Za moderne naučnike, crna rupa je jedan od najmisterioznijih fenomena u našem univerzumu. Proučavanje takvih objekata je teško, nije ih moguće isprobati "iz iskustva". Masa, gustoća supstance crne rupe, procesi formiranja ovog objekta, dimenzije - sve to izaziva zanimanje stručnjaka, a ponekad i - zbunjenost. Razmotrimo temu detaljnije. Prvo, hajde da analiziramo šta je takav objekat.
Opće informacije
Neverovatna karakteristika kosmičkog objekta je kombinacija malog radijusa, velike gustine materije crne rupe i neverovatno velike mase. Sva trenutno poznata fizička svojstva takvog objekta naučnicima izgledaju čudna, često neobjašnjiva. Čak su i najiskusniji astrofizičari još uvijek zadivljeni posebnostima takvih pojava. Glavna karakteristika koja omogućava naučnicima da identifikuju crnu rupu je horizont događaja, odnosno granica zbog kojeništa se ne vraća, uključujući i svjetlo. Ako je zona trajno odvojena, granica razdvajanja se označava kao horizont događaja. Privremenim odvajanjem fiksira se prisustvo vidljivog horizonta. Ponekad je vremenski vrlo labav koncept, to jest, regija može biti odvojena u periodu koji premašuje trenutnu starost svemira. Ako postoji vidljiv horizont koji postoji dugo vremena, teško ga je razlikovati od horizonta događaja.
Na mnogo načina, svojstva crne rupe, gustina supstance koja je formira, su posledica drugih fizičkih kvaliteta koji deluju u našim svetskim zakonima. Horizont događaja sferno simetrične crne rupe je sfera čiji je prečnik određen njenom masom. Što je veća masa povučena prema unutra, to je rupa veća. A ipak ostaje iznenađujuće mali na pozadini zvijezda, jer gravitacijski pritisak sabija sve unutra. Ako zamislimo rupu čija masa odgovara našoj planeti, tada polumjer takvog objekta neće prelaziti nekoliko milimetara, odnosno bit će deset milijardi manji od Zemlje. Radijus je dobio ime po Schwarzschildu, naučniku koji je prvi izveo crne rupe kao rješenje Ajnštajnove opšte teorije relativnosti.
A unutra?
Ušavši u takav predmet, malo je vjerovatno da će osoba primijetiti ogromnu gustinu na sebi. Osobine crne rupe nisu dobro shvaćene da bi se znalo šta će se dogoditi, ali naučnici vjeruju da se ništa posebno ne može otkriti pri prelasku horizonta. Ovo se objašnjava ekvivalentnim Ajnštajnovomprincip koji objašnjava zašto se polje koje formira zakrivljenost horizonta i ubrzanje svojstveno ravni ne razlikuju za posmatrača. Prilikom praćenja procesa prelaska iz daljine, možete vidjeti da objekt počinje usporavati blizu horizonta, kao da vrijeme sporo prolazi na ovom mjestu. Nakon nekog vremena, objekt će preći horizont, pasti u Schwarzschildov radijus.
Gustoća materije u crnoj rupi, masa objekta, njegove dimenzije i plimne sile i gravitaciono polje su usko povezani. Što je veći radijus, to je manja gustina. Radijus se povećava sa težinom. Sile plime su obrnuto proporcionalne kvadratu težine, odnosno kako se dimenzije povećavaju i gustoća smanjuje, sile plime i oseke objekta se smanjuju. Biće moguće savladati horizont pre nego što primetite ovu činjenicu ako je masa objekta veoma velika. U ranim danima opšte teorije relativnosti, vjerovalo se da postoji singularitet na horizontu, ali se pokazalo da to nije slučaj.
O gustoći
Kao što su studije pokazale, gustina crne rupe, u zavisnosti od mase, može biti veća ili manja. Za različite objekte ovaj indikator varira, ali se uvijek smanjuje s povećanjem radijusa. Mogu se pojaviti supermasivne rupe, koje nastaju na ekstenzivni način zbog nakupljanja materijala. U prosjeku, gustina takvih objekata, čija masa odgovara ukupnoj masi nekoliko milijardi svjetiljki u našem sistemu, manja je od gustine vode. Ponekad je uporediv sa nivoom gustine gasa. Plimna sila ovog objekta se aktivira već nakon što promatrač pređe horizontdogađaji. Hipotetički istraživač ne bi stradao dok bi se približavao horizontu i pao bi hiljadama kilometara ako bi našao zaštitu od plazme diska. Ako se posmatrač ne osvrne, neće primetiti da je horizont pređen, a ako okrene glavu, verovatno će videti svetlosne zrake zamrznute na horizontu. Vreme za posmatrača će teći veoma sporo, on će moći da prati događaje u blizini rupe do trenutka smrti - bilo ona ili Univerzum.
Da biste odredili gustinu supermasivne crne rupe, morate znati njenu masu. Pronađite vrijednost ove količine i Schwarzschildov volumen koji je svojstven svemirskom objektu. U prosjeku je takav pokazatelj, prema astrofizičarima, izuzetno mali. U impresivnom procentu slučajeva, to je manje od nivoa gustine vazduha. Fenomen se objašnjava na sljedeći način. Schwarzschildov radijus je direktno povezan sa težinom, dok je gustina obrnuto povezana sa zapreminom, a time i Schwarzschildov radijus. Volumen je direktno povezan sa kubnim radijusom. Masa raste linearno. Shodno tome, zapremina raste brže od težine, a prosječna gustina 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, tako da čak ni fotoni ne mogu pobjeći odavde. Istovremeno, povećanje parametra se odvija prilično glatko, što omogućava posmatraču da savlada horizont bez rizika za sebe.
Proučavanje gustine crne rupe u njojcentar objekta je i dalje relativno ograničen. Astrofizičari su ustanovili da što je bliži centralni singularitet, to je veći nivo gustine. Ranije spomenuti mehanizam proračuna vam omogućava da dobijete vrlo prosječnu predstavu o tome šta se dešava.
Naučnici imaju izuzetno ograničene ideje o tome šta se dešava u rupi, njenoj strukturi. Prema astrofizičarima, raspodjela gustine u rupi nije od velike važnosti za vanjskog posmatrača, barem na trenutnom nivou. Mnogo informativnija specifikacija gravitacije, težine. Što je masa veća, to je centar, horizont, jači, odvojeni jedan od drugog. Postoje i takve pretpostavke: odmah iza horizonta materija je u principu odsutna, može se otkriti samo u dubini objekta.
Da li su poznati neki brojevi?
Naučnici već dugo razmišljaju o gustini crne rupe. Sprovedene 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 se formirati rupa. Gustina najlakše rupe se procjenjuje na prosječno 10^18 kg/m3. Ovo je red veličine više od gustine jezgra atoma. Približno ista razlika od prosječnog nivoa gustine karakterističnog za neutronsku zvijezdu.
Moguće je postojanje ultralakih rupa čije dimenzije odgovaraju subnuklearnim česticama. Za takve objekte, indeks gustine će biti previsok.
Ako naša planeta postane rupa, njena gustina će biti približno 210^30 kg/m3. Međutim, naučnici to nisu uspjeliotkrivaju procese zbog kojih se naša svemirska kuća može pretvoriti u crnu rupu.
O brojevima detaljnije
Gustoća crne rupe u centru Mliječnog puta procjenjuje se na 1,1 milion kg/m3. Masa ovog objekta odgovara 4 miliona solarnih masa. Radijus rupe se procjenjuje na 12 miliona km. Naznačena gustina crne rupe u centru Mliječnog puta daje ideju o fizičkim parametrima supermasivnih rupa.
Ako je težina nekog objekta 10^38 kg, odnosno procjenjuje se na otprilike 100 miliona Sunaca, tada će gustina astronomskog objekta odgovarati nivou gustine granita koji se nalazi na našoj planeti.
Među svim rupama poznatim modernim astrofizičarima, jedna od najtežih rupa pronađena je u kvazaru OJ 287. Njegova težina odgovara 18 milijardi svjetiljki našeg sistema. Kolika je gustina crne rupe, naučnici su izračunali bez većih poteškoća. Ispostavilo se da je vrijednost potpuno mala. To je samo 60 g/m3. Za poređenje: atmosferski vazduh naše planete ima gustinu od 1,29 mg/m3.
Odakle dolaze rupe?
Naučnici ne samo da su sproveli istraživanja kako bi odredili gustinu crne rupe u poređenju sa zvijezdom našeg sistema ili drugim kosmičkim tijelima, već su pokušali utvrditi odakle rupe dolaze, koji su mehanizmi za nastanak takvih misteriozni objekti. Sada postoji ideja o četiri načina za pojavu rupa. Najrazumljivija opcija je kolaps zvijezde. Kada postane velika, sinteza u jezgru je završena,pritisak nestaje, materija pada u centar gravitacije, pa se pojavljuje rupa. Kako se približavate centru, gustina se povećava. Prije ili kasnije, indikator postaje toliko značajan da vanjski objekti nisu u stanju da savladaju efekte gravitacije. Od ovog trenutka pojavljuje se nova rupa. Ovaj tip je češći od drugih i naziva se rupe solarne mase.
Još jedan prilično čest tip rupe je supermasivan. Oni se češće primećuju u galaktičkim centrima. Masa objekta u odnosu na gore opisanu solarnu rupu je milijarde puta veća. Naučnici još nisu ustanovili procese ispoljavanja takvih objekata. Pretpostavlja se da se prvo formira rupa prema gore opisanom mehanizmu, a zatim se apsorbuju susjedne zvijezde, što dovodi do rasta. To je moguće ako je zona galaksije gusto naseljena. Apsorpcija materije se dešava brže nego što gornja šema može da objasni, a naučnici još ne mogu da pretpostave kako se apsorpcija odvija.
Pretpostavke i ideje
Veoma teška tema za astrofizičare su iskonske rupe. Takvi se, vjerovatno, pojavljuju iz bilo koje mase. Mogu se formirati u velikim fluktuacijama. Vjerovatno se pojavljivanje takvih rupa dogodilo u ranom Univerzumu. Dosadašnje studije posvećene kvalitetama, karakteristikama (uključujući gustinu) crnih rupa, procesima njihovog pojavljivanja ne dozvoljavaju nam da odredimo model koji precizno reproducira proces pojave primarne rupe. Trenutno poznati modeli su uglavnom takvi da, ako su implementirani u stvarnosti,bilo bi previše rupa.
Pretpostavimo da Veliki hadronski sudarač može postati izvor formiranja rupe, čija masa odgovara Higsovom bozonu. Shodno tome, gustina crne rupe će biti veoma velika. Ako se takva teorija potvrdi, može se smatrati indirektnim dokazom o prisutnosti dodatnih dimenzija. Trenutno, ovaj spekulativni zaključak još nije potvrđen.
Zračenje iz rupe
Emisija rupe se objašnjava kvantnim efektima materije. Prostor je dinamičan, pa su čestice ovdje potpuno drugačije od onih na koje smo navikli. U blizini rupe nije samo vrijeme izobličeno; razumevanje čestice u velikoj meri zavisi od toga ko je posmatra. Ako neko upadne u rupu, čini mu se da uranja u vakuum, a za udaljenog posmatrača to izgleda kao zona ispunjena česticama. Efekat se objašnjava rastezanjem vremena i prostora. Zračenje iz rupe prvi je identifikovao Hawking, čije je ime dato ovom fenomenu. Zračenje ima temperaturu koja je obrnuto povezana s masom. Što je manja težina astronomskog objekta, to je veća temperatura (kao i gustina crne rupe). Ako je rupa supermasivna ili ima masu uporedivu sa zvijezdom, inherentna temperatura njenog zračenja bit će niža od mikrovalne pozadine. Zbog toga je nije moguće posmatrati.
Ovo zračenje objašnjava gubitak podataka. Ovo je naziv termalnog fenomena, koji ima jednu posebnu kvalitetu - temperaturu. Nema informacija o procesima stvaranja rupa kroz proučavanje, ali objekt koji emituje takvo zračenje istovremeno gubi masu (i stoga rastegustina crne rupe) se smanjuje. Proces nije određen supstancom od koje je rupa nastala, ne zavisi od toga šta je kasnije u nju usisano. Naučnici ne mogu reći šta je postalo osnova 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 naučnici vjeruju da bi Hawkingovo zračenje trebalo da sadrži informacije, mi još uvijek nemamo sredstva, mogućnosti da ga otkrijemo.
Zanimljivo: o neutronskim zvijezdama
Ako postoji superdžin, to ne znači da je takvo astronomsko tijelo vječno. Vremenom se mijenja, odbacuje vanjske slojeve. Iz ostataka mogu nastati bijeli patuljci. Druga opcija su neutronske zvijezde. Specifični procesi su određeni nuklearnom masom primarnog tijela. Ako se procijeni unutar 1,4-3 solarna, tada je uništenje supergiganta praćeno vrlo visokim pritiskom, zbog čega su elektroni, takoreći, pritisnuti u protone. To dovodi do stvaranja neutrona, emisije neutrina. U fizici se to naziva neutronskim degeneriranim plinom. Njen pritisak je toliki da se zvijezda ne može dalje skupljati.
Međutim, kao što su studije pokazale, vjerovatno se nisu sve neutronske zvijezde pojavile na ovaj način. Neki od njih su ostaci velikih koji su eksplodirali kao druga supernova.
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 zaista grandiozno. Pretpostavlja se da pulsar nasljeđuje ove parametre od originalne zvijezde. Period rotacije varira od milisekundi do nekoliko sekundi. Prvi poznati pulsari emitovali su periodičnu radio emisiju. Danas su poznati pulsari sa zračenjem rendgenskog spektra, gama zračenjem.
Opisani proces formiranja neutronskih zvijezda može se nastaviti - ne postoji ništa što bi ga moglo zaustaviti. Ako je nuklearna masa veća od tri solarne mase, tada je tačkasto tijelo vrlo kompaktno, naziva se rupama. Neće biti moguće odrediti svojstva crne rupe čija je masa veća od kritične. Ako se dio mase izgubi zbog Hawkingovog zračenja, radijus će se istovremeno smanjiti, tako da će vrijednost težine opet biti manja od kritične vrijednosti za ovaj objekt.
Može li rupa umrijeti?
Naučnici iznose pretpostavke o postojanju procesa zbog učešća čestica i antičestica. Fluktuacija elemenata može uzrokovati karakterizaciju praznog prostoranulti energetski nivo, koji (evo paradoksa!) neće biti jednak 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 njen antagonist. Postoji anihilacija 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. Postepeno, ovo dovodi do smrti crne rupe.
Kao zaključak
Prema nekima, crna rupa je neka vrsta kosmičkog usisivača. Rupa može progutati zvijezdu, može čak i "pojesti" galaksiju. Na mnogo načina, objašnjenje kvaliteta rupe, kao i karakteristike njenog nastanka, može se naći 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 misteriozne crne rupe, nad kojima astrofizičari razbijaju mozak više od decenije.
