För moderna vetenskapsmän är ett svart hål ett av de mest mystiska fenomenen i vårt universum. Studiet av sådana föremål är svårt, det är inte möjligt att prova dem "av erfarenhet". Massan, densiteten av substansen i ett svart hål, processerna för bildning av detta objekt, dimensioner - allt detta väcker intresse bland specialister och ibland - förvirring. Låt oss överväga ämnet mer detaljerat. Låt oss först analysera vad ett sådant objekt är.
Allmän information
En fantastisk egenskap hos ett kosmiskt objekt är kombinationen av en liten radie, en hög densitet av svart hålsmaterial och en otroligt stor massa. Alla för närvarande kända fysiska egenskaper hos ett sådant föremål verkar konstiga för forskare, ofta oförklarliga. Även de mest erfarna astrofysikerna är fortfarande förvånade över särdragen hos sådana fenomen. Huvudfunktionen som gör det möjligt för forskare att identifiera ett svart hål är händelsehorisonten, det vill säga gränsen på grund av vilkeningenting kommer tillbaka, inklusive ljuset. Om en zon är permanent separerad, betecknas separationsgränsen som händelsehorisonten. Med tillfällig separation är närvaron av en synlig horisont fixerad. Ibland är temporal ett mycket löst koncept, det vill säga regionen kan separeras under en period som överstiger universums nuvarande ålder. Om det finns en synlig horisont som finns under lång tid är det svårt att skilja den från händelsehorisonten.
På många sätt beror egenskaperna hos ett svart hål, tätheten hos det ämne som bildar det, på andra fysiska egenskaper som verkar i våra världslagar. Händelsehorisonten för ett sfäriskt symmetriskt svart hål är en sfär vars diameter bestäms av dess massa. Ju mer massa som dras inåt, desto större hål. Och ändå förblir den förvånansvärt liten mot bakgrund av stjärnor, eftersom gravitationstrycket komprimerar allt inuti. Om vi föreställer oss ett hål vars massa motsvarar vår planet, kommer radien för ett sådant föremål inte att överstiga några millimeter, det vill säga det kommer att vara tio miljarder mindre än jorden. Radien fick sitt namn efter Schwarzschild, vetenskapsmannen som först härledde svarta hål som en lösning på Einsteins allmänna relativitetsteori.
Och inuti?
Efter att ha hamnat i ett sådant föremål är det osannolikt att en person kommer att märka en enorm täthet på sig själv. Egenskaperna hos ett svart hål är inte väl förstått för att vara säkra på vad som kommer att hända, men forskare tror att inget speciellt kan avslöjas när man korsar horisonten. Detta förklaras av motsvarande Einsteinianprincip som förklarar varför fältet som bildar horisontens krökning och accelerationen som är inneboende i planet inte skiljer sig åt för betraktaren. När du spårar korsningsprocessen på avstånd kan du se att objektet börjar sakta ner nära horisonten, som om tiden går långsamt på denna plats. Efter en tid kommer objektet att korsa horisonten, falla in i Schwarzschild-radien.
Materiadensiteten i ett svart hål, ett föremåls massa, dess dimensioner och tidvattenkrafter och gravitationsfältet är nära besläktade. Ju större radie, desto lägre densitet. Radien ökar med vikten. Tidvattenkrafterna är omvänt proportionella mot den kvadratiska vikten, det vill säga när dimensionerna ökar och densiteten minskar, minskar tidvattenkrafterna för objektet. Det kommer att vara möjligt att övervinna horisonten innan du märker detta faktum om föremålets massa är mycket stor. I den allmänna relativitetsteoriens första dagar trodde man att det fanns en singularitet vid horisonten, men så visade sig inte vara fallet.
About Density
Som studier har visat kan tätheten hos ett svart hål, beroende på massan, vara mer eller mindre. För olika objekt varierar denna indikator, men minskar alltid med ökande radie. Supermassiva hål kan uppstå, som bildas på ett omfattande sätt på grund av ansamling av material. I genomsnitt är densiteten för sådana föremål, vars massa motsvarar den totala massan av flera miljarder armaturer i vårt system, mindre än vattentätheten. Ibland är det jämförbart med nivån av gasdensitet. Tidvattenkraften för detta objekt aktiveras redan efter att observatören korsar horisontenevenemang. Den hypotetiska utforskaren skulle inte skadas när han närmade sig horisonten och skulle falla många tusen kilometer om han hittade skydd från skivplasman. Om betraktaren inte ser tillbaka kommer han inte att märka att horisonten har korsat, och om han vänder på huvudet kommer han förmodligen att se ljusstrålar frusna vid horisonten. Tiden för observatören kommer att flyta mycket långsamt, han kommer att kunna spåra händelser nära hålet fram till dödsögonblicket - antingen hon eller universum.
För att bestämma tätheten av ett supermassivt svart hål måste du veta dess massa. Hitta värdet av denna kvantitet och Schwarzschild-volymen som är inneboende i rymdobjektet. I genomsnitt är en sådan indikator, enligt astrofysiker, exceptionellt liten. I en imponerande andel av fallen är det mindre än nivån på lufttätheten. Fenomenet förklaras enligt följande. Schwarzschild-radien är direkt relaterad till vikten, medan densiteten är omvänt relaterad till volymen, och därmed Schwarzschild-radien. Volymen är direkt relaterad till den kuberade radien. Massan ökar linjärt. Följaktligen växer volymen snabbare än vikten, och den genomsnittliga densiteten blir mindre, ju större radien är för föremålet som studeras.
Nyfiken att veta
Tidvattenkraften som finns i ett hål är en gradient av tyngdkraften, som är ganska stor vid horisonten, så inte ens fotoner kan fly härifrån. Samtidigt sker ökningen av parametern ganska smidigt, vilket gör det möjligt för observatören att övervinna horisonten utan risk för sig själv.
Studier av tätheten av ett svart hål iföremålets mitt är fortfarande relativt begränsat. Astrofysiker har fastställt att ju närmare den centrala singulariteten är, desto högre är densitetsnivån. Beräkningsmekanismen som nämndes tidigare gör att du kan få en mycket genomsnittlig uppfattning om vad som händer.
Forskare har extremt begränsade idéer om vad som händer i hålet, dess struktur. Enligt astrofysiker är täthetsfördelningen i ett hål inte särskilt signifikant för en utomstående observatör, åtminstone på nuvarande nivå. Mycket mer informativ specifikation av gravitation, vikt. Ju större massa, desto starkare är centrum, horisonten, separerade från varandra. Det finns också sådana antaganden: strax bortom horisonten saknas materia i princip, den kan bara upptäckas i objektets djup.
Är några siffror kända?
Forskare har länge funderat på tätheten hos ett svart hål. Vissa studier gjordes, försök gjordes att beräkna. Här är en av dem.
Solmassan är 210^30 kg. Ett hål kan bildas på platsen för ett föremål som är flera gånger större än solen. Densiteten för det lättaste hålet uppskattas till i genomsnitt 10^18 kg/m3. Detta är en storleksordning högre än densiteten hos en atoms kärna. Ungefär samma skillnad från den genomsnittliga densitetsnivån som är karakteristisk för en neutronstjärna.
Förekomsten av ultralätta hål är möjlig, vars dimensioner motsvarar subnukleära partiklar. För sådana objekt kommer densitetsindexet att vara oöverkomligt stort.
Om vår planet blir ett hål kommer dess densitet att vara ungefär 210^30 kg/m3. Det har dock inte forskarna kunnatavslöja de processer som ett resultat av vilka vårt rymdhus kan förvandlas till ett svart hål.
Om siffrorna mer detaljerat
Tätheten för det svarta hålet i mitten av Vintergatan uppskattas till 1,1 miljoner kg/m3. Massan av detta objekt motsvarar 4 miljoner solmassor. Hålets radie uppskattas till 12 miljoner km. Den angivna tätheten för det svarta hålet i mitten av Vintergatan ger en uppfattning om de fysiska parametrarna för supermassiva hål.
Om vikten av något föremål är 10^38 kg, det vill säga den uppskattas till cirka 100 miljoner solar, så kommer tätheten hos ett astronomiskt objekt att motsvara densitetsnivån för granit som finns på vår planet.
Bland alla hål kända för moderna astrofysiker, hittades ett av de tyngsta hålen i kvasaren OJ 287. Dess vikt motsvarar 18 miljarder armaturer i vårt system. Vad är tätheten av ett svart hål, har forskare beräknat utan större svårighet. Värdet visade sig vara försvinnande litet. Den är bara 60 g/m3. Som jämförelse: den atmosfäriska luften på vår planet har en densitet på 1,29 mg/m3.
Var kommer hålen ifrån?
Forskare utförde inte bara forskning för att bestämma tätheten av ett svart hål i jämförelse med stjärnan i vårt system eller andra kosmiska kroppar, utan försökte också bestämma var hål kommer ifrån, vilka är mekanismerna för bildandet av sådana mystiska föremål. Nu finns det en idé om fyra sätt för uppkomsten av hål. Det mest förståeliga alternativet är kollapsen av en stjärna. När den blir stor slutförs syntesen i kärnan,trycket försvinner, materien faller till tyngdpunkten, så ett hål uppstår. När du närmar dig centrum ökar densiteten. Förr eller senare blir indikatorn så signifikant att externa föremål inte kan övervinna gravitationens effekter. Från och med denna tidpunkt uppstår ett nytt hål. Denna typ är vanligare än andra och kallas solmasshål.
En annan ganska vanlig typ av hål är ett supermassivt. Dessa observeras oftare i galaktiska centra. Objektets massa i jämförelse med solmasshålet som beskrivs ovan är miljarder gånger större. Forskare har ännu inte etablerat processerna för manifestation av sådana föremål. Det antas att ett hål först bildas enligt mekanismen som beskrivs ovan, sedan absorberas närliggande stjärnor, vilket leder till tillväxt. Detta är möjligt om zonen i galaxen är tätbefolkad. Absorption av materia sker snabbare än vad schemat ovan kan förklara, och forskare kan ännu inte gissa hur absorptionen fortskrider.
Antaganden och idéer
Ett mycket svårt ämne för astrofysiker är primordiala hål. Sådana framgår förmodligen av vilken massa som helst. De kan bildas i stora fluktuationer. Förmodligen skedde uppkomsten av sådana hål i det tidiga universum. Hittills tillåter studier som ägnas åt kvaliteterna, egenskaperna (inklusive densiteten) hos svarta hål, processerna för deras utseende oss inte att bestämma en modell som exakt återger processen för utseendet av ett primärt hål. De modeller som för närvarande är kända är övervägande sådana att, om de implementerades i verkligheten,det skulle bli för många hål.
Anta att Large Hadron Collider kan bli en källa till bildandet av ett hål, vars massa motsvarar Higgs-bosonen. Följaktligen kommer det svarta hålets täthet att vara mycket stor. Om en sådan teori bekräftas kan den betraktas som indirekta bevis för förekomsten av extra dimensioner. För närvarande har denna spekulativa slutsats ännu inte bekräftats.
Strålning från ett hål
Emissionen av ett hål förklaras av materias kvanteffekter. Utrymmet är dynamiskt, så partiklarna här är helt annorlunda än vad vi är vana vid. Nära hålet är inte bara tiden förvrängd; förståelsen av en partikel beror till stor del på vem som observerar den. Om någon faller i ett hål verkar det för honom som att han kastar sig in i ett vakuum, och för en avlägsen observatör ser det ut som en zon fylld med partiklar. Effekten förklaras av sträckningen av tid och rum. Strålningen från hålet identifierades först av Hawking, vars namn gavs till fenomenet. Strålning har en temperatur som är omvänt relaterad till massan. Ju lägre vikt ett astronomiskt objekt har, desto högre temperatur (liksom tätheten av ett svart hål). Om hålet är supermassivt eller har en massa jämförbar med en stjärna, kommer den inneboende temperaturen för dess strålning att vara lägre än mikrovågsbakgrunden. På grund av detta är det inte möjligt att observera henne.
Denna strålning förklarar dataförlusten. Detta är namnet på ett termiskt fenomen, som har en distinkt kvalitet - temperatur. Det finns ingen information om processerna för hålbildning genom studien, men ett föremål som avger sådan strålning förlorar samtidigt massa (och växer därfördet svarta hålets densitet) reduceras. Processen bestäms inte av ämnet från vilket hålet bildas, beror inte på vad som sögs in i det senare. Forskare kan inte säga vad som blev hålets bas. Dessutom har studier visat att strålning är en irreversibel process, det vill säga en som helt enkelt inte kan existera inom kvantmekaniken. Detta gör att strålning inte kan förenas med kvantteorin, och inkonsekvensen kräver ytterligare arbete i denna riktning. Även om forskare tror att Hawking-strålning bör innehålla information, har vi bara inte resurserna eller kapaciteten att upptäcka den.
Nyfiken: om neutronstjärnor
Om det finns en superjätte betyder det inte att en sådan astronomisk kropp är evig. Med tiden förändras det, kasserar de yttre lagren. Vita dvärgar kan dyka upp från resterna. Det andra alternativet är neutronstjärnor. Specifika processer bestäms av den primära kroppens kärnmassa. Om det uppskattas inom 1,4-3 sol, så åtföljs förstörelsen av superjätten av mycket högt tryck, på grund av vilket elektronerna så att säga pressas in i protonerna. Detta leder till bildandet av neutroner, utsläpp av neutriner. I fysiken kallas detta en neutrondegenererad gas. Dess tryck är sådant att stjärnan inte kan dra ihop sig ytterligare.
Men som studier har visat, uppträdde förmodligen inte alla neutronstjärnor på detta sätt. Några av dem är resterna av stora som exploderade som en andra supernova.
Tom kroppsradiemindre än mer massa. För de flesta varierar det mellan 10-100 km. Studier utfördes för att bestämma tätheten av svarta hål, neutronstjärnor. För det andra, som tester har visat, ligger parametern relativt nära den atomära. Specifika siffror fastställda av astrofysiker: 10^10 g/cm3.
Nyfiken att veta: teori och praktik
Neutronstjärnor förutspåddes i teorin på 60- och 70-talen av förra seklet. Pulsarer var de första som upptäcktes. Dessa är små stjärnor, vars rotationshastighet är mycket hög, och magnetfältet är verkligen grandiöst. Det antas att pulsaren ärver dessa parametrar från den ursprungliga stjärnan. Rotationsperioden varierar från millisekunder till flera sekunder. De första kända pulsarerna sände ut periodisk radioemission. Idag är pulsarer med röntgenspektrumstrålning, gammastrålning kända.
Den beskrivna processen för bildning av neutronstjärnor kan fortsätta - det finns inget som kan stoppa det. Om kärnmassan är mer än tre solmassor, så är den punktvisa kroppen mycket kompakt, den kallas hål. Det kommer inte att vara möjligt att bestämma egenskaperna hos ett svart hål med en massa större än den kritiska. Om en del av massan går förlorad på grund av Hawking-strålning kommer radien samtidigt att minska, så viktvärdet blir återigen mindre än det kritiska värdet för detta objekt.
Kan ett hål dö?
Forskare lägger fram antaganden om existensen av processer som beror på deltagandet av partiklar och antipartiklar. Elementens fluktuation kan göra att tomrummet karakteriserasnoll energinivå, som (här är en paradox!) inte kommer att vara lika med noll. Samtidigt kommer händelsehorisonten som är inneboende i kroppen att få ett lågenergispektrum som är inneboende i den absoluta svarta kroppen. Sådan strålning kommer att orsaka massförlust. Horisonten kommer att krympa något. Antag att det finns två par av en partikel och dess antagonist. Det finns en förintelse av en partikel från ett par och dess antagonist från ett annat. Som en konsekvens finns det fotoner som flyger ut ur hålet. Det andra paret av föreslagna partiklar faller in i hålet och absorberar samtidigt en viss mängd massa, energi. Gradvis leder detta till att det svarta hålet dör.
Som slutsats
Enligt vissa är ett svart hål en slags kosmisk dammsugare. Ett hål kan svälja en stjärna, det kan till och med "äta" en galax. På många sätt kan förklaringen av egenskaperna hos ett hål, såväl som egenskaperna för dess bildande, hittas i relativitetsteorin. Det är känt från det att tiden är kontinuerlig, liksom rummet. Detta förklarar varför komprimeringsprocesser inte kan stoppas, de är obegränsade och obegränsade.
Det här är dessa mystiska svarta hål, över vilka astrofysiker har arbetat med sina hjärnor i mer än ett decennium.
