От всички хипотетични обекти във Вселената, предвидени от научните теории, черните дупки правят най-зловещото впечатление. И макар предположенията за тяхното съществуване да започнат да се изразяват почти век и половина преди публикуването на Айнщайн за обща относителност, убедителни доказателства за реалността на тяхното съществуване са получени съвсем наскоро.
Нека започнем с това, че общата относителност адресира въпроса за природата на гравитацията. Законът на гравитацията на Нютон гласи, че сила на взаимно привличане действа между всякакви две масивни тела във Вселената. Поради това гравитационно привличане Земята се върти около Слънцето. Общата относителност ни принуждава да гледаме по различен начин на системата Слънце-Земя. Според тази теория, при наличието на такова масивно небесно тяло като Слънцето, пространството-времето, като че ли, се перфорира под тежестта му и се нарушава равномерността на тъканта му. Представете си еластичен батут с тежка топка (например от боулинг), опираща се на него. Опънатата тъкан се огъва под тежестта си, създавайки вакуум около нея. По същия начин Слънцето натиска пространство-време около себе си.
Според тази картина Земята просто се търкаля около образуваната фуния (с изключение на това, че малка топка, която се търкаля около тежка на батут, неизбежно ще загуби скорост и спирала по-близо до голяма). И това, което ние обичайно възприемаме като силата на гравитацията в ежедневието си, също не е нищо повече от промяна в геометрията на пространството-времето, а не сила в Нютоновото разбиране. Към днешна дата не е измислено по-успешно обяснение на природата на гравитацията от общата теория на относителността.
А сега си представете какво ще се случи, ако ние - в рамките на предложената картина - увеличим и увеличим масата на тежка топка, без да увеличаваме нейния физически размер? Тъй като е еластична, фунията ще се задълбочава, докато горните й краища се сближат някъде високо над напълно тежката топка, а след това тя просто престане да съществува, когато се гледа от повърхността. В реалната Вселена, натрупайки достатъчна маса и плътност на материята, обектът затваря капана за пространство-време около себе си, тъканта на пространството-времето се затваря и тя губи връзката си с останалата Вселена, ставайки невидима за нея. Така се появява черна дупка.
Шварцшилд и неговите съвременници вярвали, че такива странни космически обекти не съществуват в природата. Самият Айнщайн не само поддържаше тази гледна точка, но и погрешно вярваше, че е успял да обоснове мнението си математически.
През 30-те години на миналия век младият индийски астрофизик Чандрасехар доказа, че звезда, която изразходва ядреното си гориво, хвърля черупката си и се превръща в бавно охлаждащо се бяло джудже, само ако масата му е по-малка от 1,4 пъти по-голяма от масата на Слънцето. Скоро американецът Фриц Цвики осъзнал, че свръхнови експлозии произвеждат изключително плътни тела от неутронна материя; по-късно Лев Ландау стига до същото заключение. След работата на Чандрасехар беше очевидно, че само звезди с маса над 1,4 слънчеви маси могат да претърпят такава еволюция. Следователно възникна естествен въпрос - има ли горна граница на масата за свръхнови, които оставят след себе си неутронни звезди?
В края на 30-те години бъдещият баща на американската атомна бомба Робърт Опенхаймер установи, че такава граница съществува и не надвишава няколко слънчеви маси. Тогава не беше възможно да се даде по-точна оценка; сега е известно, че масата на неутронните звезди трябва да е в интервала от 1,5-3 Ms. Но дори от приблизителните изчисления на Опенхаймер и неговия възпитаник Георги Волков следва, че най-масовите потомци на свръхнови не стават неутронни звезди, а преминават в някакво друго състояние. През 1939 г. Опенхаймер и Хартланд Снайдер, използвайки идеализиран модел, доказват, че масивна колабираща се звезда свива гравитационния си радиус. От техните формули всъщност следва, че звездата не спира дотук, но съавторите се въздържат от такъв радикален извод.
Промоционално видео:
09.09.1911 г. - 13.04.2008 г.
Окончателният отговор е намерен през втората половина на 20 век чрез усилията на цяла плеяда от блестящи теоретични физици, включително съветски. Оказа се, че такъв срив винаги компресира звездата "докрай", напълно унищожавайки нейната субстанция. В резултат на това възниква сингулярност, „суперконцентрат“на гравитационното поле, затворен в безкрайно малък обем. За фиксиран отвор това е точка, за въртящ се - пръстен. Кривината на пространство-време и, следователно, гравитационната сила в близост до сингулярността са склонни към безкрайност. В края на 1967 г. американският физик Джон Арчибалд Уилър е първият, който нарече подобен краен звезден срив черна дупка. Новият термин се влюби във физиците и зарадва журналистите, които го разпространиха по целия свят (въпреки че французите не го харесаха в началото, тъй като изразът trou noir подсказваше съмнителни асоциации).
Най-важното свойство на черната дупка е, че каквото попадне в нея, тя няма да се върне. Това важи дори за светлината, поради което черните дупки са получили своето име: тяло, което поглъща цялата светлина, падаща върху него и не излъчва своята собствена, изглежда абсолютно черно. Според общата относителност, ако даден обект се приближи до центъра на черна дупка на критично разстояние - това разстояние се нарича радиус на Шварцшилд - той никога не може да се върне назад. (Немският астроном Карл Шварцшилд (1873-1916) през последните години от живота си, използвайки уравненията на общата теория на относителността на Айнщайн, изчисли гравитационното поле около масата на нулевия обем.) За масата на Слънцето радиусът на Шварцшилд е 3 км, т.е. Слънцето е в черна дупка, трябва да уплътните цялата му маса с размерите на малък град!
В радиуса на Шварцшилд теорията предвижда още по-странни явления: цялата материя на черна дупка се събира в безкрайно малка точка с безгранична плътност в самия й център - математиците наричат такъв обект еднолично смущение. С безкрайна плътност всяка крайна маса на материята, математически погледнато, заема нулев пространствен обем. Дали това явление всъщност се среща вътре в черна дупка, ние, разбира се, не можем да проверим експериментално, тъй като всичко, което попадне в радиуса на Шварцшилд, не се връща.
По този начин, без да имаме възможност да „изследваме“черна дупка в традиционния смисъл на думата „поглед“, ние, въпреки това, можем да открием нейното присъствие чрез косвени признаци на влиянието на нейното свръхмощно и напълно необичайно гравитационно поле върху материята около него.
Супермасивни черни дупки
В центъра на нашия Млечен път и други галактики е невероятно масивна черна дупка милиони пъти по-тежка от Слънцето. Тези свръхмасивни черни дупки (както получиха това име) бяха открити чрез наблюдение на естеството на движението на междузвезден газ в близост до центровете на галактиките. Газовете, ако съдим по наблюдения, се въртят на близко разстояние от свръхмасивен обект, а прости изчисления, използващи законите на Нютоновата механика, показват, че обектът, който ги привлича, с оскъден диаметър има чудовищна маса. Само черна дупка може да завърти междузвездния газ в центъра на галактиката по този начин. Всъщност астрофизиците вече са открили десетки такива масивни черни дупки в центровете на съседните галактики и силно подозират, че центърът на всяка галактика е черна дупка.
Черни дупки на звездна маса
Според съвременните ни представи за еволюцията на звездите, когато звезда с маса над 30 пъти по-голяма от масата на Слънцето умира при експлозия на свръхнова, външната му обвивка се разпръсва и вътрешните му слоеве бързо се сриват към центъра и образуват черна дупка на мястото на звездата, която е изразходвала запасите си от гориво. Практически е невъзможно да се открие черна дупка от този произход, изолирана в междузвездното пространство, тъй като тя е в разреден вакуум и не се проявява по никакъв начин по отношение на гравитационните взаимодействия. Ако обаче тази дупка е била част от двоична звездна система (две горещи звезди се въртят около центъра им на маса), черната дупка все пак ще упражнява гравитационен ефект върху нейната близначка. Днес астрономите имат повече от дузина кандидати за ролята на звездни системи от този вид,въпреки че за никое от тях не са получени силни доказателства.
В двоична система с черна дупка в състава си веществото на „живата“звезда неизбежно ще „тече“по посока на черната дупка. И веществото, изсмукано от черната дупка, ще се завихри, когато попадне в черната дупка по спирала, изчезнайки при пресичане на радиуса на Шварцшилд. Когато се приближи до фаталната граница, веществото, изсмукано във фунията на черната дупка, неизбежно ще се сгъсти и нагрява поради увеличаването на сблъсъците между частиците, погълнати от дупката, докато се нагрява до енергиите на вълновата радиация в рентгеновия обхват на електромагнитния спектър. Астрономите могат да измерват периодичността на промените в интензивността на рентгеновите лъчи от този вид и да изчислят, сравнявайки го с други налични данни, приблизителната маса на обект, който "дърпа" материя върху себе си. Ако масата на обекта надвишава границата на Чандрасехар (1.4 слънчеви маси),този обект не може да бъде бяло джудже, в което нашата звезда е предопределена да се изроди. В повечето от идентифицираните случаи на наблюдение на такива двоични рентгенови звезди, неутронна звезда е масивен обект. Вече са преброени повече от дузина случаи, когато единственото разумно обяснение е наличието на черна дупка в двоична звездна система.
Всички други видове черни дупки са много по-спекулативни и се основават единствено на теоретични изследвания - изобщо няма експериментални доказателства за тяхното съществуване. Първо, това са черни мини-дупки с маса, сравнима с масата на планината и сгъстена с радиуса на протона. Идеята за техния произход в началния етап от формирането на Вселената веднага след Големия взрив беше изразена от английския космолог Стивън Хокинг (виж Скрития принцип на необратимостта на времето). Хокинг предположи, че експлозиите в мини дупки могат да обяснят наистина мистериозното явление на изсечени гама-лъчи във Вселената. Второ, някои теории за елементарните частици предсказват съществуването във Вселената - на микро ниво - на истинско сито от черни дупки, които представляват вид пяна от отпадъците на Вселената. Предполага се, че диаметърът на такива дупки е около 10–33 см - те са милиарди пъти по-малки от протона. В момента нямаме надежди за експериментална проверка дори на самия факт за съществуването на такива частици от черна дупка, камо ли по някакъв начин да изследваме техните свойства.
И какво се случва с наблюдателя, ако изведнъж се озове от другата страна на гравитационния радиус, наречен иначе хоризонт на събитието. От тук започва най-невероятното свойство на черните дупки. Не е за нищо, че винаги сме споменавали време, или по-скоро пространство-време, когато говорим за черни дупки. Според теорията на относителността на Айнщайн, колкото по-бързо се движи едно тяло, толкова повече става неговата маса, но по-бавното време започва да минава! При ниски скорости, при нормални условия, този ефект е невидим, но ако тялото (космическият кораб) се движи със скорост, близка до скоростта на светлината, тогава неговата маса нараства, а времето се забавя! Когато скоростта на тялото е равна на скоростта на светлината, масата отива в безкрайност и времето спира! Това се доказва от строги математически формули. Да се върнем към черната дупка. Нека си представим фантастична ситуациякогато космически кораб с астронавти на борда се приближава до гравитационния му радиус или хоризонт на събитията. Ясно е, че хоризонтът на събитията е наречен така, защото можем да наблюдаваме всякакви събития (като цяло наблюдаваме нещо) само до тази граница. Че не сме в състояние да наблюдаваме тази граница. Въпреки това, намирайки се в космическия кораб, приближаващ се до черната дупка, астронавтите ще се чувстват същото като преди, защото на часовника им времето ще тече "нормално". Космическият кораб спокойно ще пресече хоризонта на събитията и ще продължи напред. Но тъй като скоростта му ще бъде близка до скоростта на светлината, космическият кораб ще достигне до центъра на черната дупка буквално за миг.че можем да наблюдаваме всякакви събития (обикновено наблюдаваме нещо) само до тази граница. Че не сме в състояние да наблюдаваме тази граница. Въпреки това, намирайки се в космическия кораб, приближаващ се до черната дупка, астронавтите ще се чувстват същото като преди, защото на часовника им времето ще тече "нормално". Космическият кораб спокойно ще пресече хоризонта на събитията и ще продължи напред. Но тъй като скоростта му ще бъде близка до скоростта на светлината, космическият кораб ще достигне до центъра на черната дупка буквално за миг.че можем да наблюдаваме всякакви събития (обикновено наблюдаваме нещо) само до тази граница. Че не сме в състояние да наблюдаваме тази граница. Въпреки това, намирайки се в космическия кораб, приближаващ се до черната дупка, астронавтите ще се чувстват същото като преди, защото на часовника им времето ще тече "нормално". Космическият кораб спокойно ще пресече хоризонта на събитията и ще продължи напред. Но тъй като скоростта му ще бъде близка до скоростта на светлината, космическият кораб ще достигне до центъра на черната дупка буквално за миг. Но тъй като скоростта му ще бъде близка до скоростта на светлината, космическият кораб ще достигне до центъра на черната дупка буквално за миг. Но тъй като скоростта му ще бъде близка до скоростта на светлината, космическият кораб ще достигне до центъра на черната дупка буквално за миг.
А за външен наблюдател космическият апарат просто ще спре на хоризонта на събитията и ще остане там почти завинаги! Това е парадоксът на колосалната гравитация на черните дупки. Въпросът е естествен, ще оцелеят ли астронавтите, преминавайки в безкрайност според часовника на външен наблюдател. Не. И въпросът не е в огромната гравитация, а в приливните сили, които в такова малко и масивно тяло варират значително на малки разстояния. Когато астронавтът е висок 1 м 70 см, силите на приливите в главата му ще бъдат много по-малко, отколкото в краката му и той просто ще бъде разкъсан на хоризонта на събитията. И така, най-общо казано, разбрахме какво представляват черните дупки, но засега говорихме за черни дупки със звездна маса. В момента астрономите успяха да намерят свръхмасивни черни дупки, чиято маса може да бъде милиард слънца!Свръхмасивните черни дупки не се различават по свойства от по-малките си колеги. Те са само много по-масивни и като правило се намират в центровете на галактиките - звездните острови на Вселената. В центъра на нашата Галактика (Млечен път) също има супермасивна черна дупка. Колосалната маса на такива черни дупки ще направи възможно търсенето им не само в нашата Галактика, но и в центровете на далечни галактики, разположени на разстояние милиони и милиарди светлинни години от Земята и Слънцето. Европейски и американски учени проведоха глобално търсене на свръхмасивни черни дупки, които според съвременните теоретични изчисления трябва да бъдат разположени в центъра на всяка галактика. Колосалната маса на такива черни дупки ще направи възможно търсенето им не само в нашата Галактика, но и в центровете на далечни галактики, разположени на разстояние милиони и милиарди светлинни години от Земята и Слънцето. Европейски и американски учени проведоха глобално търсене на свръхмасивни черни дупки, които според съвременните теоретични изчисления трябва да бъдат разположени в центъра на всяка галактика. Колосалната маса на такива черни дупки ще направи възможно търсенето им не само в нашата Галактика, но и в центровете на далечни галактики, разположени на разстояние милиони и милиарди светлинни години от Земята и Слънцето. Европейски и американски учени проведоха глобално търсене на свръхмасивни черни дупки, които според съвременните теоретични изчисления трябва да бъдат разположени в центъра на всяка галактика.
Съвременните технологии позволяват да се открие наличието на тези колапари в съседни галактики, но много малко от тях са открити. Това означава, че или черните дупки просто се крият в гъсти облаци от газ и прах в централната част на галактиките, или са разположени в по-отдалечени кътчета на Вселената. И така, черните дупки могат да бъдат открити от рентгеновото лъчение, излъчвано по време на натрупването на материя върху тях, и за да се преброят такива източници, спътници с рентгенови телескопи на борда бяха изстреляни в близост до земното комично пространство. Докато търсели източници на рентгенови лъчи, космическите обсерватории Чандра и Роси открили, че небето е изпълнено с фонови рентгенови лъчи и е милиони пъти по-ярко от видимата светлина. Голяма част от това фоново рентгеново излъчване от небето трябва да идва от черни дупки. Обикновено в астрономията говорят за три вида черни дупки. Първата е черни дупки на звездни маси (около 10 слънчеви маси). Те се формират от масивни звезди, когато им свърши термоядрено гориво. Втората е свръхмасивни черни дупки в центровете на галактиките (маси от милион до милиарди слънце). И накрая, има първични черни дупки, образувани в началото на живота на Вселената, чиито маси са малки (от порядъка на масата на голям астероид). Така голям набор от възможни маси от черни дупки остава незапълнен. Но къде са тези дупки? Запълвайки пространството с рентгенови лъчи, те все пак не искат да покажат истинското си „лице“. Но за да изградите ясна теория за връзката между фоновото рентгеново лъчение и черните дупки, трябва да знаете техния брой. В момента космическите телескопи успяха да открият само малък брой свръхмасивни черни дупки, съществуването на които може да се счита за доказано. Индиректните знаци ни позволяват да доведем броя на наблюдаваните черни дупки, отговорни за радиацията на фона, до 15%. Трябва да приемем, че останалата част от свръхмасивните черни дупки просто се крият зад дебел слой прашни облаци, които предават само високоенергийни рентгенови лъчи или са твърде далеч, за да бъдат открити чрез съвременни наблюдателни средства.че останалата част от свръхмасивните черни дупки просто се крият зад дебел слой прашни облаци, които само позволяват високоенергийни рентгенови лъчи да преминават през или са твърде далеч, за да бъдат открити от съвременните наблюдателни устройства.че останалата част от свръхмасивните черни дупки просто се крият зад дебел слой прашни облаци, които позволяват само на високоенергийни рентгенови лъчи да преминат през или са твърде далеч, за да бъдат открити от съвременните наблюдателни устройства.
Свръхмасивна черна дупка (квартал) в центъра на галактика M87 (рентгеново изображение). Види се изхвърляне (струя) от хоризонта на събитията. Изображение от сайта www.college.ru/astronomy
Намирането на скрити черни дупки е едно от основните предизвикателства на съвременната рентгенова астрономия. Последните пробиви в тази област, свързани с изследванията с телескопите Чандра и Роси, все пак обхващат само нискоенергийния диапазон на рентгеновите лъчи - приблизително 2000–20 000 електрон-волта (за сравнение, енергията на оптичното излъчване е около 2 електрон-волта). волта). Съществени изменения в тези изследвания могат да бъдат направени от европейския космически телескоп "Интеграл", който е в състояние да проникне в все още недостатъчно изучения регион на рентгеново лъчение с енергии от 20 000-300 000 електрон-волта. Значението на изучаването на този тип рентгенови лъчи е, че въпреки че рентгеновият фон на небето е с ниска енергия, на този фон се появяват множество пикове (точки) на радиация с енергия от около 30 000 електрон-волта. Учените тъкмо отварят завесата на мистерията за това, което поражда тези върхове, а Интегралът е първият достатъчно чувствителен телескоп, способен да открие такива източници на рентгенови лъчи. Според астрономите високо енергийните лъчи генерират така наречените предмети с дебелина на Комптон, тоест свръхмасивни черни дупки, обвити в прашна обвивка. Именно обектите на Комптън са отговорни за 30 000 електронноволтови рентгенови пика във фоновото лъчево поле. Именно обектите на Комптън са отговорни за 30 000 електронноволтови рентгенови пика във фоновото лъчево поле. Именно обектите на Комптън са отговорни за 30 000 електронноволтови рентгенови пика във фоновото лъчево поле.
Но, продължавайки изследванията, учените стигнаха до извода, че обектите на Комптон съставляват само 10% от броя на черните дупки, които би трябвало да създават пикове с висока енергия. Това е сериозна пречка за по-нататъшното развитие на теорията. Значи липсващите рентгенови лъчи не идват от гъстата на Комптон, а от обикновените свръхмасивни черни дупки? Тогава какво ще кажете за прашните завеси за ниско енергийни рентгенови лъчи? Отговорът изглежда се крие във факта, че много черни дупки (обекти на Комптон) са имали достатъчно време, за да поемат целия газ и прах, които ги обгръщат, но преди това са имали възможност да се отстояват с високоенергийни рентгенови лъчи. След като погълнаха цялата материя, такива черни дупки вече не бяха в състояние да генерират рентгенови лъчи на хоризонта на събитията. Става ясно защо тези черни дупки не могат да бъдат открити,и става възможно да се припишат липсващите източници на фоново излъчване към тяхната сметка, тъй като макар черна дупка вече да не излъчва, създадената от нея радиация продължава своето пътуване през Вселената. Напълно възможно е обаче липсващите черни дупки да са по-скрити, отколкото астрономите допускат, тоест фактът, че ние не ги виждаме, не означава, че не са. Просто нямаме достатъчно наблюдателна сила, за да ги видим. Междувременно учените от НАСА планират да разширят търсенето на скрити черни дупки още повече във Вселената. Именно там се намира подводната част на айсберга, казват те. В продължение на няколко месеца ще се извършват изследвания като част от мисията Swift. Проникването в дълбоката вселена ще разкрие скриване на черни дупки,намерете липсващата връзка за фоново излъчване и хвърлят светлина върху тяхната активност в ранната Вселена.
Някои черни дупки се считат за по-активни от тихите си съседи. Активните черни дупки поглъщат заобикалящата материя и ако „зейнала“звезда, летяща минало, попадне в полета на гравитацията, тя със сигурност ще бъде „изядена“по най-варварски начин (разкъсана на парченца). Погълнатото вещество, попадайки върху черната дупка, се загрява до огромни температури и изпитва миг в гама, рентгенови и ултравиолетови диапазони. В центъра на Млечния път има и супермасивна черна дупка, но тя е по-трудна за проучване от дупки в близки или дори далечни галактики. Това се дължи на плътна стена от газ и прах, която стои на пътя на центъра на нашата Галактика, защото Слънчевата система се намира почти в края на галактическия диск. Следователно наблюденията върху активността на черните дупки са много по-ефективни в онези галактики, чието ядро е ясно видимо. При наблюдение на една от далечните галактики, разположена в съзвездието Бути на разстояние 4 милиарда светлинни години, астрономите за първи път успяха да проследят от началото и почти до края процеса на поглъщане на звезда от свръхмасивна черна дупка. В продължение на хиляди години този гигантски колапсар почиваше тихо в центъра на неназована елиптична галактика, докато една от звездите не се осмели да се доближи достатъчно до нея.
Мощната гравитация на черната дупка разкъса звездата. Струпвания от материя започнаха да падат върху черната дупка и като достигнат хоризонта на събитията, пламват ярко в ултравиолетовия обхват. Тези пламъци бяха записани от новия космически телескоп НАСА Galaxy Evolution Explorer, който изучава небето в ултравиолетова светлина. Телескопът продължава да наблюдава поведението на отличения обект и до днес. яденето на черната дупка все още не е приключило и останките на звездата продължават да падат в бездната на времето и пространството. Наблюденията на такива процеси в крайна сметка ще помогнат за по-доброто разбиране как се развиват черните дупки с техните родителски галактики (или, обратно, галактиките се развиват с родителската черна дупка). По-ранните наблюдения показват, че подобни ексцесии не са рядкост във Вселената. Учените са изчислиличе средно една звезда се поглъща от свръхмасивна черна дупка на типична галактика веднъж на всеки 10 000 години, но тъй като има голям брой галактики, абсорбцията на звездата може да се наблюдава много по-често.
