Pre moderných vedcov je čierna diera jedným z najzáhadnejších javov v našom vesmíre. Štúdium takýchto objektov je náročné, nie je možné ich skúšať „na základe skúseností“. Hmotnosť, hustota hmoty čiernej diery, procesy formovania tohto objektu, rozmery - to všetko vzbudzuje záujem medzi odborníkmi a niekedy - zmätok. Pozrime sa na tému podrobnejšie. Najprv analyzujme, čo je taký objekt.
Všeobecné informácie
Úžasnou vlastnosťou kozmického objektu je kombinácia malého polomeru, vysokej hustoty hmoty čiernej diery a neuveriteľne veľkej hmoty. Všetky v súčasnosti známe fyzikálne vlastnosti takéhoto objektu sa vedcom zdajú zvláštne, často nevysvetliteľné. Dokonca aj najskúsenejší astrofyzici sú stále prekvapení zvláštnosťami takýchto javov. Hlavnou črtou, ktorá vedcom umožňuje identifikovať čiernu dieru, je horizont udalostí, teda hranica, vďaka ktorejnič sa nevráti, vrátane svetla. Ak je zóna trvalo oddelená, hranica oddelenia je označená ako horizont udalostí. Pri dočasnom oddelení je prítomnosť viditeľného horizontu fixovaná. Niekedy je pojem temporal veľmi voľný, to znamená, že oblasť môže byť oddelená na obdobie presahujúce súčasný vek vesmíru. Ak existuje viditeľný horizont, ktorý existuje dlhý čas, je ťažké ho odlíšiť od horizontu udalostí.
V mnohých ohľadoch sú vlastnosti čiernej diery, hustota látky, ktorá ju tvorí, spôsobené inými fyzikálnymi vlastnosťami, ktoré fungujú v našich svetových zákonoch. Horizont udalostí sféricky symetrickej čiernej diery je guľa, ktorej priemer je určený jej hmotnosťou. Čím viac hmoty je vtiahnutá dovnútra, tým väčší je otvor. A napriek tomu zostáva na pozadí hviezd prekvapivo malý, keďže gravitačný tlak stláča všetko vo vnútri. Ak si predstavíme dieru, ktorej hmotnosť zodpovedá našej planéte, potom polomer takéhoto objektu nepresiahne niekoľko milimetrov, to znamená, že bude o desať miliárd menej ako Zem. Polomer bol pomenovaný po Schwarzschildovi, vedcovi, ktorý ako prvý odvodil čierne diery ako riešenie Einsteinovej všeobecnej teórie relativity.
A vo vnútri?
Po tom, čo sa človek dostal do takého predmetu, je nepravdepodobné, že by si na sebe všimol obrovskú hustotu. Vlastnosti čiernej diery nie sú dobre známe, aby sme si boli istí, čo sa stane, ale vedci sa domnievajú, že pri prekročení horizontu nemožno odhaliť nič zvláštne. To je vysvetlené ekvivalentom Einsteinianprincíp, ktorý vysvetľuje, prečo sa pole tvoriace zakrivenie horizontu a zrýchlenie vlastné rovine pre pozorovateľa nelíšia. Pri sledovaní procesu prechodu z diaľky môžete vidieť, že objekt sa v blízkosti horizontu začína spomaľovať, ako keby čas na tomto mieste plynul pomaly. Po určitom čase objekt prekročí horizont a spadne do Schwarzschildovho polomeru.
Hustota hmoty v čiernej diere, hmotnosť objektu, jeho rozmery a slapové sily a gravitačné pole spolu úzko súvisia. Čím väčší je polomer, tým nižšia je hustota. Polomer sa zvyšuje s hmotnosťou. Slapové sily sú nepriamo úmerné druhej mocnine hmotnosti, to znamená, že keď sa rozmery zväčšujú a hustota klesá, slapové sily objektu sa znižujú. Ak je hmotnosť objektu veľmi veľká, bude možné prekonať horizont skôr, ako si všimnete túto skutočnosť. V prvých dňoch všeobecnej teórie relativity sa verilo, že na obzore je singularita, ale ukázalo sa, že to tak nie je.
O hustote
Ako ukázali štúdie, hustota čiernej diery môže byť v závislosti od hmotnosti väčšia alebo menšia. Pre rôzne objekty sa tento indikátor mení, ale vždy klesá so zvyšujúcim sa polomerom. Môžu sa objaviť supermasívne diery, ktoré sa v dôsledku nahromadenia materiálu vytvárajú rozsiahlym spôsobom. Hustota takýchto objektov, ktorých hmotnosť zodpovedá celkovej hmotnosti niekoľkých miliárd svietidiel v našom systéme, je v priemere menšia ako hustota vody. Niekedy je porovnateľná s úrovňou hustoty plynu. Slapová sila tohto objektu sa aktivuje už potom, čo pozorovateľ prekročí horizontdiania. Hypotetickému prieskumníkovi by to neublížilo, keď by sa priblížil k horizontu, a spadol by mnoho tisíc kilometrov, keby našiel ochranu pred plazmou disku. Ak sa pozorovateľ nepozrie späť, nevšimne si prekročenie horizontu a ak otočí hlavu, pravdepodobne uvidí svetelné lúče zamrznuté na horizonte. Čas pre pozorovateľa bude plynúť veľmi pomaly, bude môcť sledovať udalosti v blízkosti diery až do okamihu smrti - buď jej alebo vesmíru.
Na určenie hustoty supermasívnej čiernej diery potrebujete poznať jej hmotnosť. Nájdite hodnotu tohto množstva a Schwarzschildov objem, ktorý je vlastný vesmírnemu objektu. V priemere je takýto ukazovateľ podľa astrofyzikov mimoriadne malý. V pôsobivom percente prípadov je nižšia ako úroveň hustoty vzduchu. Tento jav je vysvetlený nasledovne. Schwarzschildov polomer priamo súvisí s hmotnosťou, zatiaľ čo hustota je nepriamo úmerná objemu, a teda Schwarzschildov polomer. Objem priamo súvisí s polomerom kocky. Hmotnosť sa zvyšuje lineárne. V súlade s tým objem rastie rýchlejšie ako hmotnosť a priemerná hustota sa zmenšuje, čím väčší je polomer skúmaného objektu.
Zaujímavé vedieť
Slapová sila vlastná diere je gradientom gravitačnej sily, ktorá je na horizonte dosť veľká, takže odtiaľto nemôžu uniknúť ani fotóny. Zároveň k nárastu parametra dochádza celkom hladko, čo umožňuje pozorovateľovi prekonať horizont bez rizika pre seba.
Štúdie hustoty čiernej diery vstred objektu je ešte pomerne obmedzený. Astrofyzici zistili, že čím bližšie je centrálna singularita, tým vyššia je úroveň hustoty. Mechanizmus výpočtu uvedený vyššie vám umožňuje získať veľmi priemernú predstavu o tom, čo sa deje.
Vedci majú extrémne obmedzené predstavy o tom, čo sa deje v diere, jej štruktúre. Podľa astrofyzikov nie je rozloženie hustoty v diere pre vonkajšieho pozorovateľa veľmi významné, aspoň na súčasnej úrovni. Oveľa informatívnejšia špecifikácia gravitácie, hmotnosti. Čím väčšia je hmota, tým silnejšie sú stred, horizont, od seba oddelené. Existujú aj také predpoklady: tesne za horizontom hmota v zásade chýba, možno ju zistiť iba v hĺbke objektu.
Sú nejaké čísla známe?
Vedci už dlho uvažujú o hustote čiernej diery. Boli vykonané určité štúdie, pokusy o výpočet. Tu je jeden z nich.
Hmotnosť Slnka je 210^30 kg. Na mieste objektu, ktorý je niekoľkonásobne väčší ako Slnko, môže vzniknúť diera. Hustota najľahšej diery sa odhaduje v priemere na 10^18 kg/m3. Je to rádovo vyššia ako hustota jadra atómu. Približne rovnaký rozdiel od priemernej úrovne hustoty charakteristickej pre neutrónovú hviezdu.
Je možná existencia ultraľahkých dier, ktorých rozmery zodpovedajú subjadrovým časticiam. Pre takéto objekty bude index hustoty neúmerne veľký.
Ak sa naša planéta stane dierou, jej hustota bude približne 210^30 kg/m3. Vedcom sa to však nepodariloodhaliť procesy, v dôsledku ktorých sa náš vesmírny dom môže premeniť na čiernu dieru.
Podrobnejšie o číslach
Hustota čiernej diery v strede Mliečnej dráhy sa odhaduje na 1,1 milióna kg/m3. Hmotnosť tohto objektu zodpovedá 4 miliónom hmotností Slnka. Polomer otvoru sa odhaduje na 12 miliónov km. Naznačená hustota čiernej diery v strede Mliečnej dráhy dáva predstavu o fyzikálnych parametroch supermasívnych dier.
Ak je hmotnosť nejakého objektu 10^38 kg, to znamená, že sa odhaduje na približne 100 miliónov Sĺnk, potom hustota astronomického objektu bude zodpovedať úrovni hustoty žuly nachádzajúcej sa na našej planéte.
Spomedzi všetkých dier známych moderným astrofyzikom bola jedna z najťažších dier nájdená v kvazare OJ 287. Jej hmotnosť zodpovedá 18 miliardám svietidiel našej sústavy. Akú hustotu má čierna diera, vedci vypočítali bez väčších ťažkostí. Hodnota sa ukázala byť mizivo malá. Je to len 60 g/m3. Pre porovnanie: atmosférický vzduch našej planéty má hustotu 1,29 mg/m3.
Odkiaľ pochádzajú diery?
Vedci vykonali nielen výskum na určenie hustoty čiernej diery v porovnaní s hviezdou našej sústavy alebo inými kozmickými telesami, ale pokúsili sa určiť aj to, odkiaľ diery pochádzajú, aké sú mechanizmy ich vzniku tajomné predmety. Teraz existuje nápad na štyri spôsoby vzhľadu dier. Najzrozumiteľnejšou možnosťou je kolaps hviezdy. Keď sa zväčší, syntéza v jadre je dokončená,tlak zmizne, hmota klesne do ťažiska, takže sa objaví diera. Keď sa blížite k stredu, hustota sa zvyšuje. Skôr alebo neskôr sa indikátor stane takým významným, že vonkajšie objekty nie sú schopné prekonať účinky gravitácie. Od tohto bodu sa objaví nová diera. Tento typ je bežnejší ako ostatné a nazýva sa diery slnečnej hmoty.
Ďalším pomerne bežným typom diery je supermasívna. Tie sú častejšie pozorované v galaktických centrách. Hmotnosť objektu v porovnaní s vyššie opísanou slnečnou hmotou je niekoľko miliárd krát väčšia. Vedci ešte nestanovili procesy prejavu takýchto objektov. Predpokladá sa, že najprv sa vytvorí diera podľa vyššie opísaného mechanizmu, potom sa pohltia susedné hviezdy, čo vedie k rastu. To je možné, ak je zóna galaxie husto osídlená. Absorpcia hmoty nastáva rýchlejšie, ako môže vyššie uvedená schéma vysvetliť, a vedci zatiaľ nevedia odhadnúť, ako absorpcia prebieha.
Predpoklady a nápady
Veľmi zložitou témou pre astrofyzikov sú prvotné diery. Takéto sa pravdepodobne objavujú z akejkoľvek masy. Môžu sa vytvárať vo veľkých výkyvoch. Pravdepodobne sa takéto diery objavili v ranom vesmíre. Štúdie venované kvalitám, vlastnostiam (vrátane hustoty) čiernych dier, procesom ich vzhľadu nám zatiaľ neumožňujú určiť model, ktorý presne reprodukuje proces vzhľadu primárnej diery. V súčasnosti známe modely sú prevažne také, že ak by boli implementované v skutočnosti,bolo by tam príliš veľa dier.
Predpokladajme, že Veľký hadrónový urýchľovač sa môže stať zdrojom vzniku diery, ktorej hmotnosť zodpovedá Higgsovmu bozónu. V súlade s tým bude hustota čiernej diery veľmi veľká. Ak sa takáto teória potvrdí, možno to považovať za nepriamy dôkaz prítomnosti extra dimenzií. V súčasnosti tento špekulatívny záver ešte nie je potvrdený.
Žiarenie z diery
Emisia diery sa vysvetľuje kvantovými účinkami hmoty. Priestor je dynamický, takže častice sú tu úplne iné, ako sme zvyknutí. V blízkosti diery nie je skreslený len čas; pochopenie častice závisí vo veľkej miere od toho, kto ju pozoruje. Ak niekto spadne do diery, zdá sa mu, že sa ponára do vákua a pre vzdialeného pozorovateľa to vyzerá ako zóna naplnená časticami. Účinok sa vysvetľuje napínaním času a priestoru. Žiarenie z diery prvýkrát identifikoval Hawking, ktorého meno bol daný fenoménu. Žiarenie má teplotu, ktorá je nepriamo úmerná hmotnosti. Čím nižšia je hmotnosť astronomického objektu, tým vyššia je teplota (rovnako ako hustota čiernej diery). Ak je diera supermasívna alebo má hmotnosť porovnateľnú s hviezdou, vlastná teplota jej žiarenia bude nižšia ako mikrovlnné pozadie. Z tohto dôvodu ju nie je možné pozorovať.
Toto žiarenie vysvetľuje stratu údajov. Toto je názov tepelného javu, ktorý má jednu výraznú vlastnosť - teplotu. Neexistujú žiadne informácie o procesoch tvorby dier prostredníctvom štúdie, ale objekt, ktorý vyžaruje takéto žiarenie, súčasne stráca hmotnosť (a preto rastiehustota čiernej diery) je znížená. Proces nie je určený látkou, z ktorej je otvor vytvorený, nezávisí od toho, čo sa do neho neskôr nasalo. Vedci nevedia povedať, čo sa stalo základňou diery. Štúdie navyše ukázali, že žiarenie je nezvratný proces, teda taký, ktorý v kvantovej mechanike jednoducho nemôže existovať. To znamená, že žiarenie sa nedá zosúladiť s kvantovou teóriou a nekonzistentnosť si vyžaduje ďalšiu prácu v tomto smere. Aj keď vedci veria, že Hawkingovo žiarenie by malo obsahovať informácie, zatiaľ nemáme prostriedky a schopnosti na jeho detekciu.
Zvedavý: o neutrónových hviezdach
Ak existuje supergiant, neznamená to, že takéto astronomické teleso je večné. Postupom času sa mení, odhodí vonkajšie vrstvy. Zo zvyškov sa môžu objaviť bieli trpaslíci. Druhou možnosťou sú neutrónové hviezdy. Špecifické procesy sú určené jadrovou hmotnosťou primárneho telesa. Ak sa odhaduje na 1,4-3 slnečné, potom je zničenie supergianta sprevádzané veľmi vysokým tlakom, vďaka ktorému sú elektróny akoby vtlačené do protónov. To vedie k tvorbe neutrónov, emisii neutrín. Vo fyzike sa to nazýva neutrónový degenerovaný plyn. Jeho tlak je taký, že hviezda sa nemôže ďalej zmršťovať.
Ako však štúdie ukázali, pravdepodobne nie všetky neutrónové hviezdy sa objavili týmto spôsobom. Niektoré z nich sú pozostatky veľkých, ktoré explodovali ako druhá supernova.
Pomer tela Tomamenej ako viac hmoty. U väčšiny sa pohybuje medzi 10-100 km. Uskutočnili sa štúdie na určenie hustoty čiernych dier, neutrónových hviezd. Pri druhom, ako ukázali testy, je parameter relatívne blízky tomu atómovému. Konkrétne hodnoty stanovené astrofyzikmi: 10^10 g/cm3.
Zaujímavé vedieť: teória a prax
Neutrónové hviezdy boli teoreticky predpovedané v 60. a 70. rokoch minulého storočia. Ako prvé boli objavené pulzary. Sú to malé hviezdy, ktorých rýchlosť rotácie je veľmi vysoká a magnetické pole je skutočne grandiózne. Predpokladá sa, že pulzar zdedí tieto parametre od pôvodnej hviezdy. Doba rotácie sa pohybuje od milisekúnd po niekoľko sekúnd. Prvé známe pulzary emitovali periodickú rádiovú emisiu. Dnes sú známe pulzary s röntgenovým spektrom žiarenia, gama žiarenia.
Popísaný proces vzniku neutrónovej hviezdy môže pokračovať - nič ho nemôže zastaviť. Ak má jadrová hmotnosť viac ako tri hmotnosti Slnka, potom je bodové teleso veľmi kompaktné, nazýva sa dierami. Nebude možné určiť vlastnosti čiernej diery s hmotnosťou väčšou ako je kritická. Ak sa časť hmoty stratí v dôsledku Hawkingovho žiarenia, polomer sa súčasne zníži, takže hodnota hmotnosti bude opäť menšia ako kritická hodnota pre tento objekt.
Môže diera zomrieť?
Vedci predkladajú predpoklady o existencii procesov v dôsledku účasti častíc a antičastíc. Kolísanie prvkov môže spôsobiť, že prázdny priestor bude charakterizovanýnulová hladina energie, ktorá (tu je paradox!) sa nebude rovnať nule. Zároveň horizont udalostí vlastný telu dostane nízkoenergetické spektrum vlastné absolútnemu čiernemu telesu. Takéto žiarenie spôsobí stratu hmoty. Horizont sa mierne zmenší. Predpokladajme, že existujú dva páry častice a jej antagonista. Dochádza k anihilácii častice z jedného páru a jeho antagonistu z druhého. V dôsledku toho existujú fotóny, ktoré vyletujú z otvoru. Druhý pár navrhovaných častíc spadne do otvoru a súčasne absorbuje určité množstvo hmoty, energie. Postupne to vedie k smrti čiernej diery.
Ako záver
Podľa niektorých je čierna diera akýmsi kozmickým vysávačom. Diera môže prehltnúť hviezdu, môže dokonca „zjesť“galaxiu. V mnohých ohľadoch možno vysvetlenie vlastností diery, ako aj vlastností jej vzniku nájsť v teórii relativity. Z nej je známe, že čas je spojitý, rovnako ako priestor. To vysvetľuje, prečo procesy kompresie nemožno zastaviť, sú neobmedzené a neobmedzené.
Toto sú tieto záhadné čierne diery, nad ktorými si astrofyzici lámu hlavu už viac ako desať rokov.
