Pro moderní vědce je černá díra jedním z nejzáhadnějších jevů v našem vesmíru. Studium takových objektů je obtížné, není možné je vyzkoušet „na základě zkušeností“. Hmotnost, hustota hmoty černé díry, procesy formování tohoto objektu, rozměry - to vše vzbuzuje zájem mezi odborníky a občas - zmatení. Zvažme téma podrobněji. Nejprve si pojďme analyzovat, co takový objekt je.
Obecné informace
Úžasnou vlastností kosmického objektu je kombinace malého poloměru, vysoké hustoty hmoty černé díry a neuvěřitelně velké hmoty. Všechny v současnosti známé fyzikální vlastnosti takového objektu se vědcům zdají podivné, často nevysvětlitelné. Dokonce i ti nejzkušenější astrofyzici jsou stále ohromeni zvláštnostmi takových jevů. Hlavním rysem, který vědcům umožňuje identifikovat černou díru, je horizont událostí, tedy hranice, kvůli kterénic se nevrátí, včetně světla. Pokud je zóna trvale oddělena, je hranice oddělení označena jako horizont událostí. Při dočasném oddělení je přítomnost viditelného horizontu fixována. Někdy je pojem temporal velmi volný, to znamená, že oblast může být oddělena na dobu přesahující aktuální stáří vesmíru. Pokud existuje viditelný horizont, který existuje po dlouhou dobu, je obtížné jej odlišit od horizontu událostí.
V mnoha ohledech jsou vlastnosti černé díry, hustota látky, která ji tvoří, dána jinými fyzikálními vlastnostmi, které působí v našich světových zákonech. Horizontem událostí sféricky symetrické černé díry je koule, jejíž průměr je určen její hmotností. Čím více hmoty je vtaženo dovnitř, tím větší je otvor. A přesto zůstává na pozadí hvězd překvapivě malý, protože gravitační tlak stlačuje vše uvnitř. Pokud si představíme díru, jejíž hmotnost odpovídá naší planetě, pak poloměr takového objektu nepřesáhne pár milimetrů, to znamená, že bude o deset miliard méně než Země. Poloměr byl pojmenován po Schwarzschildovi, vědci, který jako první odvodil černé díry jako řešení Einsteinovy obecné teorie relativity.
A uvnitř?
Když se člověk dostal do takového předmětu, je nepravděpodobné, že by si na sobě všimnul obrovské hustoty. Vlastnosti černé díry nejsou dobře pochopeny, abychom si byli jisti, co se stane, ale vědci se domnívají, že při překročení horizontu nelze odhalit nic zvláštního. To je vysvětleno ekvivalentem Einsteinianprincip, který vysvětluje, proč se pole tvořící zakřivení horizontu a zrychlení vlastní rovině pro pozorovatele neliší. Při sledování procesu přechodu z dálky můžete vidět, že objekt se začíná zpomalovat blízko horizontu, jako by v tomto místě pomalu plynul čas. Po nějaké době objekt překročí horizont a spadne do Schwarzschildova poloměru.
Hustota hmoty v černé díře, hmotnost objektu, jeho rozměry a slapové síly a gravitační pole spolu úzce souvisí. Čím větší je poloměr, tím nižší je hustota. Poloměr se zvyšuje s hmotností. Slapové síly jsou nepřímo úměrné druhé mocnině hmotnosti, to znamená, že jak se zvětšují rozměry a klesá hustota, slapové síly objektu se snižují. Pokud je hmota objektu velmi velká, bude možné překonat horizont dříve, než si všimnete této skutečnosti. V raných dobách obecné teorie relativity se věřilo, že na obzoru existuje singularita, ale ukázalo se, že tomu tak není.
O hustotě
Jak ukázaly studie, hustota černé díry může být v závislosti na hmotnosti větší nebo menší. U různých objektů se tento indikátor mění, ale vždy se s rostoucím poloměrem snižuje. Mohou se objevit supermasivní díry, které se v důsledku hromadění materiálu tvoří extenzivně. Hustota takových objektů, jejichž hmotnost odpovídá celkové hmotnosti několika miliard svítidel v našem systému, je v průměru menší než hustota vody. Někdy je srovnatelná s úrovní hustoty plynu. Slapová síla tohoto objektu se aktivuje již poté, co pozorovatel překročí horizontUdálosti. Hypotetickému průzkumníkovi by se nic nestalo, když by se přiblížil k horizontu, a spadl by mnoho tisíc kilometrů, kdyby našel ochranu před plazmou disku. Pokud se pozorovatel neohlédne, nevšimne si překročení horizontu, a pokud otočí hlavu, pravděpodobně uvidí světelné paprsky zamrzlé na horizontu. Čas pro pozorovatele bude plynout velmi pomalu, bude schopen sledovat události poblíž díry až do okamžiku smrti - buď ona, nebo vesmír.
Abyste mohli určit hustotu supermasivní černé díry, potřebujete znát její hmotnost. Najděte hodnotu této veličiny a Schwarzschildův objem vlastní vesmírnému objektu. V průměru je takový ukazatel podle astrofyziků výjimečně malý. V působivém procentu případů je nižší než úroveň hustoty vzduchu. Jev je vysvětlen následovně. Schwarzschildův poloměr přímo souvisí s hmotností, zatímco hustota je nepřímo úměrná objemu, a tedy Schwarzschildův poloměr. Objem přímo souvisí s krychlovým poloměrem. Hmotnost se zvyšuje lineárně. V souladu s tím objem roste rychleji než hmotnost a průměrná hustota se zmenšuje, čím větší je poloměr studovaného objektu.
Zvědavý
Slapová síla vlastní díře je gradientem gravitační síly, která je na horizontu poměrně velká, takže odsud nemohou uniknout ani fotony. Zároveň k nárůstu parametru dochází zcela plynule, což umožňuje pozorovateli překonat horizont bez rizika pro sebe.
Studie hustoty černé díry vstřed objektu je stále poměrně omezený. Astrofyzici zjistili, že čím blíže je centrální singularita, tím vyšší je úroveň hustoty. Výpočtový mechanismus zmíněný výše vám umožňuje získat velmi průměrnou představu o tom, co se děje.
Vědci mají extrémně omezené představy o tom, co se děje v díře, její struktuře. Podle astrofyziků není rozložení hustoty v díře pro vnějšího pozorovatele příliš významné, alespoň na současné úrovni. Mnohem více informativní specifikace gravitace, hmotnosti. Čím větší je hmota, tím silnější je střed, horizont, od sebe odděleny. Existují i takové předpoklady: těsně za horizontem hmota v zásadě chybí, lze ji detekovat pouze v hlubinách objektu.
Jsou známá nějaká čísla?
Vědci přemýšleli o hustotě černé díry již dlouhou dobu. Byly provedeny určité studie, byly provedeny pokusy o výpočet. Tady je jeden z nich.
Hmotnost Slunce je 210^30 kg. V místě objektu, který je několikrát větší než Slunce, se může vytvořit díra. Hustota nejlehčí díry se odhaduje v průměru na 10^18 kg/m3. To je o řád vyšší než hustota jádra atomu. Přibližně stejný rozdíl od průměrné úrovně hustoty charakteristické pro neutronovou hvězdu.
Existence ultralehkých děr, jejichž rozměry odpovídají subjaderným částicím, je možná. U takových objektů bude index hustoty neúměrně velký.
Pokud se naše planeta stane dírou, její hustota bude přibližně 210^30 kg/m3. Vědci to však nedokázaliodhalit procesy, v jejichž důsledku se náš vesmírný dům může proměnit v černou díru.
Podrobněji o číslech
Hustota černé díry ve středu Mléčné dráhy se odhaduje na 1,1 milionu kg/m3. Hmotnost tohoto objektu odpovídá 4 milionům hmotností Slunce. Poloměr otvoru se odhaduje na 12 milionů km. Naznačená hustota černé díry ve středu Mléčné dráhy dává představu o fyzikálních parametrech supermasivních děr.
Pokud je hmotnost nějakého objektu 10^38 kg, to znamená, že se odhaduje přibližně na 100 milionů Sluncí, pak hustota astronomického objektu bude odpovídat úrovni hustoty žuly nalezené na naší planetě.
Mezi všemi dírami, které moderní astrofyzikové znají, byla jedna z nejtěžších děr nalezena v kvasaru OJ 287. Její hmotnost odpovídá 18 miliardám svítidel naší soustavy. Jakou hustotu má černá díra, vědci spočítali bez větších potíží. Hodnota se ukázala jako mizivě malá. Je to jen 60 g/m3. Pro srovnání: atmosférický vzduch naší planety má hustotu 1,29 mg/m3.
Odkud se berou díry?
Vědci prováděli nejen výzkum s cílem určit hustotu černé díry ve srovnání s hvězdou naší soustavy nebo jinými vesmírnými tělesy, ale také se pokusili určit, odkud díry pocházejí, jaké jsou mechanismy pro vznik takových tajemné předměty. Nyní existuje představa o čtyřech způsobech vzhledu děr. Nejsrozumitelnější možností je kolaps hvězdy. Když se zvětší, syntéza v jádře je dokončena,tlak zmizí, hmota klesne do těžiště, takže se objeví díra. Jak se blížíte ke středu, hustota se zvyšuje. Dříve nebo později se indikátor stane tak významným, že vnější objekty nejsou schopny překonat účinky gravitace. Od tohoto okamžiku se objeví nová díra. Tento typ je běžnější než ostatní a nazývá se díry sluneční hmoty.
Další poměrně běžný typ díry je supermasivní. Ty jsou častěji pozorovány v galaktických centrech. Hmotnost objektu ve srovnání s výše popsanou sluneční hmotou je miliardkrát větší. Vědci dosud nestanovili procesy projevu takových objektů. Předpokládá se, že se nejprve vytvoří díra podle výše popsaného mechanismu, poté se pohltí sousední hvězdy, což vede k růstu. To je možné, pokud je zóna galaxie hustě osídlena. Absorpce hmoty nastává rychleji, než může výše uvedené schéma vysvětlit, a vědci zatím nemohou odhadnout, jak absorpce probíhá.
Předpoklady a nápady
Velmi obtížným tématem pro astrofyziky jsou prapůvodní díry. Takové se pravděpodobně objevují z jakékoli masy. Mohou se tvořit ve velkých výkyvech. Pravděpodobně se takové díry objevily v raném vesmíru. Dosud studie věnované kvalitám, vlastnostem (včetně hustoty) černých děr, procesům jejich vzhledu nám neumožňují určit model, který by přesně reprodukoval proces vzhledu primární díry. V současnosti známé modely jsou převážně takové, že pokud by byly implementovány ve skutečnosti,bylo by tam příliš mnoho děr.
Předpokládejme, že Velký hadronový urychlovač se může stát zdrojem vzniku díry, jejíž hmotnost odpovídá Higgsovu bosonu. V souladu s tím bude hustota černé díry velmi velká. Pokud se taková teorie potvrdí, lze ji považovat za nepřímý důkaz přítomnosti dalších dimenzí. V současné době tento spekulativní závěr ještě nebyl potvrzen.
Záření z díry
Emise díry se vysvětluje kvantovými efekty hmoty. Prostor je dynamický, takže částice jsou zde úplně jiné, než na co jsme zvyklí. V blízkosti díry není zkreslený pouze čas; porozumění částici závisí do značné míry na tom, kdo ji pozoruje. Pokud někdo spadne do díry, zdá se mu, že se noří do vakua, a pro vzdáleného pozorovatele to vypadá jako zóna naplněná částicemi. Účinek se vysvětluje natahováním času a prostoru. Radiaci z díry poprvé identifikoval Hawking, jehož jméno bylo úkazu dáno. Záření má teplotu, která je nepřímo úměrná hmotnosti. Čím nižší je hmotnost astronomického objektu, tím vyšší je teplota (a také hustota černé díry). Pokud je díra supermasivní nebo má hmotnost srovnatelnou s hvězdou, bude vlastní teplota jejího záření nižší než mikrovlnné pozadí. Z tohoto důvodu ji není možné pozorovat.
Toto záření vysvětluje ztrátu dat. Tak se nazývá tepelný jev, který má jednu výraznou vlastnost – teplotu. Neexistují žádné informace o procesech tvorby děr prostřednictvím studie, ale objekt, který takové záření vyzařuje, současně ztrácí hmotnost (a proto rostehustota černé díry) je snížena. Proces není dán látkou, ze které je otvor vytvořen, nezávisí na tom, co do něj bylo později nasáváno. Vědci nemohou říci, co se stalo základem díry. Studie navíc ukázaly, že záření je nevratný proces, tedy takový, který v kvantové mechanice prostě nemůže existovat. To znamená, že záření nelze uvést do souladu s kvantovou teorií a nekonzistence vyžaduje další práci v tomto směru. I když se vědci domnívají, že by Hawkingovo záření mělo obsahovat informace, my zatím nemáme prostředky, schopnosti, abychom je odhalili.
Zvědavý: o neutronových hvězdách
Pokud existuje veleobr, neznamená to, že takové astronomické těleso je věčné. Postupem času se mění, zahazuje vnější vrstvy. Ze zbytků se mohou objevit bílí trpaslíci. Druhou možností jsou neutronové hvězdy. Specifické procesy jsou určeny jadernou hmotou primárního tělesa. Pokud se odhaduje v rozmezí 1,4-3 slunečních paprsků, pak je zničení veleobra doprovázeno velmi vysokým tlakem, díky kterému jsou elektrony jakoby vtlačeny do protonů. To vede ke vzniku neutronů, k emisi neutrin. Ve fyzice se tomu říká neutronový degenerovaný plyn. Její tlak je takový, že se hvězda nemůže dále smršťovat.
Jak však studie ukázaly, pravděpodobně ne všechny neutronové hvězdy se objevily tímto způsobem. Některé z nich jsou zbytky těch velkých, které explodovaly jako druhá supernova.
Poloměr těla Tomaméně než více hmoty. U většiny se to pohybuje mezi 10-100 km. Byly provedeny studie s cílem určit hustoty černých děr, neutronových hvězd. U druhého, jak ukázaly testy, je parametr relativně blízký tomu atomovému. Konkrétní hodnoty stanovené astrofyziky: 10^10 g/cm3.
Zvědavý: teorie a praxe
Neutronové hvězdy byly teoreticky předpovězeny v 60. a 70. letech minulého století. Jako první byly objeveny pulsary. Jsou to malé hvězdy, jejichž rychlost rotace je velmi vysoká a magnetické pole je skutečně grandiózní. Předpokládá se, že pulsar zdědí tyto parametry od původní hvězdy. Doba rotace se pohybuje od milisekund do několika sekund. První známé pulsary vydávaly periodické rádiové emise. Dnes jsou známy pulsary s rentgenovým spektrem záření, záření gama.
Popsaný proces vzniku neutronové hvězdy může pokračovat – nic ho nemůže zastavit. Pokud je jaderná hmota větší než tři hmotnosti Slunce, pak je bodové těleso velmi kompaktní, označuje se jako díry. U černé díry s hmotností větší než je kritická nebude možné určit vlastnosti. Pokud dojde ke ztrátě části hmoty v důsledku Hawkingova záření, poloměr se současně sníží, takže hodnota hmotnosti bude opět menší než kritická hodnota pro tento objekt.
Může díra zemřít?
Vědci předkládají předpoklady o existenci procesů v důsledku účasti částic a antičástic. Kolísání prvků může způsobit charakterizaci prázdného prostorunulovou energetickou hladinu, která (tady je paradox!) se nebude rovnat nule. Současně bude horizont událostí vlastní tělesu přijímat nízkoenergetické spektrum vlastní absolutnímu černému tělesu. Takové záření způsobí ztrátu hmoty. Horizont se mírně zmenší. Předpokládejme, že existují dva páry částice a jejího antagonisty. Dochází k anihilace částice z jednoho páru a jeho antagonisty z druhého. V důsledku toho existují fotony, které vylétají z díry. Druhý pár navrhovaných částic spadne do díry a současně absorbuje určité množství hmoty, energie. Postupně to vede ke smrti černé díry.
Na závěr
Podle některých je černá díra druhem kosmického vysavače. Díra může spolknout hvězdu, může dokonce „sežrat“galaxii. V mnoha ohledech lze vysvětlení kvalit díry, stejně jako rysů jejího vzniku, nalézt v teorii relativity. Je z ní znát, že čas je spojitý, stejně jako prostor. To vysvětluje, proč procesy komprese nelze zastavit, jsou neomezené a neomezené.
Toto jsou tyto záhadné černé díry, nad kterými si astrofyzikové lámou hlavu už více než deset let.
