych, których masa jest porównywalna z masą Słońca lub nieco ją przekracza, oraz supermasywnych, których masy wahają się od kilkuset tysięcy do wielu milionów mas Słońca . Jednak stosunkowo niedawno zdjęcia rentgenowskie i widma o wysokiej rozdzielczości uzyskane ze sztucznych satelitów, takich jak Chandra i XMM-Newton, wydobyły na pierwszy plan trzeci typ czarnej dziury – o średniej masie tysiące razy przekraczającej masę Słońca. .

Gwiezdne czarne dziury

Gwiezdne czarne dziury stały się znane wcześniej niż inne. Powstają, gdy gwiazda o dużej masie na końcu swojej ścieżki ewolucyjnej wyczerpuje swoje zapasy paliwa jądrowego i zapada się w sobie pod wpływem własnej grawitacji. Eksplozja, która wstrząsa gwiazdą (zjawisko znane jako „eksplozja supernowej”) ma katastrofalne skutki: jeśli jądro gwiazdy ma masę ponad 10 razy większą od masy Słońca, żadna siła jądrowa nie jest w stanie oprzeć się zapadnięciu grawitacyjnemu, które doprowadzi do powstania gwiazdy czarnej dziury.

Supermasywne czarne dziury

Supermasywne czarne dziury, po raz pierwszy zaobserwowane w jądrach niektórych aktywnych galaktyk, mają inne pochodzenie. Istnieje kilka hipotez dotyczących ich narodzin: gwiezdna czarna dziura, która w ciągu milionów lat pożera wszystkie otaczające ją gwiazdy; gromada czarnych dziur łączących się ze sobą; kolosalna chmura gazu zapadająca się bezpośrednio w czarną dziurę. Te czarne dziury należą do najbardziej energetycznych obiektów w kosmosie. Znajdują się w centrach wielu, jeśli nie wszystkich, galaktyk. Nasza Galaktyka również ma taką czarną dziurę. Czasami, z powodu obecności takiej czarnej dziury, jądra tych galaktyk stają się bardzo jasne. Galaktyki z czarnymi dziurami w centrum, otoczone dużą ilością spadającej materii i dzięki temu zdolne do wytwarzania kolosalnych ilości energii, nazywane są „aktywnymi”, a ich jądra nazywane są „aktywnymi jądrami galaktycznymi” (AGN). Na przykład kwazary (najdalsze od nas obiekty kosmiczne dostępne dla naszych obserwacji) to aktywne galaktyki, w których widzimy jedynie bardzo jasne jądro.

Średnie i mini

Kolejną zagadką pozostają czarne dziury o średniej masie, które według ostatnich badań mogą znajdować się w centrach niektórych gromad kulistych, takich jak M13 i NCC 6388. Wielu astronomów jest sceptycznych wobec tych obiektów, ale niektóre nowe badania sugerują obecność czarne dziury średniej wielkości nawet w pobliżu centrum naszej Galaktyki. Angielski fizyk Stephen Hawking wysunął także teoretyczne założenie o istnieniu czwartego rodzaju czarnej dziury - „mini-dziury” o masie zaledwie miliarda ton (co jest w przybliżeniu równe masie dużej góry). Mówimy o obiektach pierwotnych, czyli tych, które pojawiły się w pierwszych chwilach życia Wszechświata, kiedy ciśnienie było jeszcze bardzo wysokie. Jednak do tej pory nie odkryto ani śladu ich istnienia.

Jak znaleźć czarną dziurę

Zaledwie kilka lat temu nad czarnymi dziurami zaświeciło się światło. Dzięki stale udoskonalanym instrumentom i technologiom (zarówno naziemnym, jak i kosmicznym) obiekty te stają się coraz mniej tajemnicze; a dokładniej otaczająca je przestrzeń staje się mniej tajemnicza. W rzeczywistości, ponieważ sama czarna dziura jest niewidoczna, możemy ją rozpoznać tylko wtedy, gdy jest otoczona wystarczającą ilością materii (gwiazd i gorącego gazu) krążącej wokół niej w niewielkiej odległości.

Oglądanie systemów binarnych

Niektóre gwiezdne czarne dziury odkryto obserwując ruch orbitalny gwiazdy wokół niewidocznego towarzysza w układzie podwójnym. Zamknięte układy podwójne (czyli składające się z dwóch bardzo blisko siebie położonych gwiazd), w których jeden z towarzyszy jest niewidoczny, są ulubionym obiektem obserwacji astrofizyków poszukujących czarnych dziur.

Oznaką obecności czarnej dziury (lub gwiazdy neutronowej) jest silna emisja promieni rentgenowskich spowodowana złożonym mechanizmem, który można schematycznie opisać w następujący sposób. Dzięki swojej potężnej grawitacji czarna dziura może wyrwać materię ze swojej gwiazdy towarzyszącej; gaz ten rozprzestrzenia się, tworząc płaski dysk i spiralnie opadając do czarnej dziury. Tarcie powstałe w wyniku zderzeń cząstek spadającego gazu nagrzewa wewnętrzne warstwy dysku do kilku milionów stopni, co powoduje silne promieniowanie rentgenowskie.

Obserwacje rentgenowskie

Prowadzone od kilkudziesięciu lat obserwacje rentgenowskie obiektów w naszej Galaktyce i sąsiednich galaktykach pozwoliły wykryć zwarte źródła podwójne, z których kilkanaście to układy zawierające kandydatów na czarne dziury. Głównym problemem jest określenie masy niewidzialnego ciała niebieskiego. Masę (choć niezbyt dokładną) można wyznaczyć badając ruch towarzysza lub, co jest znacznie trudniejsze, mierząc natężenie promieniowania rentgenowskiego spadającej materii. Natężenie to jest powiązane równaniem z masą ciała, na które spada ta substancja.

laureat Nagrody Nobla

Coś podobnego można powiedzieć o supermasywnych czarnych dziurach obserwowanych w jądrach wielu galaktyk, których masy szacuje się na podstawie pomiaru prędkości orbitalnych gazu wpadającego do czarnej dziury. W tym przypadku, wywołany silnym polem grawitacyjnym bardzo dużego obiektu, gwałtowny wzrost prędkości obłoków gazu krążących w centrach galaktyk jest wykrywany zarówno w zakresie radiowym, jak i promieni optycznych. Obserwacje w zakresie rentgenowskim mogą potwierdzić zwiększone uwalnianie energii spowodowane wpadaniem materii do czarnej dziury. Badania nad promieniami rentgenowskimi rozpoczął na początku lat 60. XX wieku Włoch Riccardo Giacconi, który pracował w USA. W 2002 roku otrzymał Nagrodę Nobla w uznaniu jego „pionierskiego wkładu w astrofizykę, który doprowadził do odkrycia źródeł promieniowania rentgenowskiego w kosmosie”.

Cygnus X-1: pierwszy kandydat

Nasza Galaktyka nie jest odporna na obecność potencjalnych obiektów na czarną dziurę. Na szczęście żaden z tych obiektów nie znajduje się na tyle blisko nas, aby stanowić zagrożenie dla istnienia Ziemi czy Układu Słonecznego. Pomimo dużej liczby zidentyfikowanych kompaktowych źródeł promieniowania rentgenowskiego (a są to najbardziej prawdopodobni kandydaci na czarne dziury), nie mamy pewności, że faktycznie zawierają one czarne dziury. Jedynym spośród tych źródeł, które nie ma alternatywnej wersji, jest bliski układ podwójny Cygnus X-1, czyli najjaśniejsze źródło promieniowania rentgenowskiego w konstelacji Łabędzia.

Masywne gwiazdy

Układ ten, którego okres obiegu wynosi 5,6 dnia, składa się z bardzo jasnej, niebieskiej gwiazdy o dużych rozmiarach (jej średnica jest 20 razy większa od Słońca i około 30 razy większa masa), łatwo widocznej nawet przez teleskop oraz niewidzialna druga gwiazda, której masę szacuje się na kilka mas Słońca (do 10). Druga gwiazda, znajdująca się w odległości 6500 lat świetlnych od nas, byłaby doskonale widoczna, gdyby była zwykłą gwiazdą. Jej niewidzialność, potężna emisja promieniowania rentgenowskiego wytwarzanego przez układ i wreszcie oszacowanie masy prowadzą większość astronomów do przekonania, że ​​jest to pierwsze potwierdzone odkrycie gwiezdnej czarnej dziury.

Wątpienie

Są jednak i sceptycy. Wśród nich jest jeden z największych badaczy czarnych dziur, fizyk Stephen Hawking. Założył się nawet ze swoim amerykańskim kolegą Keelem Thorne’em, zagorzałym zwolennikiem klasyfikacji obiektu Cygnus X-1 jako czarnej dziury.

Debata na temat tożsamości obiektu Cygnus X-1 to nie jedyny zakład Hawkinga. Poświęciwszy kilka dziewięciu lat teoretycznym badaniom czarnych dziur, utwierdził się w przekonaniu o błędności swoich wcześniejszych poglądów na temat tych tajemniczych obiektów.W szczególności Hawking założył, że materia po wpadnięciu do czarnej dziury znika na zawsze, a wraz z nią cała materia jego bagaż informacyjny znika. Był tego tak pewien, że w 1997 roku założył się na ten temat ze swoim amerykańskim kolegą Johnem Preskillem.

Przyznanie się do błędu

21 lipca 2004 roku w swoim przemówieniu na Kongresie Teorii Względności w Dublinie Hawking przyznał, że Preskill miał rację. Czarne dziury nie prowadzą do całkowitego zaniku materii. Co więcej, mają pewien rodzaj „pamięci”. Mogą zawierać ślady tego, co spożyli. Zatem poprzez „parowanie” (to znaczy powolne emitowanie promieniowania w wyniku efektu kwantowego) mogą zwrócić tę informację do naszego Wszechświata.

Czarne dziury w Galaktyce

Astronomowie wciąż mają wiele wątpliwości co do obecności gwiezdnych czarnych dziur (takich jak ta należąca do układu podwójnego Cygnus X-1) w naszej Galaktyce; ale wątpliwości co do supermasywnych czarnych dziur jest znacznie mniej.

W centrum

Nasza Galaktyka ma co najmniej jedną supermasywną czarną dziurę. Jej źródło, znane jako Sagittarius A*, jest dokładnie zlokalizowane w centrum płaszczyzny Drogi Mlecznej. Jego nazwę tłumaczy fakt, że jest to najpotężniejsze źródło radiowe w konstelacji Strzelca. To w tym kierunku znajdują się zarówno geometryczne, jak i fizyczne centra naszego układu galaktycznego. Znajdująca się w odległości około 26 000 lat świetlnych supermasywna czarna dziura powiązana ze źródłem fal radiowych Sagittarius A* ma masę szacowaną na około 4 miliony mas Słońca i mieści się w przestrzeni, której objętość jest porównywalna z objętością Układu Słonecznego. Jego względna bliskość do nas (jest to zdecydowanie najbliższa Ziemi supermasywna czarna dziura) sprawiła, że ​​w ostatnich latach obiekt był szczególnie dokładnie badany przez obserwatorium kosmiczne Chandra. Okazało się w szczególności, że jest także potężnym źródłem promieniowania rentgenowskiego (ale nie tak potężnym jak źródła w aktywnych jądrach galaktycznych). Strzelec A* może być uśpioną pozostałością po aktywnym jądrze naszej Galaktyki miliony, a może miliardy lat temu.

Druga czarna dziura?

Niektórzy astronomowie uważają jednak, że w naszej Galaktyce kryje się kolejna niespodzianka. Mówimy o drugiej czarnej dziurze o średniej masie, która utrzymuje gromadę młodych gwiazd i zapobiega ich wpadnięciu do supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum samej Galaktyki. Jak to możliwe, że w odległości mniejszej niż rok świetlny od niej może znajdować się gromada gwiazd mająca zaledwie 10 milionów lat, czyli według standardów astronomicznych bardzo młoda? Zdaniem badaczy odpowiedź jest taka, że ​​gromada nie narodziła się tam (środowisko wokół centralnej czarnej dziury jest zbyt nieprzyjazne, aby mogły powstać gwiazdy), ale została tam „wciągnięta” ze względu na istnienie w jej wnętrzu drugiej czarnej dziury, co ma średnią masę.

Na orbicie

Pojedyncze gwiazdy w gromadzie, przyciągane przez supermasywną czarną dziurę, zaczęły przesuwać się w kierunku centrum galaktyki. Jednak zamiast rozproszyć się w przestrzeni, pozostają zebrane razem dzięki przyciąganiu grawitacyjnemu drugiej czarnej dziury znajdującej się w centrum gromady. Masę tej czarnej dziury można oszacować na podstawie jej zdolności do utrzymania na smyczy całej gromady gwiazd. Średniej wielkości czarna dziura najwyraźniej potrzebuje około 100 lat, aby okrążyć centralną czarną dziurę. Oznacza to, że wieloletnie obserwacje pozwolą nam to „zobaczyć”.

Gwiazda pod koniec swojego życia może zamienić się w czarną dziurę. Podczas tej transformacji gwiazda bardzo mocno się kurczy, zachowując jednocześnie swoją masę. Gwiazda zamienia się w małą, ale bardzo ciężką kulkę. Jeśli założymy, że nasza planeta Ziemia stanie się czarną dziurą, wówczas jej średnica w tym stanie wyniesie zaledwie 9 milimetrów. Ale Ziemia nie będzie mogła zamienić się w czarną dziurę, bo w jądrach planet zachodzą zupełnie inne reakcje, a nie takie same jak w gwiazdach.

Tak silne ściskanie i zagęszczanie gwiazdy następuje, ponieważ pod wpływem reakcji termojądrowych w centrum gwiazdy jej siła przyciągania znacznie wzrasta i zaczyna przyciągać powierzchnię gwiazdy do jej środka. Stopniowo prędkość, z jaką gwiazda się kurczy, wzrasta i ostatecznie zaczyna przekraczać prędkość światła. Kiedy gwiazda osiąga ten stan, przestaje świecić, ponieważ cząstki światła – kwanty – nie są w stanie pokonać siły grawitacji. Gwiazda w tym stanie przestaje emitować światło, pozostaje „wewnątrz” promienia grawitacyjnego – granicy, w obrębie której wszystkie obiekty są przyciągane do powierzchni gwiazdy. Astronomowie nazywają tę granicę horyzontem zdarzeń. Poza tą granicą siła grawitacji czarnej dziury maleje. Ponieważ cząstki światła nie są w stanie pokonać granicy grawitacyjnej gwiazdy, czarną dziurę można wykryć jedynie za pomocą instrumentów, np. jeśli z nieznanych przyczyn statek kosmiczny lub inne ciało - kometa lub asteroida - zacznie zmieniać swoją trajektorię, oznacza to, że najprawdopodobniej powstał pod wpływem sił grawitacyjnych czarnej dziury. Kontrolowany obiekt kosmiczny w takiej sytuacji musi pilnie włączyć wszystkie silniki i opuścić strefę niebezpiecznej grawitacji, a jeśli zabraknie mu mocy, nieuchronnie zostanie pochłonięty przez czarną dziurę.

Gdyby Słońce mogło zamienić się w czarną dziurę, wówczas planety Układu Słonecznego znalazłyby się w promieniu grawitacyjnym Słońca, które przyciągałoby je i pochłaniało. Na szczęście dla nas tak się nie stanie, bo... Tylko bardzo duże, masywne gwiazdy mogą zamienić się w czarną dziurę. Słońce jest na to za małe. W trakcie swojej ewolucji Słońce najprawdopodobniej stanie się wymarłym czarnym karłem. Inne czarne dziury, które już istnieją w kosmosie, nie są groźne dla naszej planety i ziemskich statków kosmicznych – są zbyt daleko od nas.

W popularnym serialu „Teoria wielkiego podrywu”, który możesz obejrzeć, nie poznasz tajemnic powstania Wszechświata ani przyczyn pojawienia się czarnych dziur w kosmosie. Główni bohaterowie pasjonują się nauką i pracują na wydziale fizyki na uniwersytecie. Ciągle znajdują się w różnych absurdalnych sytuacjach, które są zabawne do oglądania.

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.

Bazując na badaniach i założeniach teoretycznych, dziś 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