Zwarte gaten - bestaan ​​ze? Bestaan ​​zwarte gaten.

Onlangs heeft een wetenschapper uit de VS een sensationele uitspraak gedaan dat "zwarte gaten" in de natuur niet bestaan. De Amerikaanse natuurkundige kwam tot deze conclusie nadat hij twee tegenstrijdige theorieën over deze kwestie had gecombineerd. Deze hypothese verklaart echter vrij logisch de opkomende discrepantie tussen de kwantummechanica en de relativiteitstheorie van Einstein.

Het is vermeldenswaard: al meer dan vijftig jaar geloofden wetenschappers dat materie, onder invloed van zijn eigen zwaartekracht, samentrekt wanneer een ster instort, en uiteindelijk een singulariteit vormt die de kern van een zwart gat wordt en in staat is om elke materie te vernietigen. En belangrijkste kenmerk Een zwart gat is een waarnemingshorizon, een soort grens waar zelfs licht niet voorbij kan.

Tegenwoordig twijfelen de meeste astrofysici en sciencefictionfans niet aan het bestaan ​​van zwarte gaten, die ook herhaaldelijk in verschillende films worden genoemd. Er is zelfs indirect bewijs voor het bestaan ​​van zwarte gaten. In het bijzonder wordt aangenomen dat er zich ook een enorm zwart gat in het centrum van onze melkweg bevindt.

Ondertussen doen zich vaak moeilijkheden voor bij het verklaren van de oorsprong en het functioneren van zwarte gaten. Met name de zwaartekrachttheorie van Einstein bevestigt de vorming van een singulariteit, maar volgens de fundamentele principes van de kwantumtheorie kan geen informatie in het heelal verdwijnen. Daarom leidt het onveranderd combineren van deze twee theorieën tot de zogenaamde paradox van informatieverlies.

In 1974 probeerde wetenschapper Stephen Hawking de paradox te verklaren met behulp van kwantummechanica. Hij suggereerde dat de discrepantie goed zou kunnen worden verklaard door het bestaan ​​van hypothetische zwarte gatstraling. Deze straling, die Hawking-straling wordt genoemd, is een stroom van virtuele elementaire deeltjes. Als gevolg van kwantumeffecten verdampen ze van het oppervlak van het zwarte gat. Het blijkt dat als de singulariteit geen energie absorbeert, deze geleidelijk zal "verdampen", waardoor uiteindelijk een deel van de chaotische informatie wordt weggegooid. Dit zal tot op zekere hoogte bijdragen aan het oplossen van paradoxen.

Deze theorie genereert echter ook een groot aantal inconsistenties. Toen, twee jaar geleden, werd een nieuwe theorie afgeleid, volgens welke de zogenaamde "muur van vuur" van een zwart gat, die achter een onzichtbare gebeurtenis verschijnt en elke materie onmiddellijk vernietigt, verantwoordelijk is voor de vorming van kwantumeffecten . Deze theorie heeft grote interesse gewekt in wetenschappelijke wereld en tot op zekere hoogte bijgedragen aan de vorming van een aantal andere hypothesen. In het bijzonder, volgens de hypothese van Juan Maldacena, is ons heelal een projectie van informatie op een vlak.

Een andere theorie werd voorgesteld door natuurkundeprofessor Laura Mersini-Houghton. Ze is het ermee eens dat een ster onder invloed van de zwaartekracht Hawking-straling produceert wanneer hij instort. Volgens de berekeningen van de expert verliest de ster echter ook massa. Daarom zal het niet kunnen krimpen tot een singulariteit en een nieuw zwart gat vormen. Dat wil zeggen, in plaats van dat een stervende ster een zwart gat moet vormen, explodeert hij.
Het blijkt dat het geen paradox vormt van gebeurtenissen en andere gerelateerde inconsistenties. We kunnen dus zeggen dat zwarte gaten niet echt bestaan.

We kunnen dus zeggen dat de Mersini-Houghton-hypothese niet minder vragen oproept dan de hypothesen van andere wetenschappers. Theorieën dat ons heelal is ontstaan ​​uit een singulariteit, die plotseling begon uit te breiden tijdens de oerknal, worden ook als onjuist erkend. Volgens Mersini-Houghton kon dit niet gebeuren, omdat er geen singulariteit was.

Geen gerelateerde links gevonden

Zwarte gaten zijn een van de meest verbazingwekkende en tegelijkertijd angstaanjagende objecten in ons universum. Ze ontstaan ​​op het moment dat sterren met een enorme massa geen splijtstof meer hebben. Kernreacties stoppen en de sterren beginnen af ​​te koelen. Het lichaam van een ster krimpt onder invloed van de zwaartekracht en geleidelijk begint het kleinere objecten naar zich toe te trekken en verandert het in een zwart gat.

eerste studies

De sterren van de wetenschap begonnen nog niet zo lang geleden zwarte gaten te bestuderen, ondanks het feit dat de basisconcepten van hun bestaan ​​in de vorige eeuw werden ontwikkeld. Het concept van een 'zwart gat' werd in 1967 geïntroduceerd door J. Wheeler, hoewel de conclusie dat deze objecten onvermijdelijk ontstaan ​​tijdens de ineenstorting van massieve sterren al in de jaren '30 van de vorige eeuw werd gemaakt. Alles in het zwarte gat - asteroïden, licht, erdoor geabsorbeerde kometen - naderde ooit te dicht bij de grenzen van dit mysterieuze object en slaagde er niet in ze te verlaten.

Zwart gat grenzen

De eerste van de grenzen van een zwart gat wordt de statische limiet genoemd. Dit is de grens van het gebied waarbinnen een vreemd object niet langer in rust kan zijn en begint te roteren ten opzichte van het zwarte gat om er niet in te vallen. De tweede grens wordt de gebeurtenishorizon genoemd. Alles binnen het zwarte gat passeerde ooit zijn buitengrens en bewoog zich naar het punt van singulariteit. Volgens wetenschappers stroomt de stof hier naar dit centrale punt, waarvan de dichtheid neigt naar de waarde van oneindig. Mensen kunnen niet weten welke wetten van de fysica van kracht zijn in objecten met een dergelijke dichtheid, en daarom is het onmogelijk om de kenmerken van deze plek te beschrijven. IN letterlijk Met andere woorden, het is een "zwart gat" (of misschien een "gat") in de kennis van de mensheid van de wereld om ons heen.

De structuur van zwarte gaten

De waarnemingshorizon is de onneembare grens van een zwart gat. Binnen deze grens is er een zone die zelfs objecten waarvan de bewegingssnelheid gelijk is aan de lichtsnelheid niet kunnen verlaten. Zelfs lichtquanta zelf kunnen de waarnemingshorizon niet verlaten. Op dit punt kan geen enkel object uit het zwarte gat ontsnappen. We kunnen per definitie niet weten wat zich in een zwart gat bevindt - er is immers in de diepten een zogenaamd singulariteitspunt, dat wordt gevormd door de ultieme compressie van materie. Zodra een object de waarnemingshorizon binnenkomt, kan het vanaf dat moment er nooit meer uit breken en zichtbaar worden voor waarnemers. Aan de andere kant kunnen degenen die zich in zwarte gaten bevinden niets zien wat er buiten gebeurt.

De grootte van de waarnemingshorizon rond dit mysterieuze kosmische object is altijd recht evenredig met de massa van het gat zelf. Als de massa wordt verdubbeld, wordt de buitengrens ook twee keer zo groot. Als wetenschappers een manier zouden vinden om de aarde in een zwart gat te veranderen, zou de waarnemingshorizon slechts 2 cm breed zijn.

Hoofd categorieën

In de regel is de massa van gemiddelde zwarte gaten ongeveer gelijk aan drie zonsmassa's of meer. Van de twee soorten zwarte gaten worden stellaire en superzware gaten onderscheiden. Hun massa is honderden duizenden keren groter dan de massa van de zon. Sterren worden gevormd na de dood van grote hemellichamen. Zwarte gaten van gewone massa verschijnen na voltooiing van de levenscyclus van grote sterren. Beide soorten zwarte gaten hebben, ondanks hun verschillende oorsprong, vergelijkbare eigenschappen. Superzware zwarte gaten bevinden zich in de centra van sterrenstelsels. Wetenschappers suggereren dat ze werden gevormd tijdens de vorming van sterrenstelsels als gevolg van de samensmelting van dicht bij elkaar gelegen sterren. Dit zijn echter slechts gissingen, niet bevestigd door feiten.

Wat zit er in een zwart gat: vermoedens

Sommige wiskundigen geloven dat er in deze mysterieuze objecten van het universum zogenaamde wormgaten zijn - overgangen naar andere universums. Met andere woorden, een ruimte-tijdtunnel bevindt zich op het singulariteitspunt. Dit concept heeft veel schrijvers en regisseurs gediend. De overgrote meerderheid van astronomen gelooft echter dat er geen tunnels tussen universums zijn. Maar zelfs als ze dat echt waren, kan iemand op geen enkele manier weten wat zich in een zwart gat bevindt.

Er is een ander concept, volgens welke aan het andere uiteinde van zo'n tunnel een wit gat zit, van waaruit een gigantische hoeveelheid energie van ons heelal naar een andere wereld komt via zwarte gaten. Echter, op dit stadium ontwikkeling van wetenschap en technologie over dit soort reizen is uitgesloten.

Verbinding met de relativiteitstheorie

Zwarte gaten zijn een van de meest verbazingwekkende voorspellingen van A. Einstein. Het is bekend dat de zwaartekracht die op het oppervlak van een planeet wordt gecreëerd, omgekeerd evenredig is met het kwadraat van zijn straal en recht evenredig met zijn massa. Voor deze hemellichaam men kan het concept van de tweede kosmische snelheid definiëren, die nodig is om deze zwaartekracht te overwinnen. Voor de aarde is het gelijk aan 11 km/sec. Als de massa van het hemellichaam toeneemt en de diameter daarentegen afneemt, kan de tweede kosmische snelheid uiteindelijk de lichtsnelheid overschrijden. En aangezien volgens de relativiteitstheorie geen enkel object sneller kan bewegen dan de lichtsnelheid, wordt er een object gevormd dat niets over zijn grenzen laat ontsnappen.

In 1963 ontdekten wetenschappers quasars - ruimtevoorwerpen die gigantische bronnen van radio-emissie zijn. Ze bevinden zich erg ver van onze melkweg - hun afstand is miljarden lichtjaren van de aarde. Om de extreem hoge activiteit van quasars te verklaren, hebben wetenschappers de hypothese geïntroduceerd dat er zwarte gaten in zitten. Deze opvatting is nu algemeen aanvaard in wetenschappelijke kringen. Studies die de afgelopen 50 jaar zijn uitgevoerd, hebben deze hypothese niet alleen bevestigd, maar hebben wetenschappers ook tot de conclusie geleid dat er zwarte gaten in het centrum van elk sterrenstelsel zijn. Er is ook zo'n object in het centrum van onze melkweg, de massa is 4 miljoen zonsmassa's. Dit zwarte gat wordt Sagittarius A genoemd en omdat het het dichtst bij ons staat, is het het meest bestudeerd door astronomen.

Hawking-straling

Dit type straling, ontdekt door de beroemde natuurkundige Stephen Hawking, bemoeilijkt het leven van moderne wetenschappers enorm - vanwege deze ontdekking zijn er veel problemen ontstaan ​​in de theorie van zwarte gaten. In de klassieke natuurkunde is er het concept van vacuüm. Dit woord duidt volledige leegte en de afwezigheid van materie aan. Met de ontwikkeling van de kwantumfysica is het concept van vacuüm echter gewijzigd. Wetenschappers hebben ontdekt dat het gevuld is met zogenaamde virtuele deeltjes - onder invloed van een sterk veld kunnen ze in echte veranderen. In 1974 ontdekte Hawking dat dergelijke transformaties kunnen plaatsvinden in het sterke zwaartekrachtsveld van een zwart gat - nabij de buitengrens, de waarnemingshorizon. Zo'n geboorte is gepaard - een deeltje en een antideeltje verschijnen. In de regel is het antideeltje gedoemd in het zwarte gat te vallen en vliegt het deeltje weg. Als gevolg hiervan nemen wetenschappers enige straling waar rond deze ruimteobjecten. Het wordt Hawking-straling genoemd.

Tijdens deze straling verdampt de materie in het zwarte gat langzaam. Het gat verliest massa, terwijl de stralingsintensiteit omgekeerd evenredig is met het kwadraat van zijn massa. De intensiteit van Hawking-straling is verwaarloosbaar naar kosmische maatstaven. Als we aannemen dat er een gat is met een massa van 10 zonnen, en er vallen geen licht of materiële objecten op, dan zal zelfs in dit geval de tijd voor zijn verval monsterlijk lang zijn. De levensduur van zo'n gat zal de hele levensduur van ons heelal met 65 orden van grootte overschrijden.

De kwestie van het opslaan van informatie

Een van de belangrijkste problemen die ontstonden na de ontdekking van Hawking-straling is het probleem van informatieverlies. Het hangt samen met een vraag die op het eerste gezicht heel eenvoudig lijkt: wat gebeurt er als het zwarte gat volledig verdampt? Beide theorieën - zowel kwantumfysica als klassiek - gaan over de beschrijving van de toestand van het systeem. Met informatie over de begintoestand van het systeem, is het met behulp van de theorie mogelijk om te beschrijven hoe het zal veranderen.

Tegelijkertijd gaat tijdens het evolutieproces informatie over de oorspronkelijke staat niet verloren - een soort wet op het behoud van informatie werkt. Maar als het zwarte gat volledig verdampt, dan verliest de waarnemer informatie over dat deel van de fysieke wereld dat ooit in het gat viel. Stephen Hawking geloofde dat informatie over de begintoestand van het systeem op de een of andere manier wordt hersteld nadat het zwarte gat volledig is verdampt. Maar de moeilijkheid ligt in het feit dat, per definitie, de overdracht van informatie van een zwart gat onmogelijk is - niets kan de waarnemingshorizon verlaten.

Wat gebeurt er als je in een zwart gat valt?

Er wordt aangenomen dat als iemand op een ongelooflijke manier naar het oppervlak van een zwart gat zou kunnen komen, het hem onmiddellijk in de richting van zichzelf zou gaan slepen. Uiteindelijk zou de persoon zich zo ver uitstrekken dat ze een stroom subatomaire deeltjes zouden worden die naar het punt van singulariteit zouden bewegen. Het is natuurlijk onmogelijk om deze hypothese te bewijzen, omdat het onwaarschijnlijk is dat wetenschappers ooit zullen weten wat er in zwarte gaten gebeurt. Sommige natuurkundigen zeggen dat als een persoon in een zwart gat zou vallen, hij een kloon zou hebben. De eerste van zijn versies zou onmiddellijk worden vernietigd door een stroom hete deeltjes van Hawking-straling, en de tweede zou door de waarnemingshorizon gaan zonder de mogelijkheid om terug te keren.

Zwarte gaten - misschien wel de meest mysterieuze en enigmatische astronomische objecten in ons heelal, hebben sinds hun ontdekking de aandacht getrokken van experts en prikkelen de verbeelding van sciencefictionschrijvers. Wat zijn zwarte gaten en hoe zien ze eruit? Zwarte gaten zijn uitgedoofde sterren, vanwege hun fysieke kenmerken, die dergelijke hoge dichtheid en zwaartekracht zo krachtig dat zelfs licht niet kan ontsnappen.

De geschiedenis van de ontdekking van zwarte gaten

Voor het eerst werd het theoretische bestaan ​​van zwarte gaten, lang voordat ze daadwerkelijk werden ontdekt, in 1783 gesuggereerd door iemand D. Michel (een Engelse priester uit Yorkshire, die op zijn gemak van astronomie houdt). Volgens zijn berekeningen, als we de onze nemen en het comprimeren (in moderne computertaal, archiveren) tot een straal van 3 km, wordt zo'n grote (gewoon enorme) zwaartekracht gevormd dat zelfs licht het niet kan verlaten. Zo verscheen het concept van een “zwart gat” hoewel het in feite helemaal niet zwart is, naar onze mening zou de term “donker gat” passender zijn, omdat het juist de afwezigheid van licht is die plaatsvindt.

Later, in 1918, schreef de grote wetenschapper Albert Einstein over de kwestie van zwarte gaten in de context van de relativiteitstheorie. Maar pas in 1967, dankzij de inspanningen van de Amerikaanse astrofysicus John Wheeler, kreeg het concept van zwarte gaten eindelijk een plaats in academische kringen.

Hoe het ook zij, zowel D. Michel als Albert Einstein en John Wheeler gingen in hun werken alleen uit van het theoretische bestaan ​​van deze mysterieuze hemellichamen in de ruimte, maar de echte ontdekking van zwarte gaten vond plaats in 1971, het was toen dat ze voor het eerst werden opgemerkt in de ruimtetelescoop.

Zo ziet een zwart gat eruit.

Hoe ontstaan ​​zwarte gaten in de ruimte?

Zoals we uit de astrofysica weten, hebben alle sterren (inclusief onze zon) een beperkte hoeveelheid brandstof. En hoewel het leven van een ster miljarden lichtjaren kan duren, komt vroeg of laat een einde aan deze voorwaardelijke brandstoftoevoer en gaat de ster "uit". Het proces van "uitsterven" van een ster gaat gepaard met intense reacties, waarbij de ster een significante transformatie ondergaat en, afhankelijk van zijn grootte, kan veranderen in witte dwerg, een neutronenster of een zwart gat. Bovendien veranderen de grootste sterren, die ongelooflijk indrukwekkende afmetingen hebben, meestal in een zwart gat - door de compressie van deze meest ongelooflijke afmetingen treedt een meervoudige toename van de massa en zwaartekracht van het nieuw gevormde zwarte gat op, dat verandert in een soort galactische stofzuiger - absorbeert alles en nog wat eromheen.

Een zwart gat slokt een ster op.

Een kleine opmerking - onze zon is dat volgens galactische normen helemaal niet grote ster en na uitsterven, dat over een paar miljard jaar zal plaatsvinden, zal het hoogstwaarschijnlijk niet in een zwart gat veranderen.

Maar laten we eerlijk zijn - vandaag de dag kennen wetenschappers nog steeds niet alle fijne kneepjes van de vorming van een zwart gat, ongetwijfeld is dit een uiterst complex astrofysisch proces, dat op zichzelf miljoenen lichtjaren kan duren. Hoewel het mogelijk is om in deze richting te bewegen, is de detectie en daaropvolgende studie van de zogenaamde intermediaire zwarte gaten, dat wil zeggen sterren die in een staat van uitsterven zijn, waarin de actief proces vorming van een zwart gat. Overigens werd in 2014 een soortgelijke ster door astronomen ontdekt in de arm van een spiraalstelsel.

Hoeveel zwarte gaten zijn er in het heelal?

Volgens de theorieën van moderne wetenschappers kunnen er tot honderden miljoenen zwarte gaten in ons Melkwegstelsel zijn. Er zijn er misschien niet minder in de melkweg naast ons, waar niets van onze Melkweg naartoe kan vliegen - 2,5 miljoen lichtjaar.

Theorie van zwarte gaten

Ondanks de enorme massa (die honderdduizenden keren groter is dan de massa van onze zon) en de ongelooflijke kracht van de zwaartekracht, was het niet eenvoudig om zwarte gaten door een telescoop te zien, omdat ze helemaal geen licht uitstralen. Wetenschappers zijn erin geslaagd een zwart gat alleen op te merken op het moment van zijn "maaltijd" - de absorptie van een andere ster, op dit moment verschijnt een karakteristieke straling, die al kan worden waargenomen. De theorie van het zwarte gat heeft dus daadwerkelijke bevestiging gevonden.

Eigenschappen van zwarte gaten

De belangrijkste eigenschap van een zwart gat zijn de ongelooflijke zwaartekrachtsvelden, waardoor de omringende ruimte en tijd niet in hun gebruikelijke staat kunnen blijven. Ja, je hebt het goed gehoord, de tijd in een zwart gat gaat vele malen langzamer dan normaal, en als je daar was, dan zou je terugkomen (als je zoveel geluk had natuurlijk) dat je verbaasd zou zijn te merken dat er eeuwen zijn verstreken op aarde, en je zult niet eens oud worden als je tijd hebt. Maar laten we eerlijk zijn, als je in een zwart gat was geweest, zou je het nauwelijks hebben overleefd, aangezien de zwaartekracht daar zo groot is dat elk materieel object eenvoudig uit elkaar zou worden gescheurd, zelfs niet in delen, in atomen.

Maar als je zelfs maar in de buurt van een zwart gat zou zijn, binnen de grenzen van zijn zwaartekrachtsveld, dan zou je het ook moeilijk hebben, want hoe meer je weerstand bood aan de zwaartekracht ervan en probeerde weg te vliegen, hoe sneller je erin zou vallen. De reden voor deze schijnbaar paradox is het zwaartekrachtveld, dat alle zwarte gaten bezitten.

Wat als een persoon in een zwart gat valt?

Verdamping van zwarte gaten

Engelse astronoom S. Hawking ontdekt interessant feit: ook zwarte gaten blijken verdamping af te geven. Toegegeven, dit is alleen van toepassing op gaten met een relatief kleine massa. De krachtige zwaartekracht om hen heen creëert paren deeltjes en antideeltjes, een van het paar wordt door het gat naar binnen getrokken en de tweede wordt naar buiten uitgeworpen. Zo straalt een zwart gat harde antideeltjes en gammastraling uit. Deze verdamping of straling van een zwart gat is vernoemd naar de wetenschapper die het heeft ontdekt - "Hawking-straling".

Het grootste zwarte gat

Volgens de theorie van zwarte gaten bevinden zich in het centrum van bijna alle sterrenstelsels enorme zwarte gaten met massa's van enkele miljoenen tot enkele miljarden zonnemassa's. En relatief recent hebben wetenschappers de twee grootste zwarte gaten ontdekt die tot nu toe bekend zijn, ze bevinden zich in twee nabijgelegen sterrenstelsels: NGC 3842 en NGC 4849.

NGC 3842 is het helderste sterrenstelsel in het sterrenbeeld Leeuw, op een afstand van 320 miljoen lichtjaar van ons. In het centrum ervan bevindt zich een enorm zwart gat met een massa van 9,7 miljard zonsmassa's.

NGC 4849 is een melkwegstelsel in de Coma-cluster, op 335 miljoen lichtjaar afstand, met een al even indrukwekkend zwart gat.

De actiezones van het zwaartekrachtveld van deze gigantische zwarte gaten, of in academische termen, hun waarnemingshorizon, is ongeveer 5 keer de afstand van de zon tot! Zo'n zwart gat zou ons opeten zonnestelsel en zou niet eens terugdeinzen.

Het kleinste zwarte gat

Maar er zijn zeer kleine vertegenwoordigers in de enorme familie van zwarte gaten. Dus het meest dwergzwarte gat dat momenteel door wetenschappers is ontdekt in zijn massa is slechts 3 keer de massa van onze zon. In feite is dit het theoretische minimum dat nodig is voor de vorming van een zwart gat, als die ster iets kleiner was geweest, zou het gat niet zijn gevormd.

Zwarte gaten zijn kannibalen

Ja, er is zo'n fenomeen, zoals we hierboven schreven, zwarte gaten zijn een soort "galactische stofzuigers" die alles om hen heen absorberen, inclusief ... andere zwarte gaten. Onlangs hebben astronomen ontdekt dat een zwart gat uit het ene sterrenstelsel wordt opgegeten door een andere grote zwarte veelvraat uit een ander sterrenstelsel.

• Volgens de hypothesen van sommige wetenschappers zijn zwarte gaten niet alleen galactische stofzuigers die alles naar zich toe zuigen, maar wanneer bepaalde omstandigheden kunnen zelf nieuwe universums creëren.
• Zwarte gaten kunnen na verloop van tijd verdampen. We schreven hierboven dat de Engelse wetenschapper Stephen Hawking ontdekte dat zwarte gaten de eigenschap hebben van straling, en na een zeer lange tijdsperiode, wanneer er niets in de buurt is om te absorberen, zal het zwarte gat meer beginnen te verdampen, totdat uiteindelijk het geeft al zijn massa af aan de omringende ruimte. Hoewel dit slechts een veronderstelling is, een hypothese.
• Zwarte gaten vertragen de tijd en buigen de ruimte. We hebben al geschreven over tijdsdilatatie, maar de ruimte in de omstandigheden van een zwart gat zal volledig gekromd zijn.
• Zwarte gaten beperken het aantal sterren in het heelal. Hun gravitatievelden verhinderen namelijk de afkoeling van gaswolken in de ruimte, waaruit, zoals u weet, nieuwe sterren worden geboren.

Zwarte gaten op Discovery Channel, video

En tot slot bieden we je een interessante wetenschappelijke documentaire over zwarte gaten van Discovery Channel.

Zwarte gaten zijn gebieden met dichte materie in de ruimte die zo'n sterke aantrekkingskracht hebben dat geen enkel object dat in het zwaartekrachtveld van het zwarte gat is gevangen het kan verlaten. Zwarte gaten trekken zelfs het voorbijgaande licht aan. Over wat de wetenschap denkt over het bestaan ​​van zwarte gaten en zal worden besproken in ons artikel.

Zwarte gaten zijn gebieden met dichte materie in de ruimte die zo'n sterke aantrekkingskracht hebben dat geen enkel object dat in het zwaartekrachtveld van het zwarte gat is gevangen het kan verlaten. Zwarte gaten trekken zelfs het voorbijgaande licht aan. Wat de wetenschap denkt over het bestaan ​​van zwarte gaten zal in ons artikel worden besproken.

De grenzen van zwarte gaten worden de "gebeurtenishorizon" genoemd en de grootte ervan wordt de "zwaartekrachtstraal" genoemd.

Zwarte gaten werden, net als veel andere fysieke verschijnselen, voor het eerst alleen in theorie ontdekt. De mogelijkheid van hun bestaan ​​volgt uit enkele van Einsteins vergelijkingen, ze convergeren met de theorie van de zwaartekracht (maar het is niet bekend hoe waar het is), wat, opnieuw theoretisch, hun aanwezigheid bevestigt.

In onze tijd wordt de mogelijkheid van de vorming van zwarte gaten bevestigd door experimenteel geverifieerd algemene theorie relativiteit (GR). Er verschijnen regelmatig nieuwe gegevens, die worden geanalyseerd en geïnterpreteerd in het kader van de bovenstaande theorie, die het bestaan ​​​​bevestigt van enkele astronomische objecten die gedeeltelijk samenvallen met de tekenen van zwarte gaten met een massa van 105-1010 zonsmassa's. Daarom is het onmogelijk om je voor te bereiden op het 100% bestaan ​​van zwarte gaten.

Tot op heden zijn er 2 realistische en 2 hypothetische opties voor het creëren van zwarte gaten: catastrofaal snelle compressie van een massieve ster of het centrum van een deel van een melkwegstelsel; en bijgevolg het ontstaan ​​van zwarte gaten als gevolg van de oerknal en het ontstaan ​​van hoge energieën in kernreacties.

Er zijn objecten die zwarte gaten worden genoemd, simpelweg vanwege de gelijkenis van sommige van hun eigenschappen met zwarte gaten, bijvoorbeeld sterren die zich in het laatste stadium van zwaartekrachtinstorting bevinden. De moderne astrofysica hecht niet veel belang aan dit verschil, aangezien de waargenomen manifestaties van een "bijna ingestorte" ster en een theoretisch "echt" zwart gat bijna identiek zijn.

Zwarte gaten zijn niet eeuwig. Op het eerste gezicht lijkt het alsof deze objecten alleen alles om zich heen naar binnen trekken, maar volgens de kwantumtheorie van de zwaartekracht moet een zwart gat, dat absorbeert, continu stralen, terwijl het zijn energie verliest. Hoe meer "energiemassa" verloren gaat, hoe groter de temperatuur en snelheid van de straling, wat uiteindelijk tot een explosie leidt. Het blijft dat dan uit een zwart gat of niet, het is niet bekend, maar het antwoord op deze vraag zal worden gegeven door de kwantumtheorie van de zwaartekracht, waar ze de komende decennia hard aan gaan werken.

Drie theorieën voor het bestaan ​​van zwarte gaten

Er zijn er drie interessante theorieën het bestaan ​​van zwarte gaten:

Er is een eindig aantal zwarte gaten in het universum, ze zijn in elk sterrenstelsel, daarom kunnen ze een manier zijn om in de ruimte te bewegen, een soort teleportatie - je ging in dit zwarte gat, liet een ander achter. Bovendien kunt u niet alleen de plaats waar u aankomt, maar ook de tijd 'regelen'.

Volgens Hugh Everetts theorie van vele werelden is het aantal universums oneindig. Hierdoor ontstond de hypothese dat zwarte gaten een doorgang zijn naar een ander universum. fysieke wetten in alle Universa kunnen ze verschillen, maar alleen de doorgangspunten - zwarte gaten - zijn onwrikbaar, hoewel niet eeuwig.

Zwarte gaten absorberen alles in het zwaartekrachtveld. Als een persoon in een zwart gat valt - interne waarnemer, en iemand zal hem in de gaten houden - een externe waarnemer, dan kan in theorie de volgende situatie gebeuren: een persoon die in een zwart gat valt, zal zien hoe de tijd voor hem vertraagt ​​​​en stopt voor de eeuwigheid, en de "omringende" tijd, volgens de theorie van de Engelse wiskundige en natuurkundige -Penrose's theorie, de tijd van de ontwikkeling van het heelal, neemt zo snel toe dat hij, een interne waarnemer, erin slaagt om de ineenstorting van onze ruimte, en alle bestaande realiteiten, en alle objecten te zien dat ooit in een zwart gat viel. Vanuit het oogpunt van een externe waarnemer zal de interne naar het zwarte gat vliegen en stoppen, alsof hij op iets wacht. Het universum staat volgens de theorie niet toe dat er tegelijkertijd interne en externe waarnemers bestaan. Na een minuut van de subjectieve tijd van een persoon die in een zwart gat springt, maar na miljarden jaren vanuit het oogpunt van een externe waarnemer, zal de vallende persoon verbaasd zijn om te zien hoe zijn zeer oude "externe" vrienden beginnen te vallen in zijn gat, en zijn "oorspronkelijke" zwarte gat begint te versmelten met alle andere zwarte gaten... Bijgevolg zullen alle externe waarnemers tegelijkertijd intern worden, en nu vliegen ze samen naar de ineenstorting van het heelal.

Gezien de bovenstaande feiten over het bestaan ​​van zwarte gaten, zijn er mensen die ze weerleggen. Natuurkundeprofessor Laura Marcini-Houghton uit North Carolina stelt dat zwarte gaten gewoon niet kunnen bestaan. Ze stelt dat er geen direct bewijs is van hun bestaan, en indirect bewijs kan onjuist zijn. Dit is echter voorlopig slechts een theorie.

In dit stadium van ontwikkeling is de wetenschap niet in staat het bestaan ​​van zwarte gaten te bevestigen of te weerleggen. Het blijft wachten op nieuwe waarnemingen, hun analyse en enkele daaropvolgende antwoorden op deze vragen.

Door de relatief recente stijging van de belangstelling voor het maken van populair-wetenschappelijke films over verkenning van de ruimte, heeft de moderne kijker veel gehoord over fenomenen als de singulariteit, of het zwarte gat. Films onthullen uiteraard niet de volledige aard van deze verschijnselen en vervormen soms zelfs de geconstrueerde beelden wetenschappelijke theorieën voor meer efficiëntie. Om deze reden is de presentatie van veel moderne mensen over deze verschijnselen ofwel volledig oppervlakkig, ofwel volledig ten onrechte. Een van de oplossingen voor het ontstane probleem is dit artikel, waarin we zullen proberen de bestaande onderzoeksresultaten te begrijpen en de vraag te beantwoorden: wat is een zwart gat?

In 1784 noemde de Engelse priester en natuuronderzoeker John Michell voor het eerst in een brief aan de Royal Society een hypothetisch massief lichaam dat zo'n sterke zwaartekracht heeft dat de tweede kosmische snelheid ervoor de snelheid van het licht zou overschrijden. De tweede kosmische snelheid is de snelheid die een relatief klein object nodig heeft om de aantrekkingskracht van een hemellichaam te overwinnen en de gesloten baan om dit lichaam te verlaten. Volgens zijn berekeningen heeft een lichaam met de dichtheid van de zon en een straal van 500 zonnestralen een seconde kosmische snelheid gelijk aan de snelheid Sveta. In dit geval zal zelfs licht het oppervlak van zo'n lichaam niet verlaten, en daarom gegeven lichaam zal alleen het invallende licht absorberen en onzichtbaar blijven voor de waarnemer - een soort zwarte vlek tegen de achtergrond van de donkere ruimte.

Het door Michell voorgestelde concept van een superzwaar lichaam trok echter niet aan grote interesse tot aan het werk van Einstein. Bedenk dat de laatste de lichtsnelheid definieerde als de beperkende snelheid van informatieoverdracht. Bovendien breidde Einstein de theorie van de zwaartekracht uit voor snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen (). Hierdoor was het niet langer relevant om de Newtoniaanse theorie toe te passen op zwarte gaten.

Einsteins vergelijking

Als resultaat van het toepassen van de algemene relativiteitstheorie op zwarte gaten en het oplossen van de Einstein-vergelijkingen, werden de belangrijkste parameters van een zwart gat onthuld, waarvan er slechts drie zijn: massa, elektrische lading en impulsmoment. Opgemerkt moet worden de belangrijke bijdrage van de Indiase astrofysicus Subramanyan Chandrasekhar, die een fundamentele monografie creëerde: "The Mathematical Theory of Black Holes".

De oplossing van de Einstein-vergelijkingen wordt dus weergegeven door vier opties voor vier mogelijke soorten zwarte gaten:

• Een zwart gat zonder rotatie en zonder lading is de Schwarzschild-oplossing. Een van de eerste beschrijvingen van een zwart gat (1916) met behulp van de vergelijkingen van Einstein, maar zonder rekening te houden met twee van de drie parameters van het lichaam. Met de oplossing van de Duitse natuurkundige Karl Schwarzschild kun je het externe zwaartekrachtveld van een bolvormig massief lichaam berekenen. Een kenmerk van het concept van zwarte gaten van de Duitse wetenschapper is de aanwezigheid van een waarnemingshorizon en de horizon erachter. Schwarzschild berekende ook eerst de zwaartekrachtstraal, die zijn naam kreeg, die de straal bepaalt van de bol waarop de waarnemingshorizon zich zou bevinden voor een lichaam met een bepaalde massa.
• Een zwart gat zonder rotatie met een lading is de Reisner-Nordström-oplossing. Een oplossing die in 1916-1918 werd voorgesteld, rekening houdend met de mogelijke elektrische lading van een zwart gat. Deze lading kan niet willekeurig groot zijn en wordt beperkt door de resulterende elektrische afstoting. Dit laatste moet worden gecompenseerd door zwaartekracht.
• Een zwart gat met rotatie en geen lading - Kerr's oplossing (1963). Een roterend Kerr zwart gat verschilt van een statisch gat door de aanwezigheid van de zogenaamde ergosfeer (lees meer over deze en andere componenten van een zwart gat).
• BH met rotatie en lading - Kerr-Newman oplossing. Deze oplossing werd berekend in 1965 en is momenteel de meest complete, aangezien deze rekening houdt met alle drie de BH-parameters. Er wordt echter nog steeds aangenomen dat zwarte gaten in de natuur een onbeduidende lading hebben.

De vorming van een zwart gat

Er zijn verschillende theorieën over hoe een zwart gat wordt gevormd en verschijnt, waarvan de meest bekende de opkomst is van een ster met voldoende massa als gevolg van de ineenstorting van de zwaartekracht. Een dergelijke samentrekking kan een einde maken aan de evolutie van sterren met een massa van meer dan drie zonsmassa's. Na voltooiing van thermonucleaire reacties in dergelijke sterren, beginnen ze snel te krimpen tot een superdichte. Als de druk van het gas van een neutronenster de zwaartekracht niet kan compenseren, dat wil zeggen, de massa van de ster overwint de zogenaamde. Oppenheimer-Volkov limiet, dan gaat de ineenstorting door, waardoor materie krimpt tot een zwart gat.

Het tweede scenario dat de geboorte van een zwart gat beschrijft, is de compressie van protogalactisch gas, dat wil zeggen interstellair gas dat zich in het stadium van transformatie in een melkwegstelsel of een soort cluster bevindt. Bij onvoldoende interne druk om dezelfde zwaartekrachten te compenseren, kan een zwart gat ontstaan.

Twee andere scenario's blijven hypothetisch:

• Het optreden van een zwart gat als gevolg - de zogenaamde. oorspronkelijke zwarte gaten.
• Voorkomen als gevolg van kernreacties bij hoge energieën. Een voorbeeld van dergelijke reacties zijn experimenten op versnellers.

Structuur en fysica van zwarte gaten

De structuur van een zwart gat omvat volgens Schwarzschild slechts twee eerder genoemde elementen: de singulariteit en de waarnemingshorizon van een zwart gat. Kort over de singulariteit gesproken, kan worden opgemerkt dat het onmogelijk is om er een rechte lijn doorheen te trekken, en ook dat de meeste bestaande natuurkundige theorieën er niet in werken. De fysica van de singulariteit blijft dus een mysterie voor wetenschappers van vandaag. van een zwart gat is een bepaalde grens, die een fysiek object het vermogen verliest om terug te keren buiten zijn grenzen en ondubbelzinnig "valt" in de singulariteit van een zwart gat.

De structuur van een zwart gat wordt iets gecompliceerder in het geval van de Kerr-oplossing, namelijk in aanwezigheid van BH-rotatie. Kerr's oplossing houdt in dat het gat een ergosfeer heeft. Ergosfeer - een bepaald gebied buiten de waarnemingshorizon, waarbinnen alle lichamen in de draairichting van het zwarte gat bewegen. Dit gebied is nog niet spannend en het is mogelijk om het te verlaten, in tegenstelling tot de gebeurtenishorizon. De ergosfeer is waarschijnlijk een soort analoog van een accretieschijf, die een roterende substantie rond massieve lichamen voorstelt. Als een statisch Schwarzschild zwart gat wordt weergegeven als een zwarte bol, dan heeft het zwarte gat van Kerry, door de aanwezigheid van een ergosfeer, de vorm van een afgeplatte ellipsoïde, in de vorm waarvan we in oude tekeningen vaak zwarte gaten zagen. films of videospelletjes.

• Hoeveel weegt een zwart gat? – Het grootste theoretische materiaal over het uiterlijk van een zwart gat is beschikbaar voor het scenario van zijn uiterlijk als gevolg van de ineenstorting van een ster. In dit geval worden de maximale massa van een neutronenster en de minimale massa van een zwart gat bepaald door de Oppenheimer - Volkov-limiet, volgens welke de ondergrens van de BH-massa 2,5 - 3 zonsmassa's is. Het zwaarste zwarte gat dat ooit is ontdekt (in het sterrenstelsel NGC 4889) heeft een massa van 21 miljard zonsmassa's. Men mag echter zwarte gaten niet vergeten, hypothetisch het gevolg van kernreacties met hoge energieën, zoals die bij botsers. De massa van dergelijke kwantumzwarte gaten, oftewel "Planck-zwarte gaten" is in de orde van grootte van , namelijk 2 10 −5 g.
• Grootte van het zwarte gat. De minimale BH-straal kan worden berekend uit de minimale massa (2,5 – 3 zonsmassa's). Als de zwaartekrachtstraal van de zon, dat wil zeggen het gebied waar de waarnemingshorizon zich zou bevinden, ongeveer 2,95 km is, dan is de minimale straal van een BH van 3 zonsmassa's ongeveer negen kilometer. Zulke relatief kleine afmetingen passen niet in het hoofd wanneer: we zijn aan het praten over massieve objecten die alles om zich heen aantrekken. Voor kwantumzwarte gaten is de straal echter -10 −35 m.
• De gemiddelde dichtheid van een zwart gat hangt af van twee parameters: massa en straal. De dichtheid van een zwart gat met een massa van ongeveer drie zonsmassa's is ongeveer 6 10 26 kg/m³, terwijl de dichtheid van water 1000 kg/m³ is. Zulke kleine zwarte gaten zijn echter niet gevonden door wetenschappers. De meeste gedetecteerde BH's hebben een massa van meer dan 105 zonsmassa's. Er is een interessant patroon volgens welke hoe massiever het zwarte gat is, hoe lager de dichtheid. In dit geval betekent een verandering in massa met 11 ordes van grootte een verandering in dichtheid met 22 ordes van grootte. Zo heeft een zwart gat met een massa van 1 ·109 zonsmassa's een dichtheid van 18,5 kg/m³, wat één minder is dan de dichtheid van goud. En zwarte gaten met een massa van meer dan 10 10 zonsmassa's kunnen hebben gemiddelde dichtheid minder luchtdichtheid. Op basis van deze berekeningen is het logisch om aan te nemen dat de vorming van een zwart gat niet plaatsvindt door de compressie van materie, maar door de accumulatie een groot aantal tot op zekere hoogte van belang. In het geval van kwantumzwarte gaten kan hun dichtheid ongeveer 10 94 kg/m³ zijn.
• De temperatuur van een zwart gat is ook omgekeerd evenredig met zijn massa. Deze temperatuur is direct gerelateerd aan . Het spectrum van deze straling valt samen met het spectrum van een volledig zwart lichaam, dat wil zeggen een lichaam dat alle invallende straling absorbeert. Het stralingsspectrum van een zwart lichaam hangt alleen af ​​van zijn temperatuur, dan kan de temperatuur van een zwart gat worden bepaald uit het Hawking-stralingsspectrum. Zoals hierboven vermeld, is deze straling des te krachtiger, hoe kleiner het zwarte gat. Tegelijkertijd blijft Hawking-straling hypothetisch, aangezien deze nog niet door astronomen is waargenomen. Hieruit volgt dat als er Hawking-straling bestaat, de temperatuur van de waargenomen BH's zo laag is dat het onmogelijk is om de aangegeven straling te detecteren. Volgens berekeningen is zelfs de temperatuur van een gat met een massa in de orde van de massa van de zon verwaarloosbaar klein (1 10 -7 K of -272°C). De temperatuur van kwantumzwarte gaten kan ongeveer 10 12 K bereiken, en met hun snelle verdamping (ongeveer 1,5 min.) kunnen dergelijke BH's energie uitstralen in de orde van tien miljoen atoombommen. Maar gelukkig is voor de creatie van dergelijke hypothetische objecten 10 14 keer meer energie nodig dan vandaag wordt bereikt met de Large Hadron Collider. Bovendien zijn dergelijke verschijnselen nooit door astronomen waargenomen.

Waar is een CHD van gemaakt?

Een andere vraag baart zowel wetenschappers als degenen die gewoon dol zijn op astrofysica: waar bestaat een zwart gat uit? Er is geen eenduidig ​​antwoord op deze vraag, aangezien het niet mogelijk is om verder te kijken dan de waarnemingshorizon rond een zwart gat. Bovendien, zoals eerder vermeld, bieden de theoretische modellen van een zwart gat slechts 3 van zijn componenten: de ergosfeer, de waarnemingshorizon en de singulariteit. Het is logisch om aan te nemen dat er in de ergosfeer alleen die objecten zijn die werden aangetrokken door het zwarte gat en die er nu omheen draaien - verschillende soorten kosmische lichamen en kosmisch gas. De waarnemingshorizon is slechts een dunne impliciete grens, eenmaal daarbuiten worden dezelfde kosmische lichamen onherroepelijk aangetrokken door de laatste hoofdcomponent van het zwarte gat - de singulariteit. De aard van de singulariteit is vandaag niet bestudeerd en het is te vroeg om over de samenstelling ervan te praten.

Volgens sommige aannames kan een zwart gat uit neutronen bestaan. Als we het scenario volgen van het optreden van een zwart gat als gevolg van de compressie van een ster tot een neutronenster met de daaropvolgende compressie, dan bestaat waarschijnlijk het grootste deel van het zwarte gat uit neutronen, waarvan de neutronenster zelf bestaat. Simpel gezegd: als een ster instort, worden de atomen zo gecomprimeerd dat elektronen zich combineren met protonen, waardoor neutronen worden gevormd. Zo'n reactie vindt inderdaad in de natuur plaats, bij de vorming van een neutron vindt neutrino-emissie plaats. Dit zijn echter slechts gissingen.

Wat gebeurt er als je in een zwart gat valt?

Vallen in een astrofysisch zwart gat leidt tot uitrekken van het lichaam. Overweeg een hypothetische zelfmoordastronaut die een zwart gat in gaat en niets anders draagt ​​dan een ruimtepak, voeten eerst. Bij het overschrijden van de gebeurtenishorizon zal de astronaut geen veranderingen opmerken, ondanks het feit dat hij niet langer de mogelijkheid heeft om terug te gaan. Op een gegeven moment zal de astronaut een punt bereiken (iets achter de waarnemingshorizon) waar de vervorming van zijn lichaam zal beginnen op te treden. Aangezien het zwaartekrachtsveld van een zwart gat niet-uniform is en wordt weergegeven door een krachtgradiënt die naar het midden toeneemt, zullen de benen van de astronaut worden blootgesteld aan een merkbaar groter zwaartekrachtseffect dan bijvoorbeeld het hoofd. Dan zullen de poten door de zwaartekracht, of liever getijdekrachten, sneller “vallen”. Zo begint het lichaam zich geleidelijk in de lengte uit te rekken. Om dit fenomeen te beschrijven, hebben astrofysici een nogal creatieve term bedacht: spaghettificatie. Verdere strekking van het lichaam zal het waarschijnlijk ontbinden in atomen, die vroeg of laat een singulariteit zullen bereiken. Je kunt alleen maar raden hoe een persoon zich in deze situatie zal voelen. Het is vermeldenswaard dat het effect van het uitrekken van het lichaam omgekeerd evenredig is met de massa van het zwarte gat. Dat wil zeggen, als een BH met de massa van drie zonnen het lichaam onmiddellijk uitrekt/breekt, dan zal het superzware zwarte gat lagere getijdenkrachten hebben en er zijn suggesties dat sommige fysieke materialen een dergelijke vervorming zouden kunnen "tolereren" zonder hun structuur te verliezen.

Zoals je weet, stroomt de tijd in de buurt van massieve objecten langzamer, wat betekent dat de tijd voor een zelfmoordastronaut veel langzamer zal stromen dan voor aardbewoners. In dat geval zal hij misschien niet alleen zijn vrienden overleven, maar ook de aarde zelf. Er zijn berekeningen nodig om te bepalen hoeveel tijd een astronaut zal vertragen, maar uit het bovenstaande kan worden aangenomen dat de astronaut heel langzaam in het zwarte gat zal vallen en misschien gewoon niet zal leven om het moment te zien waarop zijn lichaam begint te vervormen.

Het is opmerkelijk dat voor een waarnemer buiten alle lichamen die naar de waarnemingshorizon zijn gevlogen, aan de rand van deze horizon zullen blijven totdat hun beeld verdwijnt. De reden voor dit fenomeen is de zwaartekracht roodverschuiving. Enigszins vereenvoudigd, kunnen we zeggen dat het licht dat op het lichaam van een zelfmoordastronaut "bevroren" aan de waarnemingshorizon valt, van frequentie zal veranderen vanwege de vertraagde tijd. Naarmate de tijd langzamer verstrijkt, zal de frequentie van het licht afnemen en de golflengte toenemen. Als gevolg van dit fenomeen, aan de uitgang, dat wil zeggen voor een externe waarnemer, zal het licht geleidelijk verschuiven naar de lage frequentie - rood. Er zal een verschuiving van het licht langs het spectrum plaatsvinden naarmate de zelfmoordastronaut zich steeds verder van de waarnemer verwijdert, zij het bijna onmerkbaar, en zijn tijd steeds langzamer gaat. Het licht dat door zijn lichaam wordt gereflecteerd, zal dus snel buiten het zichtbare spectrum gaan ( het beeld verdwijnt), en in de toekomst kan het lichaam van de astronaut alleen worden opgevangen in de infraroodstraling, later - in de radiofrequentie, en als gevolg daarvan zal de straling volledig ongrijpbaar zijn.

Ondanks wat hierboven is geschreven, wordt aangenomen dat de getijdenkrachten in zeer grote superzware zwarte gaten niet zo veel veranderen met de afstand en bijna uniform werken op het vallende lichaam. In dit geval is de vallende ruimteschip zijn structuur zou behouden. Een redelijke vraag rijst - waar leidt het zwarte gat naartoe? Deze vraag kan worden beantwoord door het werk van enkele wetenschappers, die twee fenomenen als wormgaten en zwarte gaten met elkaar verbinden.

In 1935 stelden Albert Einstein en Nathan Rosen, rekening houdend met, een hypothese naar voren over het bestaan ​​van zogenaamde wormgaten, die twee punten van ruimte-tijd verbinden op plaatsen met een significante kromming van de laatste - de Einstein-Rosen-brug of wormgat. Voor zo'n krachtige kromming van de ruimte zijn lichamen met een gigantische massa nodig, met de rol die zwarte gaten perfect aankunnen.

Einstein-Rosen-brug - wordt beschouwd als een ondoordringbaar wormgat, zoals het is kleine maat en is instabiel.

Een doorkruisbaar wormgat is mogelijk binnen de theorie van zwarte en witte gaten. Waar het witte gat de output is van informatie die in het zwarte gat is gevallen. Het witte gat wordt beschreven in het kader van de algemene relativiteitstheorie, maar vandaag blijft het hypothetisch en is het niet ontdekt. Een ander model van een wormgat werd voorgesteld door de Amerikaanse wetenschappers Kip Thorne en zijn afgestudeerde student Mike Morris, dat redelijk kan zijn. Echter, zoals in het geval van het Morris-Thorn-wormgat, evenals in het geval van zwarte en witte gaten, vereist de mogelijkheid van reizen het bestaan ​​van zogenaamde exotische materie, die negatieve energie heeft en ook hypothetisch blijft.

Zwarte gaten in het heelal

Het bestaan ​​van zwarte gaten werd relatief recent (september 2015) bevestigd, maar voor die tijd was er al veel theoretisch materiaal over de aard van zwarte gaten, evenals veel kandidaat-objecten voor de rol van een zwart gat. Allereerst moet men rekening houden met de afmetingen van het zwarte gat, aangezien de aard van het fenomeen ervan afhangt:

• stellaire massa zwart gat. Dergelijke objecten worden gevormd als gevolg van het instorten van een ster. Zoals eerder vermeld, is de minimale massa van een lichaam dat in staat is om zo'n zwart gat te vormen 2,5 - 3 zonsmassa's.
• Middelzware zwarte gaten. Een conditioneel tussentype van zwarte gaten die zijn toegenomen door de absorptie van nabije objecten, zoals gasophopingen, een naburige ster (in systemen met twee sterren) en andere kosmische lichamen.
• Superzwaar zwart gat. Compacte objecten met 10 5 -10 10 zonsmassa's. Onderscheidende eigenschappen van dergelijke BH's zijn paradoxaal lage dichtheid, evenals zwakke getijdenkrachten, die eerder werden besproken. Het is dit superzware zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel (Sagittarius A*, Sgr A*), evenals de meeste andere sterrenstelsels.

Kandidaten voor CHD

Het dichtstbijzijnde zwarte gat, of liever een kandidaat voor de rol van een zwart gat, is een object (V616 Eenhoorn), dat zich op een afstand van 3000 lichtjaar van de Zon (in ons melkwegstelsel) bevindt. Het bestaat uit twee componenten: een ster met een massa van de helft van de zonnemassa, evenals een onzichtbaar klein lichaam waarvan de massa 3-5 zonsmassa's is. Als dit object een klein zwart gat met stellaire massa blijkt te zijn, dan is het rechts het dichtstbijzijnde zwarte gat.

Na dit object is het tweede dichtstbijzijnde zwarte gat Cyg X-1 (Cyg X-1), dat de eerste kandidaat was voor de rol van een zwart gat. De afstand ernaartoe is ongeveer 6070 lichtjaar. Best goed bestudeerd: het heeft een massa van 14,8 zonsmassa's en een waarnemingshorizonstraal van ongeveer 26 km.

Volgens sommige bronnen zou een andere kandidaat voor de rol van een zwart gat een lichaam in het stersysteem V4641 Sagittarii (V4641 Sgr) kunnen zijn, dat zich volgens schattingen in 1999 op een afstand van 1600 lichtjaar bevond. Latere studies hebben deze afstand echter met minstens 15 keer vergroot.

Hoeveel zwarte gaten zijn er in onze melkweg?

Er is geen exact antwoord op deze vraag, omdat het nogal moeilijk is om ze te observeren, en tijdens de hele studie van de lucht zijn wetenschappers erin geslaagd om ongeveer een dozijn zwarte gaten binnenin te detecteren Melkweg. Zonder ons over te geven aan berekeningen, merken we op dat er in onze melkweg ongeveer 100 - 400 miljard sterren zijn, en dat ongeveer elke duizendste ster genoeg massa heeft om een ​​zwart gat te vormen. Het is waarschijnlijk dat er miljoenen zwarte gaten zijn ontstaan ​​tijdens het bestaan ​​van de Melkweg. Omdat het gemakkelijker is om enorme zwarte gaten te registreren, is het logisch om aan te nemen dat de meeste BH's in onze melkweg niet superzwaar zijn. Het is opmerkelijk dat NASA-onderzoek in 2005 de aanwezigheid suggereert van een hele zwerm zwarte gaten (10-20 duizend) die rond het centrum van de melkweg draaien. Bovendien ontdekten Japanse astrofysici in 2016 een enorme satelliet in de buurt van het object * - een zwart gat, de kern van de Melkweg. Vanwege de kleine straal (0,15 lichtjaar) van dit lichaam, evenals zijn enorme massa (100.000 zonsmassa's), suggereren wetenschappers dat dit object ook een superzwaar zwart gat is.

De kern van ons melkwegstelsel, het zwarte gat van de Melkweg (Sagittarius A *, Sgr A * of Sagittarius A *) is superzwaar en heeft een massa van 4,31 106 zonsmassa's en een straal van 0,00071 lichtjaar (6,25 lichturen of 6,75 miljard km). De temperatuur van Boogschutter A* samen met het cluster eromheen is ongeveer 1 10 7 K.

Het grootste zwarte gat

Het grootste zwarte gat in het universum dat wetenschappers hebben kunnen detecteren, is een superzwaar zwart gat, de FSRQ blazar, in het centrum van het sterrenstelsel S5 0014+81, op een afstand van 1,2·10 10 lichtjaar van de aarde. Volgens voorlopige resultaten van observatie, met behulp van het Swift-ruimteobservatorium, was de massa van het zwarte gat 40 miljard (40 10 9) zonsmassa's, en de Schwarzschild-straal van zo'n gat was 118,35 miljard kilometer (0,013 lichtjaar). Bovendien is het volgens berekeningen 12,1 miljard jaar geleden ontstaan ​​(1,6 miljard jaar daarna) oerknal). Als dit gigantische zwarte gat de materie eromheen niet absorbeert, zal het leven om het tijdperk van zwarte gaten te zien - een van de tijdperken in de ontwikkeling van het heelal, waarin zwarte gaten erin zullen domineren. Als de kern van het sterrenstelsel S5 0014+81 blijft groeien, zal het een van de laatste zwarte gaten in het heelal worden.

De andere twee bekende zwarte gaten, hoewel niet genoemd, hebben hoogste waarde voor de studie van zwarte gaten, aangezien ze hun bestaan ​​experimenteel bevestigden, en ook belangrijke resultaten opleverden voor de studie van de zwaartekracht. We hebben het over de gebeurtenis GW150914, die de botsing van twee zwarte gaten in één wordt genoemd. Dit evenement toegestaan ​​om te registreren.

Detectie van zwarte gaten

Alvorens methoden voor het detecteren van zwarte gaten te overwegen, moet men de vraag beantwoorden: waarom is een zwart gat zwart? - het antwoord hierop vereist geen diepgaande kennis van astrofysica en kosmologie. Feit is dat een zwart gat alle straling die erop valt absorbeert en helemaal niet uitstraalt, als je geen rekening houdt met het hypothetische. Als we dit fenomeen nader bekijken, kunnen we aannemen dat er binnen zwarte gaten geen processen zijn die leiden tot het vrijkomen van energie in de vorm van elektromagnetische straling. Als het zwarte gat dan uitstraalt, bevindt het zich in het Hawking-spectrum (dat samenvalt met het spectrum van een verwarmd, absoluut zwart lichaam). Zoals eerder vermeld, werd deze straling echter niet gedetecteerd, wat wijst op een volledig lage temperatuur van zwarte gaten.

Een andere algemeen aanvaarde theorie is dat electromagnetische straling en kan de gebeurtenishorizon helemaal niet verlaten. Het is zeer waarschijnlijk dat fotonen (lichtdeeltjes) niet worden aangetrokken door massieve objecten, omdat ze volgens de theorie zelf geen massa hebben. Het zwarte gat "trekt" echter nog steeds de fotonen van licht aan door de vervorming van ruimte-tijd. Als we ons een zwart gat in de ruimte voorstellen als een soort depressie op het gladde oppervlak van de ruimte-tijd, dan is er een bepaalde afstand van het centrum van het zwarte gat, naderend waarvan licht niet langer in staat zal zijn om er vanaf te komen. Dat wil zeggen, ruwweg gezegd, het licht begint te "vallen" in de "put", die niet eens een "bodem" heeft.

Bovendien is het, gezien het effect van gravitationele roodverschuiving, mogelijk dat licht in een zwart gat zijn frequentie verliest en langs het spectrum verschuift naar het gebied van laagfrequente langgolvige straling, totdat het helemaal energie verliest.

Een zwart gat is dus zwart en daarom moeilijk te detecteren in de ruimte.

Detectiemethoden:

Overweeg de methoden die astronomen gebruiken om een ​​zwart gat te detecteren:

Naast de hierboven genoemde methoden associëren wetenschappers vaak objecten zoals zwarte gaten en. Quasars zijn enkele clusters van kosmische lichamen en gas, die tot de helderste astronomische objecten in het heelal behoren. Omdat ze een hoge intensiteit van luminescentie hebben bij relatief kleine afmetingen, is er reden om aan te nemen dat het centrum van deze objecten een superzwaar zwart gat is, dat de omringende materie naar zich toe trekt. Door zo'n krachtige aantrekkingskracht wordt de aangetrokken materie zo verhit dat deze intens uitstraalt. De detectie van dergelijke objecten wordt meestal vergeleken met de detectie van een zwart gat. Soms kunnen quasars stralen van verwarmd plasma in twee richtingen uitzenden - relativistische stralen. De redenen voor het ontstaan ​​van dergelijke jets (jet) zijn niet helemaal duidelijk, maar ze worden waarschijnlijk veroorzaakt door de interactie van de magnetische velden van het zwarte gat en de accretieschijf, en worden niet uitgezonden door een direct zwart gat.

Een jet in het M87-sterrenstelsel dat vanuit het centrum van een zwart gat inslaat

Als we het bovenstaande samenvatten, kan men zich van dichtbij voorstellen: het is een bolvormig zwart object, waaromheen sterk verwarmde materie roteert en een lichtgevende accretieschijf vormt.

Samenvoegen en botsen van zwarte gaten

Een van de meest interessante fenomenen in de astrofysica is de botsing van zwarte gaten, die het ook mogelijk maakt om zulke massieve astronomische lichamen te detecteren. Dergelijke processen zijn niet alleen interessant voor astrofysici, omdat ze resulteren in fenomenen die slecht zijn bestudeerd door natuurkundigen. Het duidelijkste voorbeeld is de eerder genoemde gebeurtenis genaamd GW150914, toen twee zwarte gaten zo dicht naderden dat ze als gevolg van wederzijdse aantrekkingskracht samensmolten tot één. Een belangrijk gevolg van deze botsing was het ontstaan ​​van zwaartekrachtsgolven.

Volgens de definitie van zwaartekrachtsgolven zijn dit veranderingen in het zwaartekrachtsveld die zich op een golfachtige manier voortplanten vanuit massieve bewegende objecten. Wanneer twee van dergelijke objecten elkaar naderen, beginnen ze rond een gemeenschappelijk zwaartepunt te draaien. Naarmate ze elkaar naderen, neemt hun rotatie om hun eigen as toe. Dergelijke variabele oscillaties van het zwaartekrachtveld op een bepaald punt kunnen één krachtige zwaartekrachtgolf vormen die zich miljoenen lichtjaren in de ruimte kan voortplanten. Dus op een afstand van 1,3 miljard lichtjaar vond een botsing plaats van twee zwarte gaten, die een krachtige zwaartekrachtsgolf vormden die de aarde bereikte op 14 september 2015 en werd geregistreerd door de LIGO- en VIRGO-detectoren.

Hoe sterven zwarte gaten?

Het is duidelijk dat als een zwart gat ophoudt te bestaan, het al zijn massa moet verliezen. Volgens haar definitie kan niets het zwarte gat echter verlaten als het zijn waarnemingshorizon heeft overschreden. Het is bekend dat de Sovjet-theoretisch fysicus Vladimir Gribov voor het eerst de mogelijkheid van emissie van deeltjes door een zwart gat noemde in zijn gesprek met een andere Sovjetwetenschapper Yakov Zel'dovich. Hij betoogde dat vanuit het oogpunt van de kwantummechanica een zwart gat in staat is deeltjes uit te zenden via een tunneleffect. Later bouwde hij met behulp van de kwantummechanica zijn eigen, enigszins andere theorie, de Engelse theoretisch fysicus Stephen Hawking. U kunt meer lezen over dit fenomeen. Kortom, in vacuüm zijn er zogenaamde virtuele deeltjes die constant in paren worden geboren en elkaar vernietigen, zonder interactie met de buitenwereld. Maar als zulke paren ontstaan ​​aan de waarnemingshorizon van het zwarte gat, dan is sterke zwaartekracht hypothetisch in staat om ze te scheiden, waarbij het ene deeltje in het zwarte gat valt en het andere weggaat van het zwarte gat. En aangezien een deeltje dat uit een gat is weggevlogen kan worden waargenomen en daarom positieve energie heeft, moet een deeltje dat in een gat is gevallen negatieve energie hebben. Het zwarte gat zal dus zijn energie verliezen en er zal een effect zijn dat verdamping van het zwarte gat wordt genoemd.

Volgens de beschikbare modellen van een zwart gat, zoals eerder vermeld, wordt de straling intenser naarmate de massa afneemt. Dan, in de laatste fase van het bestaan ​​van een zwart gat, wanneer het kan worden verkleind tot de grootte van een kwantumzwart gat, zal het een enorme hoeveelheid energie vrijgeven in de vorm van straling, wat gelijk kan zijn aan duizenden of zelfs miljoenen atoombommen. Deze gebeurtenis doet enigszins denken aan de explosie van een zwart gat, als dezelfde bom. Volgens berekeningen zouden oer-zwarte gaten zijn ontstaan ​​als gevolg van de oerknal, en die van hen, waarvan de massa in de orde van grootte van 10 12 kg is, zouden rond onze tijd moeten zijn verdampt en geëxplodeerd. Hoe het ook zij, dergelijke explosies zijn nog nooit door astronomen gezien.

Ondanks het door Hawking voorgestelde mechanisme voor de vernietiging van zwarte gaten, veroorzaken de eigenschappen van Hawking-straling een paradox in het kader van de kwantummechanica. Als een zwart gat een lichaam absorbeert en vervolgens de massa verliest die het gevolg is van de absorptie van dit lichaam, dan zal het zwarte gat, ongeacht de aard van het lichaam, niet verschillen van wat het was vóór de absorptie van het lichaam. In dit geval gaat informatie over het lichaam voor altijd verloren. Vanuit het oogpunt van theoretische berekeningen komt de transformatie van de initiële zuivere toestand naar de resulterende gemengde (“thermische”) toestand niet overeen met de huidige theorie van de kwantummechanica. Deze paradox wordt ook wel het verdwijnen van informatie in zwart gat. Een echte oplossing voor deze paradox is nooit gevonden. Bekende opties voor het oplossen van de paradox:

• Inconsistentie van de theorie van Hawking. Dit houdt de onmogelijkheid in om het zwarte gat en zijn constante groei te vernietigen.
• De aanwezigheid van witte gaten. In dit geval verdwijnt de geabsorbeerde informatie niet, maar wordt deze eenvoudigweg in een ander universum gegooid.
• Inconsistentie van de algemeen aanvaarde theorie van de kwantummechanica.

Onopgelost probleem van de fysica van zwarte gaten

Afgaande op alles wat eerder is beschreven, hebben zwarte gaten, hoewel ze relatief lang zijn bestudeerd, nog steeds veel kenmerken waarvan de mechanismen nog steeds niet bekend zijn bij wetenschappers.

• In 1970 formuleerde een Engelse wetenschapper de zogenaamde. "principe van kosmische censuur" - "De natuur verafschuwt de naakte singulariteit." Dit betekent dat de singulariteit alleen wordt gevormd op plaatsen die aan het zicht onttrokken zijn, zoals het centrum van een zwart gat. Dit principe is echter nog niet bewezen. Er zijn ook theoretische berekeningen volgens welke een "naakte" singulariteit kan optreden.
• Ook de “no-hair-stelling”, volgens welke zwarte gaten slechts drie parameters hebben, is niet bewezen.
• Een volledige theorie van de magnetosfeer van het zwarte gat is niet ontwikkeld.
• De aard en fysica van de zwaartekrachtsingulariteit is niet onderzocht.
• Het is niet met zekerheid bekend wat er gebeurt in de laatste fase van het bestaan ​​van een zwart gat en wat er overblijft na het kwantumverval.

Interessante feiten over zwarte gaten

Als we het bovenstaande samenvatten, kunnen we verschillende interessante en ongebruikelijke kenmerken aard van zwarte gaten:

• Zwarte gaten hebben slechts drie parameters: massa, elektrische lading en impulsmoment. Als gevolg van zo'n klein aantal kenmerken van dit lichaam, wordt de stelling die dit aangeeft de "geen-haar-stelling" genoemd. Dit is ook waar de uitdrukking "een zwart gat heeft geen haar" vandaan komt, wat betekent dat twee zwarte gaten absoluut identiek zijn, de drie genoemde parameters zijn hetzelfde.
• De dichtheid van zwarte gaten kan kleiner zijn dan de dichtheid van lucht, en de temperatuur ligt dicht bij het absolute nulpunt. Hieruit kunnen we aannemen dat de vorming van een zwart gat niet plaatsvindt door de compressie van materie, maar door de ophoping van een grote hoeveelheid materie in een bepaald volume.
• De tijd voor lichamen die door zwarte gaten worden geabsorbeerd, gaat veel langzamer dan voor een externe waarnemer. Bovendien worden de geabsorbeerde lichamen aanzienlijk uitgerekt in het zwarte gat, wat door wetenschappers spaghettificatie wordt genoemd.
• Er kunnen ongeveer een miljoen zwarte gaten in onze melkweg zijn.
• In het centrum van elk sterrenstelsel bevindt zich waarschijnlijk een superzwaar zwart gat.
• In de toekomst zal het heelal, volgens het theoretische model, het zogenaamde tijdperk van zwarte gaten bereiken, wanneer zwarte gaten de dominante lichamen in het heelal zullen worden.