Ze všech hypotetických objektů ve vesmíru předpovídaných vědeckými teoriemi působí černé díry nejstrašidelnější dojem. A ačkoli předpoklady o jejich existenci začaly být vyjádřeny téměř století a půl před Einsteinovou publikací obecné relativity, přesvědčivé důkazy o realitě jejich existence byly získány teprve nedávno.
Začněme tím, jak se obecná relativita zabývá otázkou povahy gravitace. Newtonův zákon gravitace říká, že síla vzájemné přitažlivosti působí mezi jakýmikoli dvěma masivními těly ve vesmíru. Díky této gravitační přitažlivosti se Země točí kolem Slunce. Obecná relativita nás nutí dívat se na systém Slunce-Země jinak. Podle této teorie, v přítomnosti tak masivního nebeského těla, jako je Slunce, je prostorový čas, jak byl, perforován pod svou hmotností a uniformita jeho tkáně je narušena. Představte si elastickou trampolínu s těžkou koulí (například z bowlingové dráhy), která na ní spočívá. Natažená látka se ohýbá pod svou hmotností a vytváří kolem ní vakuum. Stejně tak Slunce posouvá časoprostor kolem sebe.
Podle tohoto obrázku se Země jednoduše valí kolem vytvořeného trychtýře (kromě toho, že malá koule, která se valí kolem těžkého na trampolíně, nevyhnutelně ztratí rychlost a spirálu blíží k velké). A to, co obvykle vnímáme jako gravitační sílu v našem každodenním životě, není nic jiného než změna geometrie časoprostoru, a ne síla v newtonovském porozumění. Doposud nebylo vynalezeno žádné úspěšnější vysvětlení podstaty gravitace, než nám dává obecná teorie relativity.
Nyní si představte, co se stane, pokud v rámci navrhovaného obrázku zvětšíme a zvýšíme hmotnost těžkého míče, aniž bychom zvětšili jeho fyzickou velikost? Když je trychtýř absolutně elastický, prohloubí se, až jeho horní okraje sbíhají někde vysoko nad úplně těžkou kouli, a poté při pohledu z povrchu jednoduše přestanou existovat. Ve skutečném Vesmíru, když se nashromáždila dostatečná hmotnost a hustota hmoty, objekt zaútočí kolem sebe na časoprostorovou past, tkanivo časoprostoru se uzavře a ztrácí své spojení se zbytkem Vesmíru a stává se pro něj neviditelným. Takto se objeví černá díra.
Schwarzschild a jeho současníci věřili, že takové podivné vesmírné objekty v přírodě neexistují. Einstein sám zastával nejen tento názor, ale také mylně věřil, že se mu podařilo matematicky zdůvodnit svůj názor.
Ve třicátých letech 20. století mladý indický astrofyzik Chandrasekhar dokázal, že hvězda, která vyhořela své jaderné palivo, vrhá svou skořápku a mění se na pomalu se ochladzujícího bílého trpaslíka, pouze pokud je jeho hmotnost menší než 1,4násobek hmotnosti Slunce. Brzy si americký Fritz Zwicky uvědomil, že výbuchy supernovy produkují extrémně hustá těla neutronové hmoty; později Lev Landau dospěl ke stejnému závěru. Po práci Chandrasekharu bylo zřejmé, že takové hvězdy mohou podstoupit pouze hvězdy s hmotností více než 1,4 solárních hmot. Proto vyvstala přirozená otázka - existuje horní limit hmoty pro supernovy, které zanechávají neutronové hvězdy?
Na konci 30. let budoucí otec americké atomové bomby Robert Oppenheimer prokázal, že takový limit existuje a nepřekračuje několik solárních mas. Nebylo tedy možné provést přesnější posouzení; nyní je známo, že hmotnosti neutronových hvězd musí být v rozmezí 1,5-3 Ms. Ale i z přibližných výpočtů Oppenheimera a jeho postgraduálního studenta George Volkova to vyplynulo, že nejmasivnější potomci supernov se nestávají neutronovými hvězdami, ale jdou do jiného státu. V roce 1939 Oppenheimer a Hartland Snyder pomocí idealizovaného modelu prokázali, že se jeho gravitační poloměr smršťuje obrovská hroutící se hvězda. Z jejich vzorců vlastně vyplývá, že se zde hvězda nekončí, ale spoluautoři se tak radikálního závěru zdrželi.
Propagační video:
1911-09-07 - 2008-13-04.
Konečná odpověď byla nalezena ve druhé polovině 20. století prostřednictvím úsilí celé galaxie skvělých teoretických fyziků, včetně sovětských. Ukázalo se, že takový kolaps komprimuje hvězdu „celou cestu“a zcela ničí její podstatu. Výsledkem je jedinečnost, „superkoncentrace“gravitačního pole, uzavřená v nekonečně malém objemu. Pro stacionární díru je to bod pro rotující otvor. Zakřivení časoprostoru a následně gravitační síla poblíž singularity mají sklon k nekonečnu. Koncem roku 1967 byl americký fyzik John Archibald Wheeler jako první, kdo takový konečný hvězdný kolaps nazval černou dírou. Nový termín se zamiloval do fyziků a potěšených novinářů, kteří jej šířili po celém světě (ačkoli Francouzi to zpočátku neměli rádi, protože výraz trou noir navrhoval pochybné asociace).
Nejdůležitější vlastností černé díry je to, že cokoli se do ní dostane, nevrátí se. To platí dokonce i pro světlo, a proto dostaly své jméno černé díry: tělo, které pohlcuje veškeré dopadající světlo a nevyzařuje své vlastní, se zdá být absolutně černé. Podle obecné relativity, pokud se objekt blíží středu černé díry v kritické vzdálenosti - tato vzdálenost se nazývá Schwarzschildův poloměr - nemůže se nikdy vrátit. (Německý astronom Karl Schwarzschild (1873-1916) v posledních letech svého života, pomocí rovnic Einsteinovy obecné teorie relativity, vypočítal gravitační pole kolem hmoty nulového objemu.) Pro hmotnost Slunce je Schwarzschildův poloměr 3 km, to znamená otočit náš Slunce je v černé díře, musíte zkomprimovat celou svou hmotu do velikosti malého města!
Uvnitř Schwarzschildova poloměru teorie předpovídá ještě podivnější jevy: veškerá záležitost černé díry se shromažďuje do nekonečně malého bodu nekonečné hustoty v jejím samém středu - matematici nazývají takový objekt neobvyklou poruchou. S nekonečnou hustotou zabírá jakákoli konečná hmota hmoty, matematicky řečeno, nulový prostorový objem. Zda se tento jev skutečně vyskytuje uvnitř černé díry, samozřejmě samozřejmě nemůžeme experimentálně zkontrolovat, protože vše, co se dostane dovnitř Schwarzschildova poloměru, se nevrátí.
Nemáme-li tedy příležitost „prozkoumat“černou díru v tradičním smyslu slova „vzhled“, můžeme ji však detekovat nepřímými známkami vlivu svého nadmíru mocného a zcela neobvyklého gravitačního pole na záležitost kolem něj.
Supermasivní černé díry
Ve středu naší Mléčné dráhy a dalších galaxií je neuvěřitelně masivní černá díra miliónkrát těžší než Slunce. Tyto superhmotné černé díry (jak získaly toto jméno) byly objeveny pozorováním povahy pohybu mezihvězdného plynu poblíž center galaxií. Plyny, soudě podle pozorování, rotují v těsné vzdálenosti od supermasivního objektu a jednoduché výpočty za použití zákonů newtonské mechaniky ukazují, že objekt, který je přitahuje, se skromným průměrem, má monstrózní hmotu. Pouze černá díra může tímto způsobem rozptýlit mezihvězdný plyn ve středu galaxie. Ve skutečnosti astrofyzici již našli desítky takových masivních černých děr ve středech sousedních galaxií a silně mají podezření, že středem jakékoli galaxie je černá díra.
Hvězdné hmoty černé díry
Podle našich současných představ o vývoji hvězd, kdy při výbuchu supernovy zemře hvězda s hmotností převyšující asi 30násobek hmotnosti Slunce, její vnější skořápkový rozptyl a její vnitřní vrstvy se rychle zhroutí a místo hvězdy, která vyčerpala své zásoby paliva, vytvoří černou díru. Je prakticky nemožné odhalit černou díru tohoto původu izolovanou v mezihvězdném prostoru, protože je ve vzácném vakuu a nijak se neprojevuje v gravitačních interakcích. Pokud by však taková díra byla součástí binárního hvězdného systému (dvě horké hvězdy obíhající kolem jejich středu hmoty), bude černá díra stále působit na svou dvojhvězdu gravitačním účinkem. Astronomové dnes mají více než tucet kandidátů na roli hvězdných systémů tohoto druhu,ačkoli pro žádný z nich nebyl získán silný důkaz.
V binárním systému s černou dírou ve svém složení bude látka „živé“hvězdy nevyhnutelně „proudit“ve směru černé díry. A látka nasávaná černou dírou se při víření do černé díry ve spirále víří a zmizí při překročení Schwarzschildova poloměru. Když se však přiblíží k fatální hranici, látka nasávaná do trychtýře černé díry se nevyhnutelně zhoustne a zahřeje kvůli nárůstu kolizí mezi částicemi absorbovanými otvorem, dokud se nezahřeje na energie vlnového záření v rentgenové oblasti elektromagnetického spektra. Astronomové mohou měřit periodicitu změn intenzity rentgenových paprsků tohoto druhu a vypočítat, ve srovnání s jinými dostupnými daty, přibližnou hmotnost objektu, který „přitahuje“hmotu na sebe. Pokud hmotnost objektu překročí hranici Chandrasekhar (1,4 solárních hmot),tento objekt nemůže být bílý trpaslík, ve kterém je naše hvězda určena k degeneraci. Ve většině identifikovaných případů pozorování takových binárních rentgenových hvězd je neutronová hvězda masivním objektem. Avšak více než tucet případů již bylo započítáno, když jediným rozumným vysvětlením je přítomnost černé díry v binárním hvězdném systému.
Všechny ostatní typy černých děr jsou mnohem spekulativnější a jsou založeny pouze na teoretickém výzkumu - neexistují žádné experimentální důkazy o jejich existenci. Zaprvé se jedná o černé mini díry s hmotou srovnatelnou s hmotou hory a stlačené na poloměr protonu. Myšlenka jejich původu v počátečním stádiu utváření vesmíru bezprostředně po Velkém třesku byla vyjádřena anglickým kosmologem Stephenem Hawkingem (viz Skrytý princip nezvratnosti času). Hawking navrhl, že výbuchy malých děr mohou vysvětlit skutečně tajemný jev sekaných gama paprsků ve vesmíru. Za druhé, některé teorie elementárních částic předpovídají existenci ve vesmíru - na mikroúrovni - skutečného síta černých děr, které jsou jakýmsi druhem pěny z odpadu vesmíru. Průměr těchto mikrotrysků je pravděpodobně asi 10–33 cm - jsou miliardy krát menší než proton. V tuto chvíli nemáme naději na experimentální ověření ani samotné skutečnosti existence takových částic černé díry, natož nějak prozkoumání jejich vlastností.
A co se stane s pozorovatelem, když se najednou ocitne na druhé straně gravitačního poloměru, jinak nazývá horizont událostí. Zde začíná nejúžasnější vlastnost černých děr. Ne vždy, když mluvíme o černých dírách, jsme vždy zmínili čas, nebo spíše časoprostor. Podle Einsteinovy teorie relativity, čím rychleji se tělo pohybuje, tím více se jeho hmota stává, ale pomalejší čas začíná plynout! Při nízkých rychlostech, za normálních podmínek, je tento efekt neviditelný, ale pokud se tělo (kosmická loď) pohybuje rychlostí blízkou rychlosti světla, zvyšuje se jeho hmotnost a čas se zpomaluje! Když se rychlost těla rovná rychlosti světla, hmota je nekonečná a čas se zastaví! Důkazem toho jsou přísné matematické vzorce. Vraťme se k černé díře. Představme si fantastickou situacikdyž se kosmická loď s astronauty na palubě přiblíží ke svému gravitačnímu poloměru nebo horizontu událostí. Je zřejmé, že horizont událostí je tak pojmenován, protože můžeme pozorovat jakékoli události (obecně něco pozorovat) pouze do této hranice. Že nejsme schopni tuto hranici dodržovat. Přesto, že se vesmírná loď blíží k černé díře, budou se astronauti cítit stejně jako dříve, protože na jejich hodinkách bude čas běžet „normálně“. Kosmická loď klidně překročí horizont události a pohne se dál. Ale protože se jeho rychlost bude blížit rychlosti světla, kosmická loď dosáhne doslova středu černé díry doslova za okamžik.že můžeme pozorovat jakékoli události (obecně něco pozorovat) pouze do této hranice. Že nejsme schopni tuto hranici dodržovat. Přesto, že se vesmírná loď blíží k černé díře, budou se astronauti cítit stejně jako dříve, protože na jejich hodinkách bude čas běžet „normálně“. Kosmická loď klidně překročí horizont události a pohne se dál. Ale protože se jeho rychlost bude blížit rychlosti světla, kosmická loď dosáhne doslova středu černé díry doslova za okamžik.že můžeme pozorovat jakékoli události (obecně něco pozorovat) pouze do této hranice. Že nejsme schopni tuto hranici dodržovat. Přesto, že se vesmírná loď blíží k černé díře, budou se astronauti cítit stejně jako dříve, protože na jejich hodinkách bude čas běžet „normálně“. Kosmická loď klidně překročí horizont události a pohne se dál. Ale protože se jeho rychlost bude blížit rychlosti světla, kosmická loď dosáhne doslova středu černé díry doslova za okamžik. Ale protože se jeho rychlost bude blížit rychlosti světla, kosmická loď dosáhne doslova středu černé díry doslova za okamžik. Ale protože se jeho rychlost bude blížit rychlosti světla, kosmická loď dosáhne doslova středu černé díry doslova za okamžik.
A pro vnějšího pozorovatele se kosmická loď jednoduše zastaví na horizontu události a zůstane tam téměř navždy! To je paradox kolosální gravitace černých děr. Otázka je přirozená, budou astronauti přežít a podle nekonečného času budou sledovat nekonečno. Ne. A nejde vůbec o enormní gravitaci, ale o přílivové síly, které se v tak malém a masivním těle mění na malé vzdálenosti. Když je astronaut vysoký 1 m 70 cm, budou přílivové síly na jeho hlavě mnohem menší než na jeho nohou a na horizontu události bude jednoduše roztrhán. Obecně jsme tedy zjistili, jaké černé díry jsou, ale zatím jsme mluvili o černých dírách hvězdné hmoty. V současné době se astronomům podařilo najít superhmotné černé díry, jejichž hmota může být miliarda sluncí!Supermasivní černé díry se svými vlastnostmi neliší od menších protějšků. Jsou pouze mnohem masivnější a zpravidla se nacházejí ve středu galaxií - hvězdných ostrovech vesmíru. Uprostřed naší Galaxie (Mléčná dráha) je také supermasivní černá díra. Kolosální hmota těchto černých děr umožní jejich hledání nejen v naší Galaxii, ale také ve středech vzdálených galaxií, které se nacházejí ve vzdálenosti miliónů a miliard světelných let od Země a Slunce. Evropští a američtí vědci provedli globální hledání supermasivních černých děr, které by podle moderních teoretických výpočtů měly být umístěny ve středu každé galaxie. Kolosální hmota těchto černých děr umožní jejich hledání nejen v naší Galaxii, ale také ve středech vzdálených galaxií, které se nacházejí ve vzdálenosti miliónů a miliard světelných let od Země a Slunce. Evropští a američtí vědci provedli globální hledání supermasivních černých děr, které by podle moderních teoretických výpočtů měly být umístěny ve středu každé galaxie. Kolosální hmota těchto černých děr umožní jejich hledání nejen v naší Galaxii, ale také ve středech vzdálených galaxií, které se nacházejí ve vzdálenosti miliónů a miliard světelných let od Země a Slunce. Evropští a američtí vědci provedli globální hledání supermasivních černých děr, které by podle moderních teoretických výpočtů měly být umístěny ve středu každé galaxie.
Moderní technologie umožňuje detekci přítomnosti těchto kolapsů v sousedních galaxiích, ale jen velmi málo z nich bylo detekováno. To znamená, že buď černé díry se jednoduše skrývají v hustých oblacích plynu a prachu v centrální části galaxií, nebo jsou umístěny ve vzdálenějších rozích vesmíru. Takže černé díry mohou být detekovány rentgenovým zářením emitovaným během nárůstu hmoty na nich, a aby bylo možné sčítání takových zdrojů, byly satelity s rentgenovými dalekohledy na palubě vypuštěny do komiksového prostoru blízkého Země. Při hledání rentgenových zdrojů zjistily kosmické observatoře Chandra a Rossi, že obloha byla plná rentgenů v pozadí a byla milionkrát jasnější než viditelné světlo. Většina z tohoto pozadí rentgenové záření z oblohy musí pocházet z černých děr. Obvykle v astronomii mluví o třech typech černých děr. První z nich jsou černé díry hvězdných hmot (asi 10 solárních hmot). Jsou tvořeny z hmotných hvězd, když jim dojde termonukleární palivo. Druhým jsou supermasivní černé díry ve středu galaxií (hmota od milionu do miliard Slunce). A konečně na začátku života vesmíru vznikají pravěké černé díry, jejichž hmoty jsou malé (řádu hmoty velkého asteroidu). Tak zůstává velký rozsah možných hmot černé díry neobsazený. Ale kde jsou tyto díry? Vyplněním prostoru rentgenem však nechtějí ukázat svou skutečnou „tvář“. Ale aby bylo možné vytvořit jasnou teorii vztahu mezi rentgenovým zářením pozadí a černými dírami, musíte znát jejich počet. V současnosti se vesmírným dalekohledům podařilo odhalit pouze malý počet superhmotných černých děr, jejichž existenci lze považovat za prokázanou. Nepřímé značky nám umožňují snížit počet pozorovaných černých děr zodpovědných za záření pozadí na 15%. Člověk musí předpokládat, že zbytek superhmotných černých děr se jednoduše skrývá za hustou vrstvou prachových mračen, které přenášejí pouze vysoce energetické rentgenové paprsky nebo jsou příliš daleko na to, aby byly detekovány moderními pozorovacími prostředky.že zbytek supermasivních černých děr se jednoduše skrývá za hustou vrstvou zaprášených mraků, které umožňují průchod vysokoenergetickým rentgenovým paprskům nebo jsou příliš daleko na to, aby byly detekovány moderními pozorovacími zařízeními.že zbytek supermasivních černých děr se jednoduše skrývá za hustou vrstvou zaprášených mraků, které umožňují průchod vysokoenergetickým rentgenovým paprskům nebo jsou příliš daleko na to, aby byly detekovány moderními pozorovacími zařízeními.
Supermasivní černá díra (sousedství) ve středu galaxie M87 (rentgenový snímek). Je viditelná ejekce (tryska) z horizontu události. Obrázek z webu www.college.ru/astronomy
Nalezení skrytých černých děr je jednou z hlavních výzev moderní rentgenové astronomie. Nejnovější průlomy v této oblasti spojené s výzkumem na dalekohledech Chandra a Rossi však přesto pokrývají pouze nízkoenergetický rozsah rentgenových paprsků - přibližně 2 000–20 000 elektronových voltů (pro srovnání, energie optického záření je asi 2 elektronové volty). volt). Zásadní změny v těchto studiích může provést evropský kosmický dalekohled „Integral“, který je schopen proniknout do dosud nedostatečně studované oblasti rentgenového záření s energií 20 000 až 3 000 000 elektronových voltů. Důležitost studia tohoto typu rentgenového záření je taková, že ačkoli rentgenové pozadí oblohy má nízkou energii, proti tomuto pozadí se objevuje několik vrcholů (bodů) záření s energií asi 30 000 voltů elektronů. Vědci právě otevírají závoj tajemství toho, co tyto vrcholy vede, a Integral je první dostatečně citlivý dalekohled schopný najít takové zdroje rentgenového záření. Podle astronomů způsobují vysokoenergetické paprsky vznik tzv. Comptonově silných předmětů, tj. Superhmotných černých děr obalených v zaprášené skořápce. Jsou to Comptonovy objekty, které jsou zodpovědné za 30 000 elektronově-voltových rentgenových vrcholů v poli záření pozadí. Jsou to Comptonovy objekty, které jsou zodpovědné za 30 000 elektronově-voltových rentgenových vrcholů v poli záření pozadí. Jsou to objekty Comptonu, které jsou zodpovědné za 30 000 elektronově-voltových rentgenových vrcholů v poli záření pozadí.
Ale pokračující výzkum vědci dospěli k závěru, že objekty Compton tvoří pouze 10% z počtu černých děr, které by měly vytvářet vysoce energetické vrcholy. To je vážná překážka pro další rozvoj teorie. Takže chybějící rentgenové paprsky nepocházejí z Comptonově tlustého, ale z obyčejných superhmotných černých děr? A co prachové clony pro rentgenové paprsky s nízkou energií? Zdá se, že odpověď spočívá v tom, že mnoho černých děr (Comptonových objektů) mělo dostatek času absorbovat veškerý plyn a prach, který je obklopil, ale předtím měli příležitost se prohlásit vysokoenergetickými rentgenovými paprsky. Po absorbování veškeré hmoty již takové černé díry nemohly generovat rentgenové paprsky na horizontu události. Je jasné, proč tyto černé díry nelze detekovat,a je možné připsat chybějící zdroje záření pozadí jejich účtu, protože ačkoli černá díra již nevyzařuje, záření, které dříve vytvořilo, pokračuje ve své cestě vesmírem. Je však zcela možné, že chybějící černé díry jsou skrytější, než předpokládají astronomové, to znamená, že to, že je nevidíme, neznamená, že nejsou. Prostě nemáme dostatečnou pozorovací sílu, abychom je viděli. Mezitím vědci NASA plánují rozšířit hledání skrytých černých děr ještě dále do vesmíru. Je tam, že se nachází podvodní část ledovce, říkají. Po dobu několika měsíců bude výzkum prováděn jako součást mise Swift. Průnik do hlubokého vesmíru odhalí skrytí černé díry,najít chybějící odkaz na záření pozadí a vrhnout světlo na jejich aktivitu v ranném vesmíru.
Některé černé díry jsou považovány za aktivnější než jejich tiché sousedy. Aktivní černé díry pohlcují okolní hmotu, a pokud se „zející“hvězdná létající minulost dostane do gravitačního letu, určitě bude „jedena“barbarským způsobem (roztrhána na kousky). Absorbovaná látka, padající na černou díru, se zahřívá na obrovské teploty a zažívá záblesk v gama, rentgenovém a ultrafialovém rozsahu. Uprostřed Mléčné dráhy je také supermasivní černá díra, ale je obtížnější ji studovat než díry v blízkých nebo dokonce vzdálených galaxiích. Je to kvůli husté stěně plynu a prachu, která stojí v cestě středu naší Galaxie, protože sluneční soustava je umístěna téměř na okraji galaktického disku. Proto pozorování aktivity černých děr je mnohem účinnější v těch galaxiích, jejichž jádro je jasně viditelné. Když astronomové pozorovali jednu ze vzdálených galaxií umístěných v souhvězdí Boote ve vzdálenosti 4 miliard světelných let, poprvé dokázali sledovat od začátku a téměř do konce proces absorpce hvězdy supermasivní černou dírou. Po tisíce let tento obrovský kolaps klidně spočíval v centru nejmenované eliptické galaxie, dokud se jedna z hvězd neodvážila se k němu dostat dost blízko.
Silná gravitace černé díry hvězdu roztrhla. Shluky hmoty začaly padat na černou díru a po dosažení horizontu události se v ultrafialovém pásmu jasně rozzářily. Tyto světlice byly zaznamenány novým vesmírným dalekohledem NASA Galaxy Evolution Explorer, který studuje oblohu v ultrafialovém světle. Dalekohled sleduje chování rozlišovaného objektu i dnes. jídlo černé díry ještě neskončilo a zbytky hvězdy nadále padají do propasti času a prostoru. Pozorování takových procesů nakonec pomůže lépe porozumět tomu, jak se černé díry vyvíjejí s jejich mateřskými galaxiemi (nebo naopak, galaxie se vyvíjejí s jejich mateřskými černými dírami). Předchozí pozorování ukazují, že takové excesy nejsou ve vesmíru neobvyklé. Vědci počítaliže v průměru je hvězda absorbována superhmotnou černou dírou typické galaxie jednou za 10 000 let, ale protože existuje velké množství galaxií, lze absorpci hvězd pozorovat mnohem častěji.