A modern tudósok számára a fekete lyuk univerzumunk egyik legtitokzatosabb jelensége. Az ilyen tárgyak tanulmányozása nehézkes, nem lehet "tapasztalatból" kipróbálni. A fekete lyuk anyagának tömege, sűrűsége, ennek az objektumnak a képződési folyamatai, méretei - mindez felkelti az érdeklődést a szakemberek körében, és időnként - zavartságot. Tekintsük a témát részletesebben. Először is elemezzük, mi is egy ilyen objektum.
Általános információ
A kozmikus objektumok elképesztő tulajdonsága a kis sugár, a nagy sűrűségű feketelyuk-anyag és a hihetetlenül nagy tömeg kombinációja. Egy ilyen objektum minden jelenleg ismert fizikai tulajdonsága furcsának tűnik a tudósok számára, gyakran megmagyarázhatatlannak. Még a legtapaszt altabb asztrofizikusok is csodálkoznak az ilyen jelenségek sajátosságain. A fő jellemző, amely lehetővé teszi a tudósok számára a fekete lyuk azonosítását, az eseményhorizont, vagyis az a határ, amely miattsemmi sem jön vissza, beleértve a fényt sem. Ha egy zóna tartósan le van választva, a szeparációs határt a rendszer eseményhorizontként jelöli ki. Ideiglenes elválasztással a látható horizont jelenléte rögzítve van. A temporális néha nagyon laza fogalom, vagyis a régió elkülönülhet az univerzum jelenlegi korát meghaladó időtartamra. Ha van egy látható horizont, amely hosszú ideig létezik, akkor nehéz megkülönböztetni az eseményhorizonttól.
A fekete lyuk tulajdonságai, az azt alkotó anyag sűrűsége sok szempontból más fizikai tulajdonságoknak köszönhető, amelyek világtörvényeinkben működnek. A gömbszimmetrikus fekete lyuk eseményhorizontja egy olyan gömb, amelynek átmérőjét a tömege határozza meg. Minél nagyobb tömeget húznak befelé, annál nagyobb a lyuk. És mégis meglepően kicsi marad a csillagok hátterében, mivel a gravitációs nyomás mindent összenyom benne. Ha elképzelünk egy lyukat, amelynek tömege megfelel a bolygónknak, akkor egy ilyen objektum sugara nem haladja meg a néhány millimétert, azaz tízmilliárddal kisebb lesz, mint a Földé. A sugarat Schwarzschildról nevezték el, arról a tudósról, aki először vezette le a fekete lyukakat Einstein általános relativitáselméletének megoldásaként.
És belül?
Egy ilyen tárgyba kerülve az ember nem valószínű, hogy hatalmas sűrűséget vesz észre magán. A fekete lyuk tulajdonságait nem ismerik jól ahhoz, hogy biztosak legyünk abban, hogy mi fog történni, de a tudósok úgy vélik, hogy semmi különös nem derülhet ki a horizonton. Ezt az ekvivalens Einstein-féle magyarázzaelv, amely megmagyarázza, hogy a horizont görbületét alkotó mező és a síkban rejlő gyorsulás miért nem tér el a megfigyelő számára. Ha távolról követi az átkelés folyamatát, láthatja, hogy az objektum a horizont közelében lassulni kezd, mintha ezen a helyen lassan múlna az idő. Egy idő után az objektum átlépi a horizontot, és a Schwarzschild-sugárba esik.
A fekete lyukban lévő anyag sűrűsége, egy objektum tömege, méretei és árapályerői, valamint a gravitációs mező szorosan összefügg. Minél nagyobb a sugár, annál kisebb a sűrűség. A sugár a súly növekedésével növekszik. Az árapály-erők fordítottan arányosak a súly négyzetével, vagyis a méretek növekedésével és a sűrűség csökkenésével a tárgy árapály-ereje csökken. Lehetőség lesz leküzdeni a horizontot, mielőtt észrevennénk ezt a tényt, ha az objektum tömege nagyon nagy. Az általános relativitáselmélet korai időszakában azt hitték, hogy szingularitás van a láthatáron, de kiderült, hogy ez nem így van.
A sűrűségről
Amint a tanulmányok kimutatták, a fekete lyuk sűrűsége a tömegtől függően több vagy kisebb is lehet. Különböző objektumok esetén ez a mutató változik, de mindig csökken a sugár növekedésével. Szupermasszív lyukak jelenhetnek meg, amelyek az anyag felhalmozódása miatt kiterjedten képződnek. Az ilyen objektumok sűrűsége, amelyek tömege megfelel a rendszerünkben található több milliárd világítótest össztömegének, átlagosan kisebb, mint a víz sűrűsége. Néha összehasonlítható a gázsűrűség szintjével. Ennek az objektumnak az árapály ereje már azután aktiválódik, hogy a megfigyelő átlépi a horizontoteseményeket. A feltételezett felfedező nem sérülne, amikor közeledik a horizonthoz, és sok ezer kilométert zuhanna, ha védelmet találna a korongplazmától. Ha a szemlélő nem néz hátra, nem veszi észre, hogy átlépték a horizontot, ha pedig elfordítja a fejét, valószínűleg a horizonton megfagyott fénysugarakat lát. A megfigyelő ideje nagyon lassan telik, képes lesz követni a lyuk közelében történt eseményeket egészen a halál pillanatáig – akár őt, akár az Univerzum.
Egy szupermasszív fekete lyuk sűrűségének meghatározásához ismernie kell a tömegét. Keresse meg ennek a mennyiségnek az értékét és a térobjektumban rejlő Schwarzschild-térfogatot. Átlagosan egy ilyen mutató az asztrofizikusok szerint kivételesen kicsi. Az esetek lenyűgöző százalékában kisebb, mint a levegő sűrűsége. A jelenség magyarázata a következő. A Schwarzschild-sugár közvetlenül kapcsolódik a tömeghez, míg a sűrűség fordítottan a térfogathoz, tehát a Schwarzschild-sugár. A térfogat közvetlenül kapcsolódik a kocka sugarához. A tömeg lineárisan növekszik. Ennek megfelelően a térfogat gyorsabban növekszik, mint a tömeg, és az átlagos sűrűség is kisebb lesz, minél nagyobb a vizsgált tárgy sugara.
Kíváncsi vagyok
A lyukban rejlő árapályerő a gravitációs erő gradiense, ami elég nagy a horizonton, így innen még a fotonok sem tudnak elmenekülni. Ugyanakkor a paraméter növekedése meglehetősen zökkenőmentesen megy végbe, ami lehetővé teszi, hogy a megfigyelő önmaga kockázata nélkül leküzdje a horizontot.
A fekete lyukak sűrűségének tanulmányozásaaz objektum közepe még viszonylag korlátozott. Az asztrofizikusok megállapították, hogy minél közelebb van a központi szingularitás, annál magasabb a sűrűség szintje. A korábban említett számítási mechanizmus lehetővé teszi, hogy nagyon átlagos képet kapjon arról, hogy mi történik.
A tudósoknak rendkívül korlátozott elképzeléseik vannak arról, hogy mi történik a lyukban, annak szerkezetével kapcsolatban. Az asztrofizikusok szerint egy lyukban a sűrűségeloszlás külső szemlélő számára nem túl jelentős, legalábbis a jelenlegi szinten. Sokkal informatívabb specifikáció a gravitáció, súly. Minél nagyobb a tömeg, annál erősebben különül el egymástól a középpont, a horizont. Vannak ilyen feltételezések is: a horizonton túl az anyag elvileg hiányzik, csak az objektum mélyén észlelhető.
Ismertek számokat?
A tudósok régóta gondolkodnak egy fekete lyuk sűrűségén. Megtörténtek bizonyos vizsgálatok, kísérletek számolni. Íme az egyik közülük.
A naptömeg 210^30 kg. A Napnál többszörösen nagyobb objektum helyén lyuk keletkezhet. A legkönnyebb lyuk sűrűsége átlagosan 10^18 kg/m3. Ez egy nagyságrenddel nagyobb, mint az atommag sűrűsége. Körülbelül ugyanaz a különbség a neutroncsillagokra jellemző átlagos sűrűségszinttől.
Lehetséges ultrakönnyű lyukak létezése, amelyek mérete megfelel a szubnukleáris részecskéknek. Az ilyen objektumok sűrűségi indexe rendkívül nagy lesz.
Ha bolygónk lyukká válik, a sűrűsége körülbelül 210^30 kg/m3. A tudósok azonban nem tudtákfeltárja azokat a folyamatokat, amelyek eredményeként űrházunk fekete lyuká változhat.
A számokról bővebben
A Tejútrendszer közepén lévő fekete lyuk sűrűségét 1,1 millió kg/m-re becsülik3. Ennek az objektumnak a tömege 4 millió naptömegnek felel meg. A lyuk sugarát 12 millió km-re becsülik. A Tejútrendszer közepén található fekete lyuk sűrűsége képet ad a szupermasszív lyukak fizikai paramétereiről.
Ha egy objektum tömege 10^38 kg, azaz körülbelül 100 millió Napra becsülik, akkor egy csillagászati objektum sűrűsége megfelel a bolygónkon található gránit sűrűségének.
A modern asztrofizikusok által ismert lyukak közül az egyik legnehezebb lyukat az OJ 287 kvazárban találták, súlya rendszerünk 18 milliárd világítótestének felel meg. Mekkora a fekete lyuk sűrűsége, a tudósok különösebb nehézség nélkül kiszámították. Az érték eltűnőben kicsinek bizonyult. Csak 60 g/m3. Összehasonlításképpen: bolygónk légköri levegőjének sűrűsége 1,29 mg/m3.
Honnan jönnek a lyukak?
A tudósok nemcsak a fekete lyukak sűrűségének meghatározására végeztek kutatást rendszerünk csillagával vagy más kozmikus testekkel összehasonlítva, hanem azt is megpróbálták meghatározni, honnan származnak a lyukak, milyen mechanizmusok keletkeznek ilyenek. titokzatos tárgyakat. Most van egy elképzelés a lyukak megjelenésének négy módjáról. A legérthetőbb lehetőség egy csillag összeomlása. Amikor nagy lesz, a szintézis a magban befejeződik,a nyomás megszűnik, az anyag a súlypontba esik, így lyuk keletkezik. A középponthoz közeledve a sűrűség növekszik. Előbb-utóbb a mutató olyan jelentőssé válik, hogy a külső tárgyak képtelenek leküzdeni a gravitáció hatásait. Ettől kezdve egy új lyuk jelenik meg. Ez a típus elterjedtebb, mint mások, és naptömeg-lyukak néven ismertek.
A lyukak másik meglehetősen gyakori típusa a szupermasszív lyuk. Ezeket gyakrabban figyelik meg a galaktikus központokban. Az objektum tömege a fent leírt naptömegű lyukhoz képest milliárdszor nagyobb. A tudósok még nem határozták meg az ilyen tárgyak megnyilvánulási folyamatait. Feltételezzük, hogy a fent leírt mechanizmus szerint először lyuk keletkezik, majd a szomszédos csillagok elnyelődnek, ami növekedéshez vezet. Ez akkor lehetséges, ha a galaxis zónája sűrűn lakott. Az anyag abszorpciója gyorsabban megy végbe, mint ahogy a fenti séma megmagyarázná, és a tudósok még nem tudják kitalálni, hogyan megy végbe az abszorpció.
Feltételezések és ötletek
Az asztrofizikusok számára nagyon nehéz téma az őslyukak. Valószínűleg minden tömegből megjelennek ilyenek. Nagy fluktuációban alakulhatnak ki. Valószínűleg az ilyen lyukak megjelenése a korai Univerzumban történt. Eddig a fekete lyukak tulajdonságaival, jellemzőivel (beleértve a sűrűségét), megjelenési folyamataival foglalkozó tanulmányok nem teszik lehetővé olyan modell meghatározását, amely pontosan reprodukálja az elsődleges lyuk megjelenésének folyamatát. A jelenleg ismert modellek túlnyomórészt olyanok, hogy ha a valóságban megvalósulnának,túl sok lyuk lenne.
Tegyük fel, hogy a Nagy Hadronütköztető egy lyuk keletkezésének forrásává válhat, amelynek tömege megfelel a Higgs-bozonnak. Ennek megfelelően a fekete lyuk sűrűsége nagyon nagy lesz. Ha egy ilyen elmélet beigazolódik, akkor az extra dimenziók jelenlétének közvetett bizonyítékának tekinthető. Jelenleg ezt a spekulatív következtetést még nem erősítették meg.
Sugárzás egy lyukból
A lyuk kibocsátását az anyag kvantumhatásai magyarázzák. A tér dinamikus, így a részecskék itt teljesen mások, mint amit megszoktunk. A lyuk közelében nemcsak az idő torzul el; egy részecske megértése nagyban függ attól, hogy ki figyeli meg. Ha valaki beleesik egy lyukba, úgy tűnik neki, hogy vákuumba merül, és egy távoli szemlélő számára részecskékkel teli zónának tűnik. A hatást az idő és a tér nyúlása magyarázza. A lyukból származó sugárzást először Hawking azonosította, akinek a nevét a jelenségnek adták. A sugárzás hőmérséklete fordítottan arányos a tömeggel. Minél kisebb egy csillagászati objektum súlya, annál magasabb a hőmérséklet (valamint a fekete lyuk sűrűsége). Ha a lyuk szupermasszív, vagy tömege hasonló egy csillagéhoz, akkor a sugárzás belső hőmérséklete alacsonyabb lesz, mint a mikrohullámú háttér. Emiatt nem lehet megfigyelni.
Ez a sugárzás magyarázza az adatvesztést. Ez a neve egy termikus jelenségnek, amelynek egyetlen jellemzője van - a hőmérséklet. A vizsgálat során nincs információ a lyukképződés folyamatairól, de egy ilyen sugárzást kibocsátó objektum egyidejűleg tömegét veszíti (és ezért nő)a fekete lyuk sűrűsége) csökken. A folyamatot nem az az anyag határozza meg, amelyből a lyuk keletkezik, nem attól függ, hogy később mit szívtak be. A tudósok nem tudják megmondani, mi lett a lyuk alapja. Sőt, a vizsgálatok kimutatták, hogy a sugárzás visszafordíthatatlan folyamat, vagyis olyan, amely egyszerűen nem létezhet a kvantummechanikában. Ez azt jelenti, hogy a sugárzás nem egyeztethető össze a kvantumelmélettel, és az inkonzisztencia további ilyen irányú munkát igényel. Míg a tudósok úgy vélik, hogy a Hawking-sugárzásnak információt kell tartalmaznia, csak még nem rendelkezünk eszközökkel, képességekkel a kimutatására.
Kíváncsi: a neutroncsillagokról
Ha van szuperóriás, az nem jelenti azt, hogy egy ilyen csillagászati test örök. Idővel megváltozik, eldobja a külső rétegeket. A maradványokból fehér törpék emelkedhetnek ki. A második lehetőség a neutroncsillagok. A konkrét folyamatokat az elsődleges test magtömege határozza meg. Ha 1,4-3 szolárisra becsüljük, akkor a szuperóriás pusztulását nagyon nagy nyomás kíséri, ami miatt az elektronok mintegy benyomódnak a protonokba. Ez neutronok képződéséhez, neutrínók kibocsátásához vezet. A fizikában ezt neutron degenerált gáznak nevezik. Olyan a nyomása, hogy a csillag nem tud tovább összehúzódni.
Amint azonban a vizsgálatok kimutatták, valószínűleg nem minden neutroncsillag jelent meg ilyen módon. Némelyikük olyan nagyok maradványai, amelyek második szupernóvaként robbantak fel.
Tom test sugarakisebb, mint nagyobb tömeg. A legtöbbnél 10-100 km között változik. Tanulmányokat végeztek a fekete lyukak, neutroncsillagok sűrűségének meghatározására. A második esetében, amint azt a tesztek kimutatták, a paraméter viszonylag közel van az atomi paraméterhez. Asztrofizikusok által meghatározott konkrét adatok: 10^10 g/cm3.
Kíváncsi: elmélet és gyakorlat
A neutroncsillagokat elméletileg a múlt század 60-as és 70-es éveiben jósolták meg. A pulzárokat elsőként fedezték fel. Kis csillagokról van szó, amelyeknek a forgási sebessége igen nagy, a mágneses tér pedig igazán grandiózus. Feltételezhető, hogy a pulzár ezeket a paramétereket az eredeti csillagtól örökli. A forgási idő ezredmásodperctől néhány másodpercig változhat. Az első ismert pulzárok időszakos rádiósugárzást bocsátottak ki. Ma már ismertek a röntgenspektrum-sugárzással, gamma-sugárzással rendelkező pulzárok.
A leírt neutroncsillagképződési folyamat folytatódhat – semmi sem állíthatja meg. Ha a mag tömege több mint három naptömeg, akkor a hegyes test nagyon kompakt, lyukakként említik. A kritikusnál nagyobb tömegű fekete lyuk tulajdonságait nem lehet majd meghatározni. Ha a tömeg egy része a Hawking-sugárzás miatt elveszik, a sugár egyidejűleg csökken, így a súlyérték ismét kisebb lesz, mint az objektum kritikus értéke.
Elhalhat egy lyuk?
A tudósok feltételezéseket fogalmaznak meg a részecskék és antirészecskék részvételéből adódó folyamatok létezéséről. Az elemek fluktuációja az üres tér jellemzését okozhatjanulla energiaszint, ami (itt egy paradoxon!) nem lesz egyenlő nullával. Ugyanakkor a testben rejlő eseményhorizont az abszolút fekete testben rejlő alacsony energiájú spektrumot kap. Az ilyen sugárzás tömegveszteséget okoz. A horizont kissé szűkülni fog. Tegyük fel, hogy van két pár részecske és antagonistája. Egy részecske megsemmisül az egyik párból, és az antagonistája a másikból. Ennek következtében fotonok repülnek ki a lyukból. A második pár javasolt részecske beleesik a lyukba, egyidejűleg elnyelve bizonyos mennyiségű tömeget, energiát. Ez fokozatosan a fekete lyuk halálához vezet.
Következtetésként
Egyesek szerint a fekete lyuk egyfajta kozmikus porszívó. Egy lyuk elnyelhet egy csillagot, sőt egy galaxist is „megehet”. A relativitáselméletben sokféleképpen megtalálható a lyuk tulajdonságainak magyarázata, valamint kialakulásának sajátosságai. Ismeretes belőle, hogy az idő folytonos, a tér is. Ez megmagyarázza, hogy a tömörítési folyamatok miért nem állíthatók le, korlátlanok és korlátlanok.
Ezek a titokzatos fekete lyukak, amelyek felett az asztrofizikusok több mint egy évtizede törik az agyukat.
