Nykyajan tutkijoille musta aukko on yksi maailmankaikkeuden salaperäisimmistä ilmiöistä. Tällaisten esineiden tutkiminen on vaikeaa, niitä ei ole mahdollista kokeilla "kokemuksella". Mustan aukon aineen massa, tiheys, tämän kohteen muodostumisprosessit, mitat - kaikki tämä herättää kiinnostusta asiantuntijoiden keskuudessa ja toisinaan hämmennystä. Tarkastellaanpa aihetta tarkemmin. Analysoidaan ensin, mikä tällainen objekti on.
Yleistä tietoa
Kosmisen kohteen hämmästyttävä ominaisuus on pienen säteen, mustan aukon suuren tiheyden ja uskomattoman suuren massan yhdistelmä. Kaikki tällaisen esineen tällä hetkellä tunnetut fysikaaliset ominaisuudet näyttävät tutkijoille oudolta, usein selittämättömiltä. Jopa kokeneimmat astrofyysikot ovat edelleen hämmästyneitä tällaisten ilmiöiden erityispiirteistä. Tärkein ominaisuus, jonka avulla tutkijat voivat tunnistaa mustan aukon, on tapahtumahorisontti, eli raja, jonka vuoksimikään ei palaa, valo mukaan lukien. Jos vyöhyke on pysyvästi erotettu, erotusraja määrätään tapahtumahorisontiksi. Väliaikaisella erotuksella näkyvä horisontti on kiinteä. Joskus ajallinen on hyvin löysä käsite, toisin sanoen alue voi olla erillään ajanjaksoksi, joka ylittää universumin nykyisen iän. Jos näkyvä horisontti on olemassa pitkään, sitä on vaikea erottaa tapahtumahorisontista.
Mustan aukon ominaisuudet, sen muodostavan aineen tiheys, johtuvat monella tapaa muista fysikaalisista ominaisuuksista, jotka toimivat maailmanlakeissamme. Pallosymmetrisen mustan aukon tapahtumahorisontti on pallo, jonka halkaisija määräytyy sen massan mukaan. Mitä enemmän massaa vedetään sisäänpäin, sitä suurempi reikä. Ja silti se pysyy yllättävän pienenä tähtien taustalla, kun gravitaatiopaine puristaa kaiken sisällä. Jos kuvittelemme reiän, jonka massa vastaa planeettamme, niin tällaisen esineen säde ei ylitä muutamaa millimetriä, eli se on kymmenen miljardia vähemmän kuin maa. Säde on nimetty Schwarzschildin mukaan, tiedemieheltä, joka päätteli ensimmäisenä mustat aukot ratkaisuksi Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan.
Ja sisällä?
Tällaiseen esineeseen joutunut ihminen ei todennäköisesti huomaa v altavaa tiheyttä itsestään. Mustan aukon ominaisuuksia ei tiedetä hyvin, jotta voidaan olla varmoja siitä, mitä tapahtuu, mutta tutkijat uskovat, että horisontin ylittäessä ei voida paljastaa mitään erityistä. Tämä selittyy vastaavalla Einsteinilaisuudellaperiaate, joka selittää, miksi horisontin kaarevuuden muodostava kenttä ja tasoon luontainen kiihtyvyys eivät eroa havaitsijalle. Kun seuraat ylitysprosessia kaukaa, voit nähdä, että kohde alkaa hidastua lähellä horisonttia, ikään kuin aika kuluisi tässä paikassa hitaasti. Jonkin ajan kuluttua esine ylittää horisontin ja putoaa Schwarzschildin säteeseen.
Aineen tiheys mustassa aukossa, esineen massa, sen mitat ja vuorovesivoimat sekä gravitaatiokenttä liittyvät läheisesti toisiinsa. Mitä suurempi säde, sitä pienempi tiheys. Säde kasvaa painon myötä. Vuorovesivoimat ovat kääntäen verrannollisia painon neliöön, eli mittojen kasvaessa ja tiheyden pienentyessä kohteen vuorovesivoimat pienenevät. Horisontti on mahdollista ylittää ennen tämän tosiasian havaitsemista, jos kohteen massa on erittäin suuri. Yleisen suhteellisuusteorian alkuaikoina uskottiin, että horisontissa oli singulariteetti, mutta näin ei käynyt.
Tiheydestä
Kuten tutkimukset ovat osoittaneet, mustan aukon tiheys voi massasta riippuen olla enemmän tai vähemmän. Eri kohteissa tämä ilmaisin vaihtelee, mutta pienenee aina säteen kasvaessa. Voi syntyä supermassiivisia reikiä, joita muodostuu laajasti materiaalin kertymisen vuoksi. Keskimäärin tällaisten esineiden, joiden massa vastaa useiden miljardien valon kokonaismassaa järjestelmässämme, tiheys on pienempi kuin veden tiheys. Joskus se on verrattavissa kaasun tiheyden tasoon. Tämän kohteen vuorovesivoima aktivoituu jo sen jälkeen, kun tarkkailija ylittää horisontinTapahtumat. Hypoteettinen tutkimusmatkailija ei loukkaantuisi lähestyessään horisonttia, ja hän putoaisi tuhansia kilometrejä, jos hän löytäisi suojan levyplasm alta. Jos tarkkailija ei katso taaksepäin, hän ei huomaa, että horisontti on ylitetty, ja jos hän kääntää päätään, hän todennäköisesti näkee horisonttiin jäädytettyjä valonsäteitä. Tarkkailijan aika kuluu hyvin hitaasti, hän pystyy seuraamaan tapahtumia reiän lähellä kuoleman hetkeen saakka - joko häntä tai universumia.
Supermassiivisen mustan aukon tiheyden määrittämiseksi sinun on tiedettävä sen massa. Etsi tämän suuren arvo ja avaruusobjektiin kuuluva Schwarzschildin tilavuus. Keskimäärin tällainen indikaattori on astrofyysikkojen mukaan poikkeuksellisen pieni. Vaikuttavassa prosenttiosuudessa tapauksista se on pienempi kuin ilman tiheys. Ilmiö selitetään seuraavasti. Schwarzschildin säde on suoraan verrannollinen painoon, kun taas tiheys on kääntäen verrannollinen tilavuuteen ja siten Schwarzschildin säde. Tilavuus liittyy suoraan kuution säteeseen. Massa kasvaa lineaarisesti. Näin ollen tilavuus kasvaa painoa nopeammin ja keskimääräinen tiheys pienenee, mitä suurempi on tutkittavan kohteen säde.
Utelias tietää
Reikään kuuluva vuorovesivoima on gravitaatiovoiman gradientti, joka on melko suuri horisontissa, joten edes fotonit eivät pääse pakoon täältä. Samaan aikaan parametrin kasvu tapahtuu melko tasaisesti, mikä mahdollistaa sen, että tarkkailija voi ylittää horisontin vaarantamatta itseään.
Tutkii mustan aukon tiheyttäkohteen keskipiste on edelleen suhteellisen rajallinen. Astrofyysikot ovat osoittaneet, että mitä lähempänä keskussingulariteetti on, sitä korkeampi on tiheys. Aiemmin mainitun laskentamekanismin avulla saat hyvin keskimääräisen käsityksen siitä, mitä tapahtuu.
Tieteilijöillä on erittäin rajalliset käsitykset siitä, mitä reiässä tapahtuu, sen rakenteesta. Astrofyysikkojen mukaan reiän tiheysjakauma ei ole ulkopuoliselle tarkkailijalle ainakaan nykytasolla kovin merkittävä. Paljon informatiivisempi painon ja painon erittely. Mitä suurempi massa, sitä vahvemmin keskus, horisontti, erotetaan toisistaan. On myös sellaisia oletuksia: aivan horisontin takana aine puuttuu periaatteessa, se voidaan havaita vain kohteen syvyyksissä.
Onko numeroita tiedossa?
Tutkijat ovat miettineet mustan aukon tiheyttä pitkään. Tiettyjä tutkimuksia tehtiin, yritettiin laskea. Tässä on yksi niistä.
Auringon massa on 210^30 kg. Aurinkoa useita kertoja suuremman esineen paikalle voi muodostua reikä. Kevyimmän reiän tiheydeksi on arvioitu keskimäärin 10^18 kg/m3. Tämä on suuruusluokkaa suurempi kuin atomin ytimen tiheys. Suunnilleen sama ero neutronitähdelle ominaisesta keskimääräisestä tiheystasosta.
Ultrakevyiden reikien olemassaolo on mahdollista, joiden mitat vastaavat subydinhiukkasia. Tällaisten kohteiden tiheysindeksi on kohtuuttoman suuri.
Jos planeettamme muuttuu reikäksi, sen tiheys on noin 210^30 kg/m3. Tiedemiehet eivät kuitenkaan ole pystyneetpaljastaa prosessit, joiden seurauksena avaruustalomme voi muuttua mustaksi aukoksi.
Tietoja numeroista tarkemmin
Mustan aukon tiheydeksi Linnunradan keskustassa on arvioitu 1,1 miljoonaa kg/m3. Tämän kohteen massa vastaa 4 miljoonaa auringon massaa. Reiän säteen arvioidaan olevan 12 miljoonaa kilometriä. Linnunradan keskellä olevan mustan aukon ilmoitettu tiheys antaa käsityksen supermassiivisten reikien fyysisistä parametreista.
Jos jonkin esineen paino on 10^38 kg, eli sen arvioidaan olevan noin 100 miljoonaa aurinkoa, niin tähtitieteellisen kohteen tiheys vastaa planeet altamme löydetyn graniitin tiheystasoa.
Kaikista nykyajan astrofyysikkojen tuntemista reikistä yksi raskaimmista rei'istä löydettiin OJ 287 -kvasaarista. Sen paino vastaa järjestelmämme 18 miljardia valaisinta. Mikä on mustan aukon tiheys, tutkijat ovat laskeneet ilman suuria vaikeuksia. Arvo osoittautui katoavan pieneksi. Se on vain 60 g/m3. Vertailun vuoksi: planeettamme ilmakehän tiheys on 1,29 mg/m3.
Mistä reikiä tulee?
Tutkijat eivät ainoastaan tehneet tutkimusta määrittääkseen mustan aukon tiheyden verrattuna järjestelmämme tähteen tai muihin kosmisiin kappaleisiin, vaan myös yrittäneet selvittää, mistä aukot tulevat ja mitkä ovat niiden muodostumismekanismit. salaperäisiä esineitä. Nyt on olemassa idea neljästä tapasta reikien esiintymiseen. Ymmärrettävin vaihtoehto on tähden romahtaminen. Kun se kasvaa suureksi, synteesi ytimessä on valmis,paine häviää, aine putoaa painopisteeseen, jolloin syntyy reikä. Kun lähestyt keskustaa, tiheys kasvaa. Ennemmin tai myöhemmin indikaattorista tulee niin merkittävä, että ulkoiset esineet eivät pysty voittamaan painovoiman vaikutuksia. Tästä eteenpäin ilmestyy uusi reikä. Tämä tyyppi on yleisempi kuin muut, ja sitä kutsutaan aurinkomassareikiksi.
Toinen melko yleinen reikätyyppi on supermassiivinen. Näitä havaitaan useammin galaktisissa keskuksissa. Esineen massa verrattuna edellä kuvattuun aurinkomassareikään on miljardeja kertoja suurempi. Tiedemiehet eivät ole vielä määrittäneet tällaisten esineiden ilmentymisprosesseja. Oletetaan, että ensin muodostetaan reikä edellä kuvatun mekanismin mukaisesti, sitten naapuritähdet absorboituvat, mikä johtaa kasvuun. Tämä on mahdollista, jos galaksin vyöhyke on tiheästi asuttu. Aineen absorptio tapahtuu nopeammin kuin yllä oleva kaavio voi selittää, eivätkä tiedemiehet voi vielä arvata, kuinka absorptio etenee.
Oletukset ja ideat
Erittäin vaikea aihe astrofyysikoille ovat alkureiät. Sellaiset ilmenevät luultavasti mistä tahansa massasta. Ne voivat muodostua suurissa vaihteluissa. Todennäköisesti tällaisten reikien ilmestyminen tapahtui varhaisessa universumissa. Toistaiseksi mustien aukkojen ominaisuuksiin, ominaisuuksiin (mukaan lukien tiheyteen) ja niiden esiintymisprosesseihin omistetut tutkimukset eivät anna meille mahdollisuutta määrittää mallia, joka toistaa tarkasti ensisijaisen reiän ilmestymisprosessin. Tällä hetkellä tunnetut mallit ovat pääosin sellaisia, että jos ne toteutuisivat todellisuudessa,reikiä olisi liikaa.
Oletetaan, että Large Hadron Collider voi muodostua reiän muodostumisen lähteeksi, jonka massa vastaa Higgsin bosonia. Näin ollen mustan aukon tiheys on erittäin suuri. Jos tällainen teoria vahvistetaan, sitä voidaan pitää epäsuorana todisteena ylimääräisten ulottuvuuksien olemassaolosta. Tällä hetkellä tätä spekulatiivista päätelmää ei ole vielä vahvistettu.
Säteilyä reiästä
Reiän emissio selittyy aineen kvanttivaikutuksilla. Tila on dynaaminen, joten täällä olevat hiukkaset ovat täysin erilaisia kuin mihin olemme tottuneet. Reiän lähellä ei vain aika ole vääristynyt; hiukkasen ymmärtäminen riippuu pitkälti siitä, kuka sitä tarkkailee. Jos joku putoaa reikään, hänestä näyttää siltä, että hän syöksyy tyhjiöön, ja kaukaiselle tarkkailijalle se näyttää hiukkasilla täytetyltä vyöhykkeeltä. Vaikutus selittyy ajan ja tilan venymisellä. Reiästä tuleva säteily tunnisti ensimmäisenä Hawking, jonka nimi annettiin ilmiölle. Säteilyllä on lämpötila, joka on kääntäen verrannollinen massaan. Mitä pienempi tähtitieteellisen kohteen paino, sitä korkeampi lämpötila (sekä mustan aukon tiheys). Jos reikä on supermassiivinen tai sen massa on verrattavissa tähteen, sen säteilyn luontainen lämpötila on alhaisempi kuin mikroa altouunin tausta. Tämän vuoksi häntä ei ole mahdollista tarkkailla.
Tämä säteily selittää tietojen menetyksen. Tämä on lämpöilmiön nimi, jolla on yksi selkeä ominaisuus - lämpötila. Tutkimuksen aikana ei ole tietoa reikien muodostumisprosesseista, mutta kohde, joka lähettää tällaista säteilyä samanaikaisesti, menettää massaa (ja siksi kasvaamustan aukon tiheys) pienenee. Prosessia ei määrää aine, josta reikä muodostuu, se ei riipu siitä, mitä siihen myöhemmin imettiin. Tutkijat eivät voi sanoa, mistä reiän pohja tuli. Lisäksi tutkimukset ovat osoittaneet, että säteily on peruuttamaton prosessi, toisin sanoen sellainen, jota kvanttimekaniikassa ei yksinkertaisesti voi olla olemassa. Tämä tarkoittaa, että säteilyä ei voida sovittaa yhteen kvanttiteorian kanssa, ja epäjohdonmukaisuus vaatii lisätyötä tähän suuntaan. Vaikka tiedemiehet uskovat, että Hawkingin säteilyn pitäisi sisältää tietoa, meillä ei vain vielä ole keinoja, kykyjä havaita se.
Utelias: neutronitähdistä
Jos on olemassa superjättiläinen, se ei tarkoita, että tällainen tähtitieteellinen kappale olisi ikuinen. Ajan myötä se muuttuu, hylkää ulkokerrokset. Valkoisia kääpiöitä voi tulla esiin jäänteistä. Toinen vaihtoehto on neutronitähdet. Tietyt prosessit määräytyvät primäärikappaleen ydinmassan mukaan. Jos sen arvioidaan olevan 1,4-3 aurinkoa, superjättiläisen tuhoamiseen liittyy erittäin korkea paine, jonka vuoksi elektronit ikään kuin puristuvat protoneihin. Tämä johtaa neutronien muodostumiseen, neutriinojen emission. Fysiikassa tätä kutsutaan neutronien degeneroituneeksi kaasuksi. Sen paine on sellainen, ettei tähti voi supistua enempää.
Kuitenkin, kuten tutkimukset ovat osoittaneet, luultavasti kaikki neutronitähdet eivät ilmestyneet tällä tavalla. Jotkut niistä ovat jäänteitä suurista, jotka räjähtivät kuin toinen supernova.
Tomin kehon sädevähemmän kuin enemmän massaa. Useimmilla se vaihtelee 10-100 km:n välillä. Suoritettiin tutkimuksia mustien aukkojen, neutronitähtien tiheyden määrittämiseksi. Toisen os alta, kuten testit ovat osoittaneet, parametri on suhteellisen lähellä atomia. Astrofyysikkojen asettamat luvut: 10^10 g/cm3.
Utelias tietää: teoria ja käytäntö
Neutronitähdet ennustettiin teoriassa viime vuosisadan 60- ja 70-luvuilla. Pulsarit löydettiin ensimmäisinä. Nämä ovat pieniä tähtiä, joiden pyörimisnopeus on erittäin korkea ja magneettikenttä on todella mahtava. Oletetaan, että pulsar perii nämä parametrit alkuperäiseltä tähdeltä. Pyörimisjakso vaihtelee millisekunneista useisiin sekunteihin. Ensimmäiset tunnetut pulsarit lähettivät jaksoittaista radiosäteilyä. Nykyään tunnetaan pulsarit, joissa on röntgenspektrisäteilyä, gammasäteilyä.
Kuvattu neutronitähtien muodostumisprosessi voi jatkua – mikään ei voi pysäyttää sitä. Jos ydinmassa on enemmän kuin kolme auringon massaa, niin pistemäinen kappale on erittäin kompakti, sitä kutsutaan reikiksi. Ei ole mahdollista määrittää sellaisen mustan aukon ominaisuuksia, jonka massa on kriittistä suurempi. Jos osa massasta katoaa Hawking-säteilyn takia, säde pienenee samalla, joten painoarvo on jälleen pienempi kuin tämän kohteen kriittinen arvo.
Voiko reikä kuolla?
Tutkijat esittävät oletuksia prosessien olemassaolosta hiukkasten ja antihiukkasten osallistumisen vuoksi. Elementtien vaihtelu voi aiheuttaa tyhjän tilan karakterisoinninnollaenergiataso, joka (tässä on paradoksi!) ei ole yhtä suuri kuin nolla. Samaan aikaan keholle luontainen tapahtumahorisontti saa absoluuttiselle mustalle kappaleelle ominaisen matalaenergiaspektrin. Tällainen säteily aiheuttaa massahäviön. Horisontti kutistuu hieman. Oletetaan, että hiukkasia ja sen antagonisteja on kaksi paria. On olemassa hiukkasen tuhoutuminen yhdestä parista ja sen antagonisti toisesta. Seurauksena on, että reiästä lentää fotoneja. Toinen ehdotettujen hiukkasten pari putoaa reikään ja samalla absorboi jonkin verran massaa, energiaa. Tämä johtaa vähitellen mustan aukon kuolemaan.
Johtopäätöksenä
Joidenkin mielestä musta aukko on eräänlainen kosminen pölynimuri. Reikä voi niellä tähden, se voi jopa "syödä" galaksin. Suhteellisuusteoriasta löytyy monella tapaa selitys reiän ominaisuuksille ja sen muodostumisen piirteille. Siitä tiedetään, että aika on jatkuvaa, samoin kuin avaruus. Tämä selittää, miksi pakkausprosesseja ei voida pysäyttää, ne ovat rajattomat ja rajattomat.
Nämä ovat näitä salaperäisiä mustia aukkoja, joiden yli astrofyysikot ovat jyrkänneet aivojaan yli vuosikymmenen ajan.
