Za moderne znanstvenike, crna rupa je jedan od najmisterioznijih fenomena u našem svemiru. Proučavanje takvih objekata je teško, nije ih moguće isprobati "iz iskustva". Masa, gustoća tvari crne rupe, procesi formiranja ovog objekta, dimenzije - sve to izaziva zanimanje stručnjaka, a ponekad i zbunjenost. Razmotrimo temu detaljnije. Prvo, analizirajmo što je takav objekt.
Opće informacije
Nevjerojatna značajka kozmičkog objekta je kombinacija malog radijusa, velike gustoće materije crne rupe i nevjerojatno velike mase. Sva trenutno poznata fizička svojstva takvog objekta znanstvenicima se čine čudnim, često neobjašnjivim. Čak su i najiskusniji astrofizičari još uvijek zadivljeni osobitostima takvih pojava. Glavna značajka koja omogućuje znanstvenicima da identificiraju crnu rupu je horizont događaja, odnosno granica zbog kojeništa se ne vraća, uključujući svjetlo. Ako je zona trajno odvojena, granica razdvajanja označava se kao horizont događaja. S privremenim odvajanjem, prisutnost vidljivog horizonta je fiksirana. Ponekad je vremenski vrlo labav koncept, to jest, regija može biti odvojena na razdoblje koje premašuje trenutnu starost svemira. Ako postoji vidljivi horizont koji postoji dugo vremena, teško ga je razlikovati od horizonta događaja.
Na mnogo načina, svojstva crne rupe, gustoća tvari koja je tvori, posljedica su drugih fizičkih kvaliteta koje djeluju u našim svjetskim zakonima. Horizont događaja sferno simetrične crne rupe je kugla čiji je promjer određen njezinom masom. Što je veća masa povučena prema unutra, to je rupa veća. Pa ipak, ostaje iznenađujuće malen na pozadini zvijezda, jer gravitacijski pritisak komprimira sve unutra. Ako zamislimo rupu čija masa odgovara našem planetu, tada polumjer takvog objekta neće prelaziti nekoliko milimetara, odnosno bit će deset milijardi manji od zemlje. Radijus je dobio ime po Schwarzschildu, znanstveniku koji je prvi zaključio crne rupe kao rješenje Einsteinove opće teorije relativnosti.
A unutra?
Ušavši u takav predmet, malo je vjerojatno da će osoba primijetiti veliku gustoću na sebi. Osobine crne rupe nisu dobro shvaćene kako bi se znalo što će se dogoditi, ali znanstvenici vjeruju da se pri prelasku horizonta ne može otkriti ništa posebno. To se objašnjava ekvivalentnim Einsteinovcemprincip koji objašnjava zašto se polje koje tvori zakrivljenost horizonta i ubrzanje svojstveno ravnini ne razlikuju za promatrača. Prilikom praćenja procesa križanja iz daljine, možete vidjeti da se objekt počinje usporavati blizu horizonta, kao da vrijeme na ovom mjestu sporo prolazi. Nakon nekog vremena, objekt će prijeći horizont, pasti u Schwarzschildov radijus.
Gustoća materije u crnoj rupi, masa objekta, njegove dimenzije i plimne sile te gravitacijsko polje usko su povezani. Što je veći radijus, to je niža gustoća. Radijus se povećava s težinom. Sile plime i oseke obrnuto su proporcionalne kvadratu težine, odnosno kako se dimenzije povećavaju, a gustoća smanjuje, sile plime i oseke objekta se smanjuju. Bit će moguće prevladati horizont prije nego što primijetite ovu činjenicu ako je masa objekta vrlo velika. U ranim danima opće teorije relativnosti vjerovalo se da postoji singularnost na horizontu, ali se pokazalo da to nije slučaj.
O gustoći
Kao što su studije pokazale, gustoća crne rupe, ovisno o masi, može biti veća ili manja. Za različite objekte ovaj pokazatelj varira, ali se uvijek smanjuje s povećanjem radijusa. Mogu se pojaviti supermasivne rupe, koje nastaju na ekstenzivni način zbog nakupljanja materijala. U prosjeku, gustoća takvih objekata, čija masa odgovara ukupnoj masi nekoliko milijardi svjetiljki u našem sustavu, manja je od gustoće vode. Ponekad je usporediva s razinom gustoće plina. Plimna sila ovog objekta aktivira se već nakon što promatrač prijeđe horizontdogađaji. Hipotetički istraživač ne bi bio ozlijeđen kako se približavao horizontu i pao bi tisućama kilometara ako bi našao zaštitu od plazme diska. Ako se promatrač ne osvrne, neće primijetiti da je horizont prešao, a ako okrene glavu, vjerojatno će vidjeti svjetlosne zrake zamrznute na horizontu. Vrijeme za promatrača će teći vrlo sporo, moći će pratiti događaje u blizini rupe do trenutka smrti - bilo nju ili Svemir.
Da biste odredili gustoću supermasivne crne rupe, morate znati njezinu masu. Pronađite vrijednost ove količine i Schwarzschildov volumen koji je svojstven svemirskom objektu. U prosjeku je takav pokazatelj, prema astrofizičarima, iznimno mali. U impresivnom postotku slučajeva to je manje od razine gustoće zraka. Fenomen se objašnjava na sljedeći način. Schwarzschildov radijus je izravno povezan s težinom, dok je gustoća obrnuto povezana s volumenom, a time i Schwarzschildov radijus. Volumen je izravno povezan s kubnim polumjerom. Masa raste linearno. Sukladno tome, volumen raste brže od težine, a prosječna gustoća postaje manja što je veći radijus objekta koji se proučava.
Zanima me
Plimna sila svojstvena rupi je gradijent sile gravitacije, koja je prilično velika na horizontu, pa čak ni fotoni ne mogu pobjeći odavde. Istovremeno, povećanje parametra se odvija prilično glatko, što omogućuje promatraču da prevlada horizont bez rizika za sebe.
Proučavanje gustoće crne rupe u njojsredište objekta je još uvijek relativno ograničeno. Astrofizičari su ustanovili da što je bliži središnji singularitet, to je viša razina gustoće. Ranije spomenuti mehanizam izračuna omogućuje vam da dobijete vrlo prosječnu ideju o tome što se događa.
Znanstvenici imaju izuzetno ograničene ideje o tome što se događa u rupi, njezinoj strukturi. Prema astrofizičarima, raspodjela gustoće u rupi nije od velike važnosti za vanjskog promatrača, barem na trenutnoj razini. Puno informativnija specifikacija gravitacije, težine. Što je masa veća, to je centar, horizont, jače odvojeni jedan od drugog. Postoje i takve pretpostavke: odmah iza horizonta materija je u principu odsutna, može se otkriti samo u dubini objekta.
Jesu li poznati brojevi?
Znanstvenici već dugo razmišljaju o gustoći crne rupe. Provedene su određene studije, pokušano je izračunati. Evo jednog od njih.
Soleva masa je 210^30 kg. Na mjestu objekta koji je nekoliko puta veći od Sunca može nastati rupa. Gustoća najlakše rupe procjenjuje se na prosječno 10^18 kg/m3. Ovo je red veličine više od gustoće jezgre atoma. Približno ista razlika od prosječne razine gustoće karakteristične za neutronsku zvijezdu.
Moguće je postojanje ultralakih rupa čije dimenzije odgovaraju subnuklearnim česticama. Za takve objekte indeks gustoće bit će pretjerano velik.
Ako naš planet postane rupa, njegova gustoća će biti približno 210^30 kg/m3. Međutim, znanstvenici nisu uspjeliotkriti procese zbog kojih se naša svemirska kuća može pretvoriti u crnu rupu.
O brojevima detaljnije
Gustoća crne rupe u središtu Mliječne staze procjenjuje se na 1,1 milijun kg/m3. Masa ovog objekta odgovara 4 milijuna solarnih masa. Polumjer rupe procjenjuje se na 12 milijuna km. Naznačena gustoća crne rupe u središtu Mliječne staze daje ideju o fizičkim parametrima supermasivnih rupa.
Ako je težina nekog objekta 10^38 kg, odnosno procjenjuje se na otprilike 100 milijuna Sunaca, tada će gustoća astronomskog objekta odgovarati razini gustoće granita koji se nalazi na našem planetu.
Među svim rupama poznatim modernim astrofizičarima, jedna od najtežih rupa pronađena je u kvazaru OJ 287. Njegova težina odgovara 18 milijardi svjetiljki našeg sustava. Kolika je gustoća crne rupe, znanstvenici su izračunali bez većih poteškoća. Ispostavilo se da je vrijednost potpuno mala. To je samo 60 g/m3. Za usporedbu: atmosferski zrak našeg planeta ima gustoću od 1,29 mg/m3.
Odakle dolaze rupe?
Znanstvenici ne samo da su proveli istraživanje kako bi odredili gustoću crne rupe u usporedbi sa zvijezdom našeg sustava ili drugim kozmičkim tijelima, već su pokušali utvrditi i odakle rupe dolaze, koji su mehanizmi za stvaranje takvih tajanstveni objekti. Sada postoji ideja o četiri načina za pojavu rupa. Najrazumljivija opcija je kolaps zvijezde. Kada postane velika, sinteza u jezgri je završena,pritisak nestaje, materija pada u težište pa se pojavljuje rupa. Kako se približavate centru, gustoća se povećava. Prije ili kasnije, pokazatelj postaje toliko značajan da vanjski objekti nisu u stanju prevladati učinke gravitacije. Od ovog trenutka pojavljuje se nova rupa. Ovaj tip je češći od ostalih i naziva se rupe solarne mase.
Još jedna prilično česta vrsta rupe je supermasivna. Oni se češće opažaju u galaktičkim centrima. Masa objekta u usporedbi s gore opisanom solarnom masnom rupom je milijarde puta veća. Znanstvenici još nisu ustanovili procese manifestacije takvih objekata. Pretpostavlja se da se prvo formira rupa prema gore opisanom mehanizmu, a zatim se apsorbiraju susjedne zvijezde, što dovodi do rasta. To je moguće ako je zona galaksije gusto naseljena. Apsorpcija materije događa se brže nego što gornja shema može objasniti, a znanstvenici još ne mogu pogoditi kako se apsorpcija odvija.
Pretpostavke i ideje
Vrlo teška tema za astrofizičare su iskonske rupe. Takvi se, vjerojatno, pojavljuju iz bilo koje mase. Mogu nastati u velikim fluktuacijama. Vjerojatno se pojava takvih rupa dogodila u ranom Svemiru. Dosadašnje studije posvećene kvalitetama, značajkama (uključujući gustoću) crnih rupa, procesima njihove pojave ne dopuštaju nam da odredimo model koji točno reproducira proces pojave primarne rupe. Trenutno poznati modeli uglavnom su takvi da, ako su implementirani u stvarnosti,bilo bi previše rupa.
Pretpostavimo da Veliki hadronski sudarač može postati izvor stvaranja rupe čija masa odgovara Higgsovom bozonu. Sukladno tome, gustoća crne rupe bit će vrlo velika. Ako se takva teorija potvrdi, može se smatrati neizravnim dokazom o prisutnosti dodatnih dimenzija. Trenutno ovaj spekulativni zaključak još nije potvrđen.
Zračenje iz rupe
Emisija rupe objašnjava se kvantnim učincima materije. Prostor je dinamičan, pa su čestice ovdje potpuno drugačije od onih na koje smo navikli. U blizini rupe nije samo vrijeme iskrivljeno; razumijevanje čestice uvelike ovisi o tome tko je promatra. Ako netko upadne u rupu, čini mu se da uranja u vakuum, a za udaljenog promatrača to izgleda kao zona ispunjena česticama. Učinak se objašnjava rastezanjem vremena i prostora. Zračenje iz rupe prvi je identificirao Hawking, čije je ime dalo fenomenu. Zračenje ima temperaturu koja je obrnuto povezana s masom. Što je manja težina astronomskog objekta, to je viša temperatura (kao i gustoća crne rupe). Ako je rupa supermasivna ili ima masu usporedivu sa zvijezdom, inherentna temperatura njenog zračenja bit će niža od mikrovalne pozadine. Zbog toga je nije moguće promatrati.
Ovo zračenje objašnjava gubitak podataka. Ovo je naziv toplinskog fenomena, koji ima jednu posebnu kvalitetu - temperaturu. Nema informacija o procesima nastanka rupa kroz studiju, ali objekt koji emitira takvo zračenje istovremeno gubi masu (i stoga rastegustoća crne rupe) se smanjuje. Proces nije određen tvari iz koje je rupa nastala, ne ovisi o tome što je kasnije u nju usisano. Znanstvenici ne mogu reći što je postalo baza rupe. Štoviše, studije su pokazale da je zračenje nepovratan proces, odnosno proces koji jednostavno ne može postojati u kvantnoj mehanici. To znači da se zračenje ne može pomiriti s kvantnom teorijom, a nedosljednost zahtijeva daljnji rad u tom smjeru. Dok znanstvenici vjeruju da bi Hawkingovo zračenje trebalo sadržavati informacije, mi jednostavno još nemamo sredstva, mogućnosti da ga otkrijemo.
Zanimljivo: o neutronskim zvijezdama
Ako postoji superdiv, to ne znači da je takvo astronomsko tijelo vječno. S vremenom se mijenja, odbacuje vanjske slojeve. Iz ostataka mogu nastati bijeli patuljci. Druga opcija su neutronske zvijezde. Specifični procesi određeni su nuklearnom masom primarnog tijela. Ako se procijeni unutar 1,4-3 solarna, tada je uništenje supergiganta popraćeno vrlo visokim tlakom, zbog čega su elektroni, takoreći, pritisnuti u protone. To dovodi do stvaranja neutrona, emisije neutrina. U fizici se to zove neutronski degenerirani plin. Njegov pritisak je toliki da se zvijezda ne može dalje skupljati.
Međutim, kao što su studije pokazale, vjerojatno se nisu sve neutronske zvijezde pojavile na ovaj način. Neki od njih su ostaci velikih koji su eksplodirali poput druge supernove.
Tomov radijus tijelamanje od veće mase. Za većinu varira između 10-100 km. Provedene su studije za određivanje gustoće crnih rupa, neutronskih zvijezda. Za drugi, kao što su testovi pokazali, parametar je relativno blizak atomskom. Specifične brojke koje su postavili astrofizičari: 10^10 g/cm3.
Zanima me: teorija i praksa
Neutronske zvijezde su bile predviđene u teoriji 60-ih i 70-ih godina prošlog stoljeća. Pulsari su prvi otkriveni. To su male zvijezde, čija je brzina rotacije vrlo velika, a magnetsko polje je uistinu grandiozno. Pretpostavlja se da pulsar nasljeđuje ove parametre od izvorne zvijezde. Razdoblje rotacije varira od milisekundi do nekoliko sekundi. Prvi poznati pulsari emitirali su periodičnu radio emisiju. Danas su poznati pulsari sa zračenjem rendgenskog spektra, gama zračenjem.
Opisani proces stvaranja neutronskih zvijezda može se nastaviti - ništa ga ne može zaustaviti. Ako je nuklearna masa veća od tri solarne mase, tada je točkasto tijelo vrlo kompaktno, naziva se rupama. Neće biti moguće odrediti svojstva crne rupe s masom većom od kritične. Ako se dio mase izgubi zbog Hawkingovog zračenja, radijus će se istovremeno smanjiti, pa će vrijednost težine opet biti manja od kritične vrijednosti za ovaj objekt.
Može li rupa umrijeti?
Znanstvenici iznose pretpostavke o postojanju procesa zbog sudjelovanja čestica i antičestica. Fluktuacija elemenata može uzrokovati karakterizaciju praznog prostoranultu razinu energije, koja (evo paradoksa!) neće biti jednaka nuli. U isto vrijeme, horizont događaja svojstven tijelu će dobiti niskoenergetski spektar svojstven apsolutnom crnom tijelu. Takvo zračenje će uzrokovati gubitak mase. Horizont će se malo smanjiti. Pretpostavimo da postoje dva para čestice i njezin antagonist. Dolazi do anihilacije čestice iz jednog para i njenog antagonista iz drugog. Kao posljedica toga, postoje fotoni koji lete iz rupe. Drugi par predloženih čestica pada u rupu, istovremeno apsorbirajući određenu količinu mase, energije. Postupno, to dovodi do smrti crne rupe.
Kao zaključak
Prema nekima, crna rupa je vrsta kozmičkog usisavača. Rupa može progutati zvijezdu, može čak i "pojesti" galaksiju. Na mnogo načina objašnjenje kvaliteta rupe, kao i obilježja njenog nastanka, može se pronaći u teoriji relativnosti. Iz njega se zna da je vrijeme kontinuirano, kao i prostor. Ovo objašnjava zašto se procesi kompresije ne mogu zaustaviti, oni su neograničeni i neograničeni.
Ovo su ove tajanstvene crne rupe, nad kojima astrofizičari razbijaju mozak više od desetljeća.
