Žijeme v čiernej diere? Štruktúra a život vesmíru Vesmír sa nachádza v čiernej diere.
S. TRANKOVSKÝ
Medzi najdôležitejšie a najzaujímavejšie problémy modernej fyziky a astrofyziky pomenoval akademik V.L. Ginzburg problémy súvisiace s čiernymi dierami (pozri „Veda a život“ č. 11, 12, 1999). Existencia týchto zvláštnych objektov bola predpovedaná už pred viac ako dvesto rokmi, podmienky vedúce k ich vzniku boli presne vypočítané koncom 30. rokov 20. storočia a astrofyzika sa nimi začala vážne zaoberať pred necelými štyridsiatimi rokmi. Dnes vedecké časopisy po celom svete každoročne publikujú tisíce článkov o čiernych dierach.
K vzniku čiernej diery môže dôjsť tromi spôsobmi.
Takto je zvykom zobrazovať procesy prebiehajúce v blízkosti kolabujúcej čiernej diery. V priebehu času (Y) sa priestor (X) okolo neho (zatienená oblasť) zmenšuje a rúti sa smerom k singularite.
Gravitačné pole čiernej diery spôsobuje vážne deformácie geometrie priestoru.
Čierna diera, neviditeľná cez ďalekohľad, sa odhaľuje iba svojim gravitačným vplyvom.
V silnom gravitačnom poli čiernej diery sa rodia páry častica-antičastice.
Zrodenie páru častica-antičastica v laboratóriu.
AKO VZNIKAJÚ
Svetelné nebeské teleso, ktoré má hustotu rovnajúcu sa hustote Zeme a priemer dvestopäťdesiatkrát väčší ako priemer Slnka, v dôsledku gravitačnej sily nedovolí svojmu svetlu, aby sa k nám dostalo. Je teda možné, že najväčšie svietiace telesá vo vesmíre zostanú neviditeľné práve pre svoju veľkosť.
Pierre Simon Laplace.
Expozícia svetového systému. 1796
V roku 1783 anglický matematik John Mitchell a o trinásť rokov neskôr nezávisle od neho francúzsky astronóm a matematik Pierre Simon Laplace vykonali veľmi zvláštnu štúdiu. Pozreli sa na podmienky, za ktorých by svetlo nemohlo uniknúť hviezde.
Logika vedcov bola jednoduchá. Pre akýkoľvek astronomický objekt (planétu alebo hviezdu) je možné vypočítať takzvanú únikovú rýchlosť, alebo druhú kozmickú rýchlosť, ktorá umožňuje akémukoľvek telesu alebo častici ho navždy opustiť. A vo fyzike tej doby kraľovala Newtonova teória, podľa ktorej je svetlo tokom častíc (teória elektromagnetických vĺn a kvánt bola ešte takmer stopäťdesiat rokov vzdialená). Únikovú rýchlosť častíc možno vypočítať na základe rovnosti potenciálnej energie na povrchu planéty a kinetickej energie telesa, ktoré „utieklo“ do nekonečne veľkej vzdialenosti. Táto rýchlosť je určená vzorcom #1#
Kde M- hmotnosť vesmírneho objektu, R- jeho polomer, G- gravitačná konštanta.
Z toho môžeme ľahko získať polomer telesa danej hmotnosti (neskôr nazývaný „gravitačný polomer“ r g"), pri ktorej sa úniková rýchlosť rovná rýchlosti svetla:
To znamená, že hviezda stlačená do gule s polomerom r g< 2GM/c 2 prestane vyžarovať - svetlo ho nebude môcť opustiť. Vo vesmíre sa objaví čierna diera.
Je ľahké vypočítať, že Slnko (jeho hmotnosť je 2,1033 g) sa zmení na čiernu dieru, ak sa zmrští na polomer približne 3 kilometre. Hustota jeho látky dosiahne 10 16 g/cm 3 . Polomer Zeme, stlačený do čiernej diery, by sa zmenšil asi na jeden centimeter.
Zdalo sa neuveriteľné, že v prírode môžu existovať sily schopné stlačiť hviezdu na takú nepatrnú veľkosť. Preto boli závery z diel Mitchella a Laplacea viac ako sto rokov považované za niečo ako matematický paradox, ktorý nemal žiadny fyzikálny význam.
Dôkladný matematický dôkaz, že takýto exotický objekt vo vesmíre bol možný, bol získaný až v roku 1916. Nemecký astronóm Karl Schwarzschild po analýze rovníc všeobecnej teórie relativity Alberta Einsteina dospel k zaujímavému výsledku. Po štúdiu pohybu častice v gravitačnom poli masívneho telesa dospel k záveru: rovnica stráca svoj fyzikálny význam (jej riešenie sa zmení na nekonečno), keď r= 0 a r = r g.
Body, v ktorých vlastnosti poľa strácajú zmysel, sa nazývajú singulárne, teda špeciálne. Singularita v nulovom bode odráža bodovú, alebo, čo je to isté, centrálne symetrickú štruktúru poľa (veď každé guľové teleso - hviezda alebo planéta - môže byť reprezentované ako hmotný bod). A body umiestnené na guľovej ploche s polomerom r g, tvoria samotný povrch, z ktorého sa úniková rýchlosť rovná rýchlosti svetla. Vo všeobecnej teórii relativity sa nazýva Schwarzschildova singulárna guľa alebo horizont udalostí (prečo sa ukáže neskôr).
Už na základe príkladu nám známych objektov – Zeme a Slnka – je jasné, že čierne diery sú veľmi zvláštne objekty. Dokonca aj astronómovia, ktorí sa zaoberajú hmotou pri extrémnych hodnotách teploty, hustoty a tlaku, ich považujú za veľmi exotické a až donedávna nie každý veril v ich existenciu. Prvé náznaky možnosti vzniku čiernych dier však obsahovala už všeobecná teória relativity A. Einsteina, ktorá vznikla v roku 1915. Anglický astronóm Arthur Eddington, jeden z prvých interpretov a popularizátorov teórie relativity, odvodil v 30. rokoch sústavu rovníc popisujúcich vnútornú štruktúru hviezd. Vyplýva z nich, že hviezda je v rovnováhe pod vplyvom opačne smerujúcich gravitačných síl a vnútorného tlaku, ktorý vzniká pohybom horúcich častíc plazmy vo vnútri hviezdy a tlakom žiarenia vznikajúceho v jej hĺbkach. To znamená, že hviezda je plynová guľa, v strede ktorej je vysoká teplota, ktorá smerom k periférii postupne klesá. Z rovníc predovšetkým vyplynulo, že povrchová teplota Slnka bola asi 5500 stupňov (čo celkom zodpovedalo údajom astronomických meraní) a v jeho strede by mala byť asi 10 miliónov stupňov. To umožnilo Eddingtonovi urobiť prorocký záver: pri tejto teplote sa „zapáli“ termonukleárna reakcia, dostatočná na zabezpečenie žiary Slnka. Vtedajší atómoví fyzici s tým nesúhlasili. Zdalo sa im, že v hĺbke hviezdy je príliš „chlad“: teplota tam nestačila na to, aby reakcia „prešla“. Na to rozzúrený teoretik odpovedal: "Hľadajte teplejšie miesto!"
A nakoniec sa ukázalo, že mal pravdu: v strede hviezdy skutočne prebieha termonukleárna reakcia (iná vec je, že takzvaný „štandardný solárny model“, založený na predstavách o termonukleárnej fúzii, sa zjavne ukázal ako byť nesprávny – pozri napríklad „Veda a život“ č. 2, 3, 2000). Ale napriek tomu reakcia v strede hviezdy prebieha, hviezda svieti a vznikajúce žiarenie ju udržuje v stabilnom stave. Ale jadrové „palivo“ vo hviezde vyhorí. Uvoľňovanie energie sa zastaví, žiarenie zhasne a sila obmedzujúca gravitačnú príťažlivosť zmizne. Existuje limit hmotnosti hviezdy, po ktorom sa hviezda začne nenávratne zmenšovať. Výpočty ukazujú, že k tomu dôjde, ak hmotnosť hviezdy presiahne dve až tri hmotnosti Slnka.
GRAVITAČNÝ KOLAPS
Spočiatku je rýchlosť kontrakcie hviezdy malá, ale jej rýchlosť sa neustále zvyšuje, pretože sila gravitácie je nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti. Stlačenie sa stáva nezvratným, neexistujú žiadne sily schopné pôsobiť proti vlastnej gravitácii. Tento proces sa nazýva gravitačný kolaps. Rýchlosť pohybu obalu hviezdy smerom k jej stredu sa zvyšuje a blíži sa k rýchlosti svetla. A tu začínajú hrať rolu účinky teórie relativity.
Úniková rýchlosť bola vypočítaná na základe newtonovských predstáv o povahe svetla. Z hľadiska všeobecnej relativity sa javy v okolí kolabujúcej hviezdy vyskytujú trochu inak. V jeho mohutnom gravitačnom poli dochádza k takzvanému gravitačnému červenému posunu. To znamená, že frekvencia žiarenia prichádzajúceho z masívneho objektu je posunutá smerom k nižším frekvenciám. V limite, na hranici Schwarzschildovej gule, sa frekvencia žiarenia stáva nulovou. To znamená, že pozorovateľ, ktorý sa nachádza mimo nej, nebude môcť zistiť nič o tom, čo sa deje vo vnútri. Preto sa Schwarzschildova sféra nazýva horizont udalostí.
Ale zníženie frekvencie sa rovná spomaleniu času a keď sa frekvencia zníži na nulu, čas sa zastaví. To znamená, že vonkajší pozorovateľ uvidí veľmi zvláštny obraz: škrupina hviezdy, ktorá padá so zvyšujúcim sa zrýchlením, sa zastaví namiesto dosiahnutia rýchlosti svetla. Z jeho pohľadu sa kompresia zastaví, akonáhle sa veľkosť hviezdy priblíži gravitácii
usu. Nikdy neuvidí ani jednu časticu „potápať sa“ pod Schwarzschielovou guľou. Ale pre hypotetického pozorovateľa padajúceho do čiernej diery bude všetko v priebehu chvíľ na jeho hodinkách ukončené. Čas gravitačného kolapsu hviezdy s veľkosťou Slnka bude teda 29 minút a oveľa hustejšej a kompaktnejšej neutrónovej hviezde to bude trvať len 1/20 000 sekundy. A tu čelí problémom spojeným s geometriou časopriestoru v blízkosti čiernej diery.
Pozorovateľ sa ocitá v zakrivenom priestore. V blízkosti gravitačného polomeru sú gravitačné sily nekonečne veľké; natiahnu raketu s astronautom-pozorovateľom do nekonečne tenkého vlákna nekonečnej dĺžky. Ale on sám si to nevšimne: všetky jeho deformácie budú zodpovedať skresleniam súradníc časopriestoru. Tieto úvahy sa samozrejme vzťahujú na ideálny, hypotetický prípad. Akékoľvek skutočné telo bude roztrhané slapovými silami dlho predtým, než sa priblíži k Schwarzschildovej sfére.
ROZMERY ČIERNYCH DIER
Veľkosť čiernej diery, presnejšie polomer Schwarzschildovej gule, je úmerný hmotnosti hviezdy. A keďže astrofyzika nekladie žiadne obmedzenia na veľkosť hviezdy, čierna diera môže byť ľubovoľne veľká. Ak by napríklad vznikla pri kolapse hviezdy s hmotnosťou 10 8 hmotností Slnka (alebo v dôsledku splynutia státisícov, ba až miliónov relatívne malých hviezd), jej polomer bude asi 300 miliónov kilometrov, dvojnásobok obehu Zeme. A priemerná hustota látky takého obra je blízka hustote vody.
Podľa všetkého ide o tie druhy čiernych dier, ktoré sa nachádzajú v centrách galaxií. V každom prípade astronómovia dnes napočítajú asi päťdesiat galaxií, v strede ktorých sa podľa nepriamych dôkazov (diskutovaných nižšie) nachádzajú čierne diery s hmotnosťou asi miliardy (10 9) Slnka. Naša Galaxia má tiež zjavne svoju čiernu dieru; Jeho hmotnosť bola odhadnutá pomerne presne - 2,4. 10 6 ±10 % hmotnosti Slnka.
Teória naznačuje, že spolu s takýmito supergiantmi by sa mali objaviť aj čierne minidiery s hmotnosťou asi 10 14 g a polomerom asi 10 -12 cm (veľkosť atómového jadra). Mohli sa objaviť v prvých momentoch existencie Vesmíru ako prejav veľmi silnej nehomogenity časopriestoru s kolosálnou hustotou energie. Dnes si výskumníci uvedomujú podmienky, ktoré v tom čase existovali vo vesmíre na silných zrážačoch (urýchľovačoch využívajúcich zrážkové lúče). Experimenty v CERN začiatkom tohto roka vyprodukovali kvark-gluónovú plazmu, hmotu, ktorá existovala pred objavením sa elementárnych častíc. Výskum tohto stavu hmoty pokračuje v Brookhavene, americkom urýchľovacom centre. Je schopný urýchliť častice na energie o jeden a pol až dva rády vyššie ako urýchľovač v
CERN. Nadchádzajúci experiment vyvolal vážne obavy: vytvorí mini-čiernu dieru, ktorá ohne náš priestor a zničí Zem?
Tento strach zarezonoval tak silno, že vláda USA bola nútená zvolať autoritatívnu komisiu, aby preskúmala túto možnosť. Komisia pozostávajúca z významných výskumníkov dospela k záveru: energia urýchľovača je príliš nízka na to, aby vznikla čierna diera (tento experiment je popísaný v časopise Science and Life, č. 3, 2000).
AKO VIDIEŤ NEVIDITEĽNÉ
Čierne diery nevyžarujú nič, dokonca ani svetlo. Astronómovia sa ich však naučili vidieť, alebo skôr nájsť „kandidátov“ na túto úlohu. Existujú tri spôsoby, ako odhaliť čiernu dieru.
1. Je potrebné sledovať rotáciu hviezd v zhlukoch okolo určitého ťažiska. Ak sa ukáže, že v tomto strede nič nie je a zdá sa, že hviezdy sa točia okolo prázdneho priestoru, môžeme celkom s istotou povedať: v tejto „prázdnote“ je čierna diera. Práve na tomto základe sa predpokladala prítomnosť čiernej diery v strede našej Galaxie a odhadla sa jej hmotnosť.
2. Čierna diera do seba aktívne nasáva hmotu z okolitého priestoru. Medzihviezdny prach, plyn a hmota z blízkych hviezd naň dopadajú v špirále a vytvárajú takzvaný akréčný disk, podobný prstencu Saturnu. (Práve toto je strašiak brookhavenského experimentu: mini-čierna diera, ktorá sa objavila v urýchľovači, začne nasávať Zem do seba a tento proces nebolo možné zastaviť žiadnou silou.) Pri približovaní sa k Schwarzschildovej sfére častice zažijú zrýchlenie a začnú vyžarovať v oblasti röntgenového žiarenia. Toto žiarenie má charakteristické spektrum podobné dobre preštudovanému žiareniu častíc urýchlených v synchrotróne. A ak takéto žiarenie pochádza z nejakej oblasti vesmíru, môžeme s istotou povedať, že tam musí byť čierna diera.
3. Pri splynutí dvoch čiernych dier vzniká gravitačné žiarenie. Vypočítalo sa, že ak hmotnosť každého z nich je približne desať hmôt Slnka, potom keď sa v priebehu niekoľkých hodín spoja, uvoľní sa energia zodpovedajúca 1 % ich celkovej hmotnosti vo forme gravitačných vĺn. To je tisíckrát viac ako svetlo, teplo a iná energia, ktorú Slnko vyžarovalo počas celej svojej existencie – päť miliárd rokov. Dúfajú, že sa im podarí odhaliť gravitačné žiarenie pomocou observatórií gravitačných vĺn LIGO a ďalších, ktoré sa teraz stavajú v Amerike a Európe za účasti ruských výskumníkov (pozri „Veda a život“ č. 5, 2000).
A predsa, hoci astronómovia nepochybujú o existencii čiernych dier, nikto sa neodváži kategoricky tvrdiť, že práve jedna z nich sa nachádza v danom bode vesmíru. Vedecká etika a bezúhonnosť výskumníka si vyžaduje jednoznačnú odpoveď na položenú otázku, ktorá netoleruje nezrovnalosti. Nestačí odhadnúť hmotnosť neviditeľného objektu, musíte zmerať jeho polomer a ukázať, že nepresahuje Schwarzschildov polomer. A dokonca ani v rámci našej Galaxie tento problém ešte nie je riešiteľný. Vedci preto prejavujú istú zdržanlivosť pri podávaní správ o svojom objave a vedecké časopisy sú doslova preplnené správami o teoretických prácach a pozorovaniach účinkov, ktoré môžu vniesť svetlo do ich záhady.
Čierne diery však majú ešte jednu vlastnosť, teoreticky predpovedanú, vďaka ktorej by bolo možné ich vidieť. Avšak pod jednou podmienkou: hmotnosť čiernej diery by mala byť oveľa menšia ako hmotnosť Slnka.
ČIERNA DIERA MÔŽE BYŤ AJ „BIELA“
Po dlhú dobu boli čierne diery považované za stelesnenie temnoty, objekty, ktoré vo vákuu pri absencii absorpcie hmoty nič nevyžarujú. Slávny anglický teoretik Stephen Hawking však v roku 1974 ukázal, že čiernym dieram možno priradiť teplotu, a preto by mali vyžarovať.
Podľa konceptov kvantovej mechaniky nie je vákuum prázdnota, ale akási „pena časopriestoru“, mišmaš virtuálnych (v našom svete nepozorovateľných) častíc. Fluktuácie kvantovej energie však môžu „vyhodiť“ pár častica-antičastica z vákua. Napríklad pri zrážke dvoch alebo troch gama kvánt sa ako z ničoho nič objaví elektrón a pozitrón. Tento a podobné javy boli opakovane pozorované v laboratóriách.
Práve kvantové fluktuácie určujú procesy žiarenia čiernych dier. Ak dvojica častíc s energiami E A -E(celková energia páru je nulová) sa vyskytuje v okolí Schwarzschildovej gule, ďalší osud častíc bude iný. Môžu zničiť takmer okamžite alebo ísť spolu pod horizont udalostí. V tomto prípade sa stav čiernej diery nezmení. Ale ak sa pod horizont dostane len jedna častica, pozorovateľ zaregistruje ďalšiu a bude sa mu zdať, že ju vytvorila čierna diera. Zároveň čierna diera, ktorá absorbovala časticu energiou -E, zníži vašu energiu a s energiou E- sa zvýši.
Hawking vypočítal rýchlosť, akou všetky tieto procesy prebiehajú, a dospel k záveru: pravdepodobnosť absorpcie častíc s negatívnou energiou je vyššia. To znamená, že čierna diera stráca energiu a hmotu – vyparuje sa. Navyše žiari ako úplne čierne teleso s teplotou T = 6 . 10 -8 M s / M kelvinov, kde M c - hmotnosť Slnka (2,10 33 g), M- hmotnosť čiernej diery. Tento jednoduchý vzťah ukazuje, že teplota čiernej diery s hmotnosťou šesťkrát väčšou ako Slnko sa rovná sto milióntine stupňa. Je jasné, že takto chladné teleso prakticky nič nevyžaruje a všetky vyššie uvedené úvahy zostávajú v platnosti. Miniotvory sú iná vec. Je ľahké vidieť, že pri hmotnosti 10 14 -10 30 gramov sú zohriate na desiatky tisíc stupňov a rozpálené do biela! Okamžite však treba poznamenať, že neexistujú žiadne rozpory s vlastnosťami čiernych dier: toto žiarenie je vyžarované vrstvou nad Schwarzschildovou sférou, a nie pod ňou.
Čierna diera, ktorá vyzerala ako večne zamrznutý objekt, teda skôr či neskôr zmizne a vyparí sa. Navyše, keď „schudne“, rýchlosť odparovania sa zvyšuje, ale stále to trvá extrémne dlho. Odhaduje sa, že miniotvory s hmotnosťou 10 14 gramov, ktoré sa objavili bezprostredne po Veľkom tresku pred 10-15 miliardami rokov, by sa do našej doby mali úplne vypariť. V poslednom štádiu života ich teplota dosahuje kolosálne hodnoty, takže produktom vyparovania musia byť častice s extrémne vysokou energiou. Možno sú to tie, ktoré vytvárajú rozsiahle vzdušné sprchy v zemskej atmosfére - EAS. V každom prípade je pôvod častíc anomálne vysokej energie ďalším dôležitým a zaujímavým problémom, ktorý môže úzko súvisieť s nemenej vzrušujúcimi otázkami fyziky čiernych dier.
Materiál pripravila redakcia InoSMI špeciálne pre sekciu RIA Science >>
Michael Finkel
Vráťme hodiny späť. Pred človekom, pred Zemou, pred zapálením Slnka, pred narodením galaxií, pred zažiarením svetla, nastal „veľký tresk“. Stalo sa to pred 13,8 miliardami rokov.
Supernovy zasiali priestor ťažkými prvkami v ranom vesmíreVedci pomocou japonského röntgenového vesmírneho teleskopu Suzaku skúmali distribúciu železa v zhluku galaxií Perseus, ktorý sa nachádza 250 miliónov svetelných rokov od nás.Ale čo sa stalo predtým? Mnoho fyzikov hovorí, že „predtým“ neexistovalo. Tvrdia, že čas sa začal počítať v momente „veľkého tresku“ a veria, že všetko, čo predtým existovalo, nie je zahrnuté do rozsahu vedy. Nikdy nepochopíme, aká bola realita pred Veľkým treskom, z čoho vznikla a prečo vznikol náš Vesmír. Takéto myšlienky presahujú ľudské chápanie.
Niektorí nekonvenční vedci však nesúhlasia. Títo fyzici teoretizujú, že chvíľu pred „veľkým treskom“ bola celá hmota a energia rodiaceho sa vesmíru zhustená do jedného neuveriteľne hustého, ale konečného zrna. Nazvime to zárodkom nového vesmíru.
Veria, že semienko bolo nepredstaviteľne malé, možno biliónkrát menšie ako akákoľvek častica, ktorú by mohli ľudia pozorovať. A predsa táto častica dala vzniknúť všetkým ostatným časticiam, nehovoriac o galaxiách, slnečnej sústave, planétach a ľuďoch.
Ak naozaj chcete niečo nazvať časticou Boha, potom je toto semeno ideálne pre toto meno.
Ako teda toto semienko vzniklo? Jeden nápad predložil pred niekoľkými rokmi Nikodem Poplawski, ktorý pôsobí na University of New Haven. Je to tak, že semeno nášho vesmíru bolo vykované v prvotnej peci, ktorou sa preň stala čierna diera.
Násobenie multivesmírov
Predtým, ako pôjdeme ďalej, je dôležité pochopiť, že za posledných dvadsať rokov mnohí teoretickí fyzici nadobudli presvedčenie, že náš vesmír nie je jediný. Môžeme byť súčasťou multivesmíru, ktorý predstavuje obrovské množstvo jednotlivých vesmírov, z ktorých každý je žiariacou guľou na skutočnej nočnej oblohe.
Veľa sa polemizuje o tom, ako je jeden vesmír prepojený s druhým a či vôbec takéto prepojenie existuje. Všetky tieto spory sú však čisto špekulatívne a pravda je nepreukázateľná. Ale jedna atraktívna myšlienka je, že semienko vesmíru je ako semienko rastliny. Toto je časť základnej hmoty, pevne stlačená a ukrytá vo vnútri ochranného obalu.
To presne vysvetľuje, čo sa deje vo vnútri čiernej diery. Čierne diery sú mŕtvoly obrovských hviezd. Keď sa takejto hviezde minie palivo, jej jadro sa zrúti. Gravitačná sila ťahá všetko k sebe neuveriteľnou a stále rastúcou silou. Teploty dosahujú 100 miliárd stupňov. Atómy sa rúcajú. Elektróny sú roztrhané na kusy. A potom sa táto hmota ešte viac stiahne.
V tomto bode sa hviezda zmení na čiernu dieru. To znamená, že jej príťažlivá sila je taká obrovská, že z nej nemôže uniknúť ani lúč svetla. Hranica medzi vnútrom a vonkajškom čiernej diery sa nazýva horizont udalostí. V strede takmer každej galaxie, vrátane našej vlastnej Mliečnej dráhy, vedci objavujú kolosálne čierne diery, niekoľko miliónov krát hmotnejšie ako naše Slnko.
Otázky bez dna
Ak použijete Einsteinovu teóriu na určenie toho, čo sa deje na dne čiernej diery, môžete vypočítať bod, ktorý je nekonečne hustý a nekonečne malý. Tento hypotetický koncept sa nazýva singularita. Ale v prírode nekonečno zvyčajne neexistuje. Problém spočíva v Einsteinových teóriách, ktoré poskytujú vynikajúce výpočty pre veľkú časť vesmíru, ale rozpadajú sa tvárou v tvár neuveriteľným silám, ako sú tie vo vnútri čiernej diery alebo tie, ktoré sú prítomné pri zrode vesmíru.
Fyzici ako Dr. Poplavsky hovoria, že hmota vo vnútri čiernej diery sa skutočne dostane do bodu, kedy ju už nemožno stlačiť. Toto „semienko“ je neskutočne maličké a váži až miliarda hviezd. Ale na rozdiel od singularity je celkom reálna.
Podľa Poplavského sa proces kompresie zastaví, pretože čierne diery rotujú. Otáčajú sa veľmi rýchlo, možno dosahujú rýchlosť svetla. A toto krútenie dáva stlačenému semenu neuveriteľnú axiálnu rotáciu. Semeno nie je len malé a ťažké; je tiež skrútený a stlačený, ako pružina toho čerta v tabatierke.
Vedci prvýkrát zmerali magnetické pole čiernej diery v strede GalaxieSupermasívna čierna diera Sgr A* sa nachádza v strede našej galaxie. Predtým astronómovia objavili rádiový pulzar PSR J1745-2900 v strede našej galaxie. Žiarenie z neho vychádzajúce použili na meranie sily magnetického poľa pri čiernej diere.Inými slovami, je celkom možné, že čierna diera je tunel, „jednosmerné dvere“ medzi dvoma vesmírmi, hovorí Poplavsky. To znamená, že ak spadnete do čiernej diery v strede Mliečnej dráhy, je dosť možné, že skončíte v inom vesmíre (no, ak nie vy, tak vaše telo rozdrvené na drobné čiastočky). Tento iný vesmír nie je v našom; diera je jednoducho spojovací článok, ako spoločný koreň, z ktorého vyrastajú dva osiky.
A čo my všetci v našom vlastnom vesmíre? Môžeme byť produktom iného, staršieho vesmíru. Nazvime to náš skutočný vesmír. Toto semeno, ktoré materský vesmír vytvoril vo vnútri čiernej diery, mohlo urobiť veľký skok pred 13,8 miliardami rokov, a hoci sa náš vesmír odvtedy rýchlo rozpína, stále môžeme byť za horizontom udalostí čiernej diery.
Čierna diera je vo fyzike definovaná ako oblasť v časopriestore, ktorej gravitačná príťažlivosť je taká silná, že ju nedokážu opustiť ani objekty pohybujúce sa rýchlosťou svetla, vrátane kvanta samotného svetla. Hranica tejto oblasti sa nazýva horizont udalostí a jej charakteristickou veľkosťou je gravitačný polomer, ktorý sa nazýva polomer Čierneho lesa. Čierne diery sú najzáhadnejšie objekty vo vesmíre. Za svoje nešťastné meno vďačia americkému astrofyzikovi Johnovi Wheelerovi. Bol to on, kto v populárnej prednáške „Náš vesmír: známy a neznámy“ v roku 1967 nazval tieto superhusté telesá dierami. Predtým sa takéto objekty nazývali „zrútené hviezdy“ alebo „zrútené hviezdy“. Pojem „čierna diera“ sa však zakorenil a je jednoducho nemožné ho zmeniť. Vo vesmíre existujú dva typy čiernych dier: 1 – supermasívne čierne diery, ktorých hmotnosť je miliónkrát väčšia ako hmotnosť Slnka (predpokladá sa, že takéto objekty sa nachádzajú v centrách galaxií); 2 – menej hmotné čierne diery, ktoré vznikajú v dôsledku stláčania obrích umierajúcich hviezd, ich hmotnosť je viac ako tri hmotnosti Slnka; Keď sa hviezda zmršťuje, hmota je čoraz hustejšia a v dôsledku toho sa gravitácia objektu zvyšuje do takej miery, že ju svetlo nedokáže prekonať. Žiarenie ani hmota nemôžu uniknúť čiernej diere. Čierne diery sú supersilné gravitátory.
Polomer, na ktorý sa hviezda musí zmenšiť, aby sa stala čiernou dierou, sa nazýva gravitačný polomer. Pre čierne diery vytvorené z hviezd je to len niekoľko desiatok kilometrov. V niektorých pároch dvojitých hviezd je jedna z nich neviditeľná v najvýkonnejšom ďalekohľade, ale hmotnosť neviditeľnej zložky v takomto gravitačnom systéme je extrémne veľká. S najväčšou pravdepodobnosťou sú takýmito objektmi buď neutrónové hviezdy alebo čierne diery. Niekedy neviditeľné zložky v takýchto pároch odizolujú materiál z normálnej hviezdy. V tomto prípade sa plyn oddelí od vonkajších vrstiev viditeľnej hviezdy a padá na neznáme miesto – do neviditeľnej čiernej diery. Pred pádom do otvoru však plyn vyžaruje elektromagnetické vlny veľmi rôznych dĺžok, vrátane veľmi krátkych röntgenových vĺn. Navyše v blízkosti neutrónovej hviezdy alebo čiernej diery sa plyn stáva veľmi horúcim a stáva sa zdrojom silného, vysokoenergetického elektromagnetického žiarenia v oblasti röntgenového a gama žiarenia. Takéto žiarenie neprechádza zemskou atmosférou, ale možno ho pozorovať pomocou vesmírnych teleskopov. Jedným z pravdepodobných kandidátov na čierne diery je silný zdroj röntgenového žiarenia v súhvezdí Labuť.
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. HREBENY
Skúsme prevrátiť hodiny. Pred vznikom života, pred objavením sa Zeme, pred zrodením Slnka a vytvorením galaxií, pred tým, ako začalo prúdiť svetlo, existovala a. A to bolo pred 13,8 miliardami rokov.
Ale čo bolo prvé? Mnohí fyzici tvrdia, že neexistuje „predtým“. Veria, že samotný čas začal v momente Veľkého tresku a všetko, čo prišlo predtým, sa nehodí do vedeckej sféry. Podľa tohto uhla pohľadu nikdy nepochopíme, aká bola realita pred Veľkým treskom, z akých zložiek sa sformovala a prečo z nej vznikol náš vesmír.
Sú však vedci, ktorým sú cudzie konvencie, a tí s nimi nesúhlasia. Títo ľudia budujú zložité teórie, že v prchavom okamihu pred Veľkým treskom bola všetka energia a hmota rodiaceho sa vesmíru stlačená do nereálne hustého, no dosť obmedzeného zrna. Môžete to nazvať „Semeno novej reality“.
Títo blázniví fyzici veria, že Semeno bolo nepredstaviteľne malé, pravdepodobne biliónkrát menšie ako akákoľvek elementárna častica, ktorú môže človek pozorovať. A predsa, práve toto zrno sa stalo impulzom pre vznik všetkého ostatného: iných častíc, galaxií, našej slnečnej sústavy a ľudí. Ak skutočne túžite nazvať niečo časticou Boha, potom je toto Semeno tým najlepším kandidátom na takéto meno.
Ako potom vzniklo toto Semeno? Myšlienka, ktorú predložil Nikodim Poplavsky z University of New Haven, uvádza, že semeno našej reality sa objavilo v prvotnej peci čiernej diery.
Reprodukcia multivesmírov
Predtým, než sa dostaneme hlbšie, stojí za to pochopiť, že v posledných rokoch mnohí záujemcovia o túto problematiku dospeli k záveru, že náš vesmír nie je ani zďaleka jedinečný. Môže to byť len malá časť obrovského multivesmíru, jedna zo svietiacich gúľ na skutočnej nočnej oblohe.
Nikto nevie, ako sú tieto vesmíry navzájom prepojené a či vôbec takéto spojenie existuje. A hoci spory vznikajúce v tejto veci sú špekulatívne a nepreukázateľné, stále existuje jedna zaujímavá myšlienka, že semeno každého vesmíru je veľmi podobné semenu rastliny. Malý kúsok vzácnej hmoty, kompaktne stlačený a ukrytý pod ochrannou škrupinou.
To veľmi presne vysvetľuje udalosti odohrávajúce sa vo vnútri Čiernej diery. Všetky čierne diery sú pozostatky obrovských hviezd, ktorým došlo palivo a zrútili sa vo svojom jadre. Keď gravitačné sily stlačia všetko s ohromujúcou a stále sa zvyšujúcou silou. Potom teplota stúpne na 100 miliárd stupňov, atómy sa rozpadajú a elektróny sa trhajú na kusy. A potom sa tento neporiadok ešte viac stiahne.
Teraz je hviezda Čierna diera. To znamená, že sila jeho príťažlivosti je taká obrovská, že z nej nemôže uniknúť ani lúč svetla. Hranica medzi vonkajšou a vnútornou časťou čiernej diery sa nazýva horizont udalostí. V strede takmer každej galaxie, našu Mliečnu dráhu nevynímajúc, môžete pri pozornom pohľade nájsť masívne čierne diery, ktoré sú miliónkrát väčšie ako naše Slnko.
Otázky bez dna
Pomocou Einsteinovej teórie na určenie toho, čo sa deje na dne Čiernej diery, určite narazíme na koncept singularity, podľa ktorého existuje nekonečne hustý a nekonečne malý bod. A to odporuje samotnej prírode, v ktorej akoby nekonečno neexistovalo... Problém spočíva v samotných Einsteinových vzorcoch, ktoré sú ideálne na výpočty týkajúce sa väčšiny časopriestoru, ale vôbec nefungujú v kvantovej škále neuveriteľných sily, ktoré vládnu zrodeniu vesmírov a žijú vo vnútri čiernych dier.
Teoretickí fyzici ako Dr. Poplavsky tvrdia, že hmota v čiernej diere dosiahne bod, kedy ju už nie je možné stlačiť. Toto malé semeno váži toľko ako miliarda hviezd, ale na rozdiel od singularity je stále celkom skutočné.
Poplavsky verí, že stláčanie sa zastaví, pretože čierne diery sa točia veľmi rýchlo a možno pri tejto rotácii dosiahnu rýchlosť svetla. A tento malý a ťažký Seed, ktorý má neskutočnú axiálnu torziu, stlačený a skrútený, sa dá prirovnať k pružine typu jack-in-the-box. Zrazu môže toto semeno vyklíčiť a urobiť to s mocným treskom. Takéto prípady sa nazývajú Veľký tresk alebo, ako to radšej hovorí Poplavsky, Veľký odraz.
Inými slovami, môže sa ukázať, že Čierna diera je tunel medzi dvoma vesmírmi a jedným smerom. Čo zase znamená, že ak spadnete do Čiernej diery, okamžite sa ocitnete v inom vesmíre (presnejšie v tom, čo z vás zostalo). Ten druhý vesmír nesúvisí s naším; diera je len spojovací článok, ako spoločný koreň, z ktorého vyrastajú dva stromy.
Takže čo my všetci v našom domovskom vesmíre? Možno sme deti iného, starodávnejšieho prvotného vesmíru. Semeno vytvorené vo vnútri Čiernej diery materským vesmírom mohlo vykonať Veľký odraz pred 13,8 miliardami rokov, a aj keď sa náš vesmír odvtedy stále rýchlo rozpína, stále môžeme existovať za horizontom udalostí tejto Čiernej diery.
Nový model vesmíru nám umožňuje zaobísť sa bez kvantovej singularity a kozmologickej inflácie.
Hlavná otázka kozmológie sa dá formulovať doslovne tromi slovami: odkiaľ sa vzal vesmír? Na štandardnú odpoveď stačia dve: z kvantovej singularity. Tak sa nazýva zvláštny stav hmoty, kde nie je priestor ani čas a neplatia známe fyzikálne zákony. Všeobecne sa uznáva, že sa ukázalo, že je nestabilný a viedol k vzniku trojrozmerného priestoru naplneného kvantovými poľami a nimi generovanými časticami. Tento výstup zo singularity sa nazýva Veľký tresk a považuje sa za začiatok veku vesmíru.
Nikto v skutočnosti nevie, čo je táto singularita. Ak „prehráme“ kozmologické rovnice späť v čase do nulového bodu, hustota energie a teplota sa dostanú do nekonečna a stratia svoj fyzikálny význam. Singularita sa zvyčajne opisuje ako chaotická kvantová fluktuácia vo vákuu, ktorá umožnila gravitáciu a iné fyzikálne polia. Teoretici vynaložili veľa úsilia na to, aby sa pokúsili presne pochopiť, ako by sa to mohlo stať, no zatiaľ bez väčšieho úspechu.
Nie výbuch, ale kolaps
Niektoré kozmologické modely sú úplne bez singularity, ale sú v menšine. Nedávno však traja kanadskí vedci prišli s veľmi zaujímavým modelom Veľkého tresku, ktorý nevyžaduje hypotézu kvantového chaosu. Profesor fyziky a astronómie z University of Waterloo Robert Mann a jeho kolegovia pripúšťajú, že náš vesmír sa mohol objaviť ako vedľajší produkt gravitačnej kontrakcie kozmickej hmoty, ktorá sa skončila zrodom čiernej diery. Ich kľúčovou myšlienkou je, že táto hmota existovala v priestore s nie tromi, ale štyrmi dimenziami. Novorodenecká diera, opäť štvorrozmerná, sa obklopila trojrozmernou škrupinou, ktorá sa stala zárodkom vesmíru. Zo štvorrozmernosti svojej matky si požičala nielen gravitáciu, ale aj iné polia a častice, ktoré nadobudli nezávislý trojrozmerný život. Náš svet teda nevznikol z Veľkého tresku, ale z jeho opaku, Veľkého kolapsu!
Odkiaľ sa vzala táto škrupina? „Obyčajnú“ čiernu dieru obklopuje uzavretý dvojrozmerný povrch, horizont udalostí. Častica, ktorá spadne do horizontu, sa už nebude môcť vrátiť a ani fotóny spod horizontu neprekonajú túto nepreniknuteľnú bariéru. Ak je diera nehybná, horizont je sférický, ale v prípade rotujúcich otvorov je táto guľa na póloch sploštená. Keďže horizont má nulovú hrúbku, prirodzene sa v ňom nenachádza žiadna hmota. Ale toto je v trojrozmernom priestore. Štvorrozmerná diera má tiež horizont udalostí, ktorého rozmer je o jeden menší ako jeho vlastný. Preto je jeho horizontom trojrozmerný priestor. Podľa hypotézy kanadských fyzikov by z nej mohol vzniknúť náš Vesmír.
Profesor na University of Waterloo (Kanada):
„Rovnice všeobecnej relativity majú zmysel pre priestory s ľubovoľne veľkým počtom rozmerov a vo všetkých prípadoch majú riešenia vedúce k vzniku singularít. Z toho vyplýva, že ak hustota hmoty v uzavretej štvorrozmernej oblasti prekročí určitú kritickú hranicu, zrúti sa a vytvorí sa čierna diera. Fyzikálne vlastnosti takejto látky by mali byť veľmi odlišné od tých, ktoré pozorujeme v našom svete. Je však celkom logické predpokladať, že v tomto svete bude dominovať gravitácia: ak častice hmoty štvorrozmerného sveta deformujú časopriestor v súlade s rovnicami všeobecnej relativity, navzájom sa priťahujú a dávajú vznik čiernej farbe. diery.”
Čo sa týka štvorrozmerného priestoru, uzamknutého vo vnútri horizontu čiernej diery, táto trojrozmerná oblasť bude jediným svetom úplne odrezaným od štvorrozmerného prostredia. Dá sa predpokladať, že hmota vtiahnutá do horizontu sa bude správať podľa všetkých zákonov troch rozmerov. Nový model odstraňuje bežnú kozmologickú inflačnú hypotézu navrhnutú začiatkom 80. rokov minulého storočia, ktorá stále čelí vážnym nevyriešeným problémom. Nejasná je najmä povaha fyzického poľa, ktoré malo spustiť zrýchľujúcu sa expanziu novonarodeného vesmíru.
Odskok sveta
Ak však ignorujeme kvantové efekty, horizont trojrozmernej diery je stabilný, zatiaľ čo náš vesmír sa rozširuje. Mannov model to tiež vysvetľuje: „Gravitačný kolaps v štvorrozmernom priestore nielenže povedie k vzniku čiernej diery, ale spôsobí, že hmota, ktorá do nej nespadla, sa „odrazí“ a rozptýli sa všetkými smermi. Niečo podobné sa deje pri výbuchoch supernov, ktoré rozmetajú svoje škrupiny po okolitom priestore. Výpočty ukazujú, že táto hmota môže okolo horizontu vytvoriť trojrozmernú vrstvu, ktorá sa bude rozširovať a ťahať so sebou aj samotný horizont. V dôsledku toho vznikne jediný rozširujúci sa priestor nášho vesmíru. Model je možné upraviť tak, že predpovedá zrýchlenie tejto expanzie, ktorú štandardná kozmológia vysvetľuje pomocou temnej energie.“
Nový model umožňuje experimentálne testovanie. Gravitačný vplyv štyroch dimenzií na náš Vesmír by mal spôsobiť určité výkyvy v kozmickom mikrovlnnom žiarení pozadia, ktorého spektrum sa dá predpovedať.