За съвременните учени черната дупка е едно от най-мистериозните явления в нашата вселена. Изучаването на такива обекти е трудно, не е възможно да ги изпробвате "по опит". Масата, плътността на веществото на черна дупка, процесите на образуване на този обект, размерите - всичко това предизвиква интерес сред специалистите, а понякога и недоумение. Нека разгледаме темата по-подробно. Първо, нека анализираме какво представлява такъв обект.
Обща информация
Удивителна характеристика на космически обект е комбинацията от малък радиус, висока плътност на материята на черната дупка и невероятно голяма маса. Всички известни в момента физически свойства на такъв обект изглеждат странни за учените, често необясними. Дори и най-опитните астрофизици все още са изумени от особеностите на подобни явления. Основната характеристика, която позволява на учените да идентифицират черна дупка, е хоризонтът на събитията, тоест границата, поради коятонищо не се връща, включително светлината. Ако дадена зона е постоянно разделена, границата на разделяне се обозначава като хоризонт на събитията. При временно разделяне се фиксира наличието на видим хоризонт. Понякога времето е много свободно понятие, тоест регионът може да бъде отделен за период, надвишаващ текущата възраст на Вселената. Ако има видим хоризонт, който съществува от дълго време, е трудно да го различим от хоризонта на събитията.
В много отношения свойствата на черната дупка, плътността на веществото, което я образува, се дължат на други физически качества, които действат в нашите световни закони. Хоризонтът на събитията на сферично симетрична черна дупка е сфера, чийто диаметър се определя от нейната маса. Колкото повече маса е изтеглена навътре, толкова по-голяма е дупката. И въпреки това той остава изненадващо малък на фона на звездите, тъй като гравитационното налягане притиска всичко вътре. Ако си представим дупка, чиято маса съответства на нашата планета, тогава радиусът на такъв обект няма да надвишава няколко милиметра, тоест ще бъде десет милиарда по-малко от земята. Радиусът е кръстен на Шварцшилд, ученият, който първи изведе черните дупки като решение на общата теория на относителността на Айнщайн.
А вътре?
Попадайки в такъв обект, човек едва ли ще забележи огромна плътност върху себе си. Свойствата на черна дупка не са добре разбрани, за да се знае какво ще се случи, но учените смятат, че нищо особено не може да се разкрие при пресичане на хоризонта. Това се обяснява с еквивалента на Айнщайнпринцип, който обяснява защо полето, което образува кривината на хоризонта, и ускорението, присъщо на равнината, не се различават за наблюдателя. Когато проследявате процеса на пресичане от разстояние, можете да видите, че обектът започва да се забавя близо до хоризонта, сякаш времето минава бавно на това място. След известно време обектът ще пресече хоризонта, ще попадне в радиуса на Шварцшилд.
Плътността на материята в черна дупка, масата на обекта, неговите размери и приливни сили и гравитационното поле са тясно свързани. Колкото по-голям е радиусът, толкова по-ниска е плътността. Радиусът се увеличава с теглото. Приливните сили са обратно пропорционални на квадратното тегло, тоест с увеличаване на размерите и намаляване на плътността приливните сили на обекта намаляват. Ще бъде възможно да се преодолее хоризонтът, преди да се забележи този факт, ако масата на обекта е много голяма. В първите дни на общата теория на относителността се смяташе, че има сингулярност на хоризонта, но се оказа, че не е така.
За плътността
Както показват проучванията, плътността на черна дупка, в зависимост от масата, може да бъде повече или по-малка. За различните обекти този индикатор варира, но винаги намалява с увеличаване на радиуса. Могат да се появят свръхмасивни дупки, които се образуват по екстензивен начин поради натрупването на материал. Средно плътността на такива обекти, чиято маса съответства на общата маса на няколко милиарда светила в нашата система, е по-малка от плътността на водата. Понякога тя е сравнима с нивото на плътност на газа. Приливната сила на този обект се активира още след като наблюдателят пресече хоризонтасъбития. Хипотетичният изследовател няма да пострада, когато се приближи до хоризонта, и ще падне на много хиляди километри, ако намери защита от дисковата плазма. Ако наблюдателят не погледне назад, той няма да забележи, че хоризонтът е пресечен, а ако обърне глава, вероятно ще види светлинни лъчи, замръзнали на хоризонта. Времето за наблюдателя ще тече много бавно, той ще може да проследява събитията в близост до дупката до момента на смъртта - или тя, или Вселената.
За да определите плътността на свръхмасивна черна дупка, трябва да знаете нейната маса. Намерете стойността на това количество и обема на Шварцшилд, присъщ на космическия обект. Средно такъв показател, според астрофизиците, е изключително малък. В впечатляващ процент от случаите е по-малко от нивото на плътността на въздуха. Явлението се обяснява по следния начин. Радиусът на Шварцшилд е пряко свързан с теглото, докато плътността е обратно пропорционална на обема, а оттам и радиуса на Шварцшилд. Обемът е пряко свързан с кубичния радиус. Масата нараства линейно. Съответно обемът нараства по-бързо от теглото и средната плътност става по-малка, колкото по-голям е радиусът на обекта, който се изследва.
Любопитно да знам
Приливната сила, присъща на дупка, е градиент на силата на гравитацията, която е доста голяма на хоризонта, така че дори фотоните не могат да избягат оттук. В същото време нарастването на параметъра става доста плавно, което дава възможност на наблюдателя да преодолее хоризонта без риск за себе си.
Изследвания на плътността на черна дупкацентърът на обекта все още е относително ограничен. Астрофизиците са установили, че колкото по-близо е централната сингулярност, толкова по-високо е нивото на плътност. Механизмът за изчисление, споменат по-рано, ви позволява да получите много средна представа за това, което се случва.
Учените имат изключително ограничени представи за това какво се случва в дупката, нейната структура. Според астрофизиците разпределението на плътността в дупка не е много важно за външен наблюдател, поне на сегашното ниво. Много по-информативна спецификация на гравитацията, теглото. Колкото по-голяма е масата, толкова по-силен е центърът, хоризонтът, са отделени един от друг. Има и такива предположения: точно зад хоризонта материята по принцип отсъства, тя може да бъде открита само в дълбините на обекта.
Известни ли са някакви числа?
Учените са мислили за плътността на черна дупка от дълго време. Бяха извършени определени проучвания, правени са опити за изчисляване. Ето един от тях.
Слънчевата маса е 210^30 кг. На мястото на обект, който е няколко пъти по-голям от Слънцето, може да се образува дупка. Плътността на най-лекия отвор се оценява средно на 10^18 kg/m3. Това е с порядък по-високо от плътността на ядрото на атома. Приблизително същата разлика от средното ниво на плътност, характерно за неутронна звезда.
Възможно е съществуването на свръхлеки дупки, чиито размери съответстват на субядрени частици. За такива обекти индексът на плътност ще бъде твърде голям.
Ако нашата планета се превърне в дупка, нейната плътност ще бъде приблизително 210^30 kg/m3. Учените обаче не са успелиразкриват процесите, в резултат на които нашата космическа къща може да се превърне в черна дупка.
По-подробно за числата
Плътността на черната дупка в центъра на Млечния път се оценява на 1,1 милиона kg/m3. Масата на този обект отговаря на 4 милиона слънчеви маси. Радиусът на дупката се оценява на 12 милиона км. Посочената плътност на черната дупка в центъра на Млечния път дава представа за физическите параметри на свръхмасивните дупки.
Ако теглото на някакъв обект е 10^38 кг, тоест се оценява на приблизително 100 милиона слънца, тогава плътността на астрономически обект ще съответства на нивото на плътност на гранита, намиращ се на нашата планета.
Измежду всички дупки, известни на съвременните астрофизици, една от най-тежките дупки е открита в квазара OJ 287. Теглото му съответства на 18 милиарда светила от нашата система. Каква е плътността на черна дупка, учените изчислиха без особени затруднения. Стойността се оказа изчезващо малка. Това е само 60 g/m3. За сравнение: атмосферният въздух на нашата планета има плътност от 1,29 mg/m3.
Откъде идват дупките?
Учените не само проведоха изследвания, за да определят плътността на черна дупка в сравнение със звездата от нашата система или други космически тела, но също така се опитаха да установят откъде идват дупките, какви са механизмите за образуването на такива мистериозни обекти. Сега има идея за четири начина за появата на дупки. Най-разбираемият вариант е колапсът на звезда. Когато стане голям, синтезът в ядрото е завършен,налягането изчезва, материята пада в центъра на тежестта, така че се появява дупка. Когато се приближите до центъра, плътността се увеличава. Рано или късно индикаторът става толкова значим, че външните обекти не са в състояние да преодолеят ефектите на гравитацията. От този момент нататък се появява нова дупка. Този тип е по-често срещан от другите и се нарича дупки за слънчева маса.
Друг доста често срещан тип дупка е свръхмасивна. Те се наблюдават по-често в галактически центрове. Масата на обекта в сравнение с дупката на слънчевата маса, описана по-горе, е милиарди пъти по-голяма. Учените все още не са установили процесите на проявление на такива обекти. Предполага се, че първо се образува дупка по описания по-горе механизъм, след което се абсорбират съседни звезди, което води до растеж. Това е възможно, ако зоната на галактиката е гъсто населена. Абсорбцията на материята става по-бързо, отколкото горната схема може да обясни и учените все още не могат да отгатнат как протича абсорбцията.
Предположения и идеи
Много трудна тема за астрофизиците са първичните дупки. Такива вероятно се появяват от всяка маса. Те могат да се образуват при големи колебания. Вероятно появата на такива дупки се е случила в ранната Вселена. Досега проучванията, посветени на качествата, характеристиките (включително плътността) на черните дупки, процесите на тяхното появяване не ни позволяват да определим модел, който точно възпроизвежда процеса на появата на първична дупка. Понастоящем известните модели са предимно такива, че ако бъдат приложени в действителност,ще има твърде много дупки.
Да приемем, че Големият адронен колайдер може да се превърне в източник на образуване на дупка, чиято маса съответства на бозона на Хигс. Съответно, плътността на черната дупка ще бъде много голяма. Ако такава теория се потвърди, тя може да се счита за косвено доказателство за наличието на допълнителни измерения. В момента това спекулативно заключение все още не е потвърдено.
Излъчване от дупка
Емисията на дупка се обяснява с квантовите ефекти на материята. Пространството е динамично, така че частиците тук са напълно различни от това, с което сме свикнали. В близост до дупката не само времето е изкривено; разбирането на една частица зависи до голяма степен от това кой я наблюдава. Ако някой падне в дупка, му се струва, че се потапя във вакуум, а за далечен наблюдател изглежда като зона, пълна с частици. Ефектът се обяснява с разтягането на времето и пространството. Радиацията от дупката е идентифицирана за първи път от Хокинг, чието име е дадено на явлението. Радиацията има температура, която е обратно пропорционална на масата. Колкото по-ниско е теглото на астрономически обект, толкова по-висока е температурата (както и плътността на черна дупка). Ако дупката е свръхмасивна или има маса, сравнима със звезда, присъщата температура на нейното излъчване ще бъде по-ниска от микровълновия фон. Поради това не е възможно да я наблюдавате.
Това излъчване обяснява загубата на данни. Това е името на термичен феномен, който има едно отчетливо качество - температура. Няма информация за процесите на образуване на дупки чрез изследването, но обект, който излъчва такова излъчване, едновременно губи маса (и следователно растеплътността на черната дупка) се намалява. Процесът не се определя от веществото, от което се образува дупката, не зависи от това какво е било засмукано в нея по-късно. Учените не могат да кажат какво е станало основата на дупката. Освен това проучванията показват, че радиацията е необратим процес, тоест такъв, който просто не може да съществува в квантовата механика. Това означава, че радиацията не може да бъде съгласувана с квантовата теория и несъответствието изисква по-нататъшна работа в тази посока. Докато учените вярват, че радиацията на Хокинг трябва да съдържа информация, ние просто все още нямаме средствата, възможностите да я открием.
Любопитно: за неутронните звезди
Ако има свръхгигант, това не означава, че такова астрономическо тяло е вечно. С течение на времето се променя, изхвърля външните слоеве. От останките могат да се появят бели джуджета. Вторият вариант са неутронните звезди. Специфичните процеси се определят от ядрената маса на първичното тяло. Ако се оценява в рамките на 1,4-3 слънчеви, тогава унищожаването на свръхгиганта е придружено от много високо налягане, поради което електроните сякаш се притискат в протоните. Това води до образуването на неутрони, излъчването на неутрино. Във физиката това се нарича неутронно изроден газ. Натискът му е такъв, че звездата не може да се свива повече.
Въпреки това, както показват проучванията, вероятно не всички неутронни звезди са се появили по този начин. Някои от тях са остатъци от големи, избухнали като втора свръхнова.
Радиус на тялото на Томпо-малко от повече маса. За повечето варира между 10-100 км. Проведени са изследвания за определяне на плътността на черните дупки, неутронните звезди. При втория, както показаха тестовете, параметърът е относително близък до атомния. Конкретни цифри, определени от астрофизиците: 10^10 g/cm3.
Любопитно да знам: теория и практика
Неутронните звезди са били предсказани на теория през 60-те и 70-те години на миналия век. Пулсарите са първите, които са открити. Това са малки звезди, чиято скорост на въртене е много висока, а магнитното поле е наистина грандиозно. Предполага се, че пулсарът наследява тези параметри от оригиналната звезда. Периодът на въртене варира от милисекунди до няколко секунди. Първите известни пулсари излъчват периодично радио излъчване. Днес са известни пулсари с радиация от рентгенов спектър, гама лъчение.
Описаният процес на образуване на неутронна звезда може да продължи - нищо не може да го спре. Ако ядрената маса е повече от три слънчеви маси, тогава точковото тяло е много компактно, то се нарича дупки. Няма да е възможно да се определят свойствата на черна дупка с маса, по-голяма от критичната. Ако част от масата се загуби поради радиацията на Хокинг, радиусът едновременно ще намалее, така че стойността на теглото отново ще бъде по-малка от критичната стойност за този обект.
Може ли една дупка да умре?
Учените излагат предположения за съществуването на процеси, дължащи се на участието на частици и античастици. Флуктуацията на елементите може да доведе до характеризиране на празното пространствонулево енергийно ниво, което (ето парадокс!) няма да е равно на нула. В същото време хоризонтът на събитията, присъщ на тялото, ще получи нискоенергиен спектър, присъщ на абсолютното черно тяло. Такова излъчване ще причини загуба на маса. Хоризонтът леко ще се свие. Да предположим, че има две двойки частица и нейният антагонист. Има анихилация на частица от една двойка и нейния антагонист от друга. В резултат на това има фотони, които излитат от дупката. Втората двойка предложени частици попада в дупката, като едновременно поглъща известно количество маса, енергия. Постепенно това води до смъртта на черната дупка.
Като заключение
Според някои черната дупка е вид космическа прахосмукачка. Дупка може да погълне звезда, може дори да „изяде“галактика. В много отношения обяснението на качествата на една дупка, както и особеностите на нейното образуване, могат да бъдат намерени в теорията на относителността. От него се знае, че времето е непрекъснато, както и пространството. Това обяснява защо процесите на компресия не могат да бъдат спрени, те са неограничени и неограничени.
Това са тези мистериозни черни дупки, над които астрофизиците бъркат мозъците си повече от десетилетие.
