Черните дупки са може би най-загадъчните обекти във Вселената. Освен ако, разбира се, нещата са скрити някъде в дълбините, чието съществуване ние не знаем и не можем да знаем, което е малко вероятно. Черните дупки са колосална маса и плътност, компресирани в една точка с малък радиус. Физическите свойства на тези обекти са толкова странни, че озадачават най-сложните физици и астрофизици. Сабин Хосфендер, теоретичен физик, събра селекция от десет факта за черните дупки, които всеки трябва да знае.
Какво е черна дупка?
Определящото свойство на черната дупка е нейният хоризонт. Това е граница, отвъд която нищо, дори светлината, не може да се върне. Ако обособена зона се отдели завинаги, ние говорим за „хоризонт на събитията“. Ако е само временно разделен, говорим за „видимия хоризонт“. Но това "временно" може също да означава, че регионът ще бъде отделен за много по-дълго от сегашната епоха на Вселената. Ако хоризонтът на черната дупка е временен, но дълготраен, разликата между първата и втората е размазана.
Колко големи са черните дупки?
Можете да си представите хоризонта на черна дупка като сфера и нейният диаметър ще бъде право пропорционален на масата на черната дупка. Следователно, колкото повече маса попада в черната дупка, толкова по-голяма става черната дупка. В сравнение със звездните обекти обаче черните дупки са малки, тъй като масата се компресира в много малки обеми под въздействието на огромното гравитационно налягане. Радиусът на черна дупка с маса на планетата Земя например е само няколко милиметра. Това е 10 000 000 000 пъти по-малко от настоящия радиус на Земята.
Промоционално видео:
Радиусът на черна дупка се нарича радиус на Шварцшилд по името на Карл Шварцшилд, който първо извежда черните дупки като решение на общата теория на относителността на Айнщайн.
Какво се случва на хоризонта?
Когато преминете хоризонта, около вас не се случва нищо особено. Всичко поради принципа на еквивалентност на Айнщайн, от който следва, че не можете да намерите разликата между ускорението в плоско пространство и гравитационното поле, което създава кривината на пространството. Наблюдател далеч от черната дупка, който наблюдава как някой друг пада в нея, ще забележи, че човекът ще се движи все по-бавно, приближавайки се към хоризонта. Сякаш времето се движи по-бавно близо до хоризонта на събитията, отколкото се отдалечава от хоризонта. Обаче ще мине известно време и наблюдателят, попадащ в дупката, ще премине хоризонта на събитията и ще се озове в радиуса на Шварцшилд.
Това, което изпитвате на хоризонта, зависи от приливните сили на гравитационното поле. Приливните сили на хоризонта са обратно пропорционални на квадрата на масата на черната дупка. Това означава, че колкото по-голяма и по-масивна е черната дупка, толкова по-малко сила. И ако само черната дупка е достатъчно масивна, можете да преминете хоризонта, преди дори да забележите, че нещо се случва. Ефектът от тези приливни сили ще ви разтегне: техническият термин, който физиците използват за това, е спагетиране.
В ранните дни на общата теория на относителността се смяташе, че на хоризонта има особеност, но това се оказа не така.
Какво има вътре в черна дупка?
Никой не знае със сигурност, но определено не рафта с книги. Общата теория на относителността предсказва, че в черна дупка има сингулярност, място, където приливните сили стават безкрайно големи и след като преминете хоризонта на събитията, не можете да отидете никъде другаде, освен в сингулярността. Съответно е по-добре да не се използва общата теория на относителността на тези места - тя просто не работи. За да разберем какво се случва в черната дупка, ни трябва теория за квантовата гравитация. Общоприето е, че тази теория ще замени сингулярността с нещо друго.
Как се образуват черните дупки?
В момента знаем за четири различни начина, по които се образуват черни дупки. Най-доброто разбиране е свързано със звезден колапс. Достатъчно голяма звезда образува черна дупка след спиране на ядрения си синтез, защото всичко, което вече би могло да бъде синтезирано, е синтезирано. Когато налягането, създадено от синтеза, престане, материята започва да пада към собствения си гравитационен център, става все по-плътна. В крайна сметка тя става толкова гъста, че нищо не може да преодолее гравитационния ефект върху повърхността на звездата: така се ражда черна дупка. Тези черни дупки се наричат „черни дупки със слънчева маса“и са най-често срещаните.
Следващият често срещан тип черни дупки са "свръхмасивните черни дупки", които могат да бъдат намерени в центровете на много галактики и имат маси около милиард пъти повече от слънчевите черни дупки. Все още не е известно със сигурност как точно се образуват. Смята се, че някога те са започнали като черни дупки със слънчева маса, които поглъщат много други звезди в гъсто населени галактически центрове и растат. Те обаче изглежда поглъщат материята по-бързо, отколкото предполага тази проста идея, а как точно го правят, все още е въпрос на изследване.
По-противоречива идея бяха първобитните черни дупки, които биха могли да се образуват от почти всяка маса при големи колебания на плътността в ранната Вселена. Въпреки че е възможно, е трудно да се намери модел, който да ги произвежда, без да ги създавате прекалено.
И накрая, има твърде спекулативната идея, че малки черни дупки с маси, близки до тази на Хигс бозона, могат да се образуват при Големия адронен колайдер. Това работи само ако нашата Вселена има допълнителни измерения. Досега няма потвърждение в полза на тази теория.
Как да разберем, че съществуват черни дупки?
Имаме много наблюдения за компактни обекти с големи маси, които не излъчват светлина. Тези обекти се отдават чрез гравитационно привличане, например поради движението на други звезди или газови облаци около тях. Те също така създават гравитационна леща. Знаем, че тези обекти нямат твърда повърхност. Това произтича от наблюденията, тъй като материята, падаща върху обект с повърхност, трябва да предизвика отделянето на повече частици, отколкото материята, падаща през хоризонта.
Защо Хокинг каза миналата година, че черните дупки не съществуват?
Той имаше предвид, че черните дупки нямат вечен хоризонт на събитията, а само временен видим хоризонт (виж параграф първи). В строг смисъл само хоризонтът на събитията се счита за черна дупка.
Как черните дупки излъчват радиация?
Черните дупки излъчват радиация поради квантовите ефекти. Важно е да се отбележи, че това са квантови ефекти на материята, а не квантови ефекти на гравитацията. Динамичното пространство-време на рушаща се черна дупка променя самата дефиниция на частица. Подобно на течението на времето, което се изкривява близо до черна дупка, концепцията за частиците е твърде зависима от наблюдателя. По-специално, когато наблюдател, попадащ в черна дупка, мисли, че попада във вакуум, наблюдател далеч от черната дупка смята, че това не е вакуум, а пространство, пълно с частици. Разтягането на пространството-времето причинява този ефект.
Открита за първи път от Стивън Хокинг, излъчването, излъчвано от черна дупка, се нарича излъчване на Хокинг. Това излъчване има температура, обратно пропорционална на масата на черната дупка: колкото по-малка е черната дупка, толкова по-висока е температурата. Звездните и свръхмасивните черни дупки, които познаваме, имат температури доста под температурата на микровълновия фон и следователно не се наблюдават.
Какво е информационен парадокс?
Парадоксът на загубата на информация е причинен от радиацията на Хокинг. Това излъчване е чисто термично, тоест има само температура случайно и с определени свойства. Самото лъчение не съдържа никаква информация за това как се е образувала черната дупка. Но когато черна дупка излъчва радиация, тя губи маса и се свива. Всичко това е напълно независимо от веществото, което е станало част от черната дупка или от което е образувано. Оказва се, че знаейки само крайното състояние на изпарение, не може да се каже от какво се е образувала черната дупка. Този процес е „необратим“- и уловката е, че няма такъв процес в квантовата механика.
Оказва се, че изпарението на черна дупка е несъвместимо с квантовата теория, каквато я познаваме, и трябва да се направи нещо по въпроса. Елиминирайте несъответствието по някакъв начин. Повечето физици вярват, че решението е, че радиацията на Хокинг трябва по някакъв начин да съдържа информация.
Какво предлага Хокинг за разрешаване на информационния парадокс на черната дупка?
Идеята е, че черните дупки трябва да имат начин да съхраняват информация, която все още не е приета. Информацията се съхранява на хоризонта на черна дупка и може да причини малки размествания на частици в радиацията на Хокинг. В тези малки премествания може да има информация за уловената материя. Понастоящем точните подробности за този процес са неясни. Учените очакват по-подробен технически документ от Стивън Хокинг, Малкълм Пери и Андрю Стромингер. Казват, че ще се появи в края на септември.
В момента сме сигурни, че черните дупки съществуват, знаем къде се намират, как се образуват и какви в крайна сметка ще станат. Но подробностите за това къде информацията отива до тях все още представляват една от най-големите загадки във Вселената.
Иля Хел