Czarna dziura: co jest w środku? Interesujące fakty i badania

Czarne dziury są jednymi z najbardziej zadziwiających i jednocześnie przerażających obiektów naszego wszechświata. Powstają w momencie, gdy gwiazdy, mające ogromną masę, kończą się paliwo jądrowe. Jądrowy reakcje zatrzymują się i luminarze zaczynają się ochładzać. Ciało gwiazdy kurczy się pod wpływem grawitacji i stopniowo zaczyna przyciągać do siebie mniejsze obiekty, przekształcając się w czarną dziurę.

Pierwsze badania

Nauka zaczęła badać czarne dziury nie tak dawno temu, pomimo faktu, że podstawowe pojęcia ich istnienia zostały opracowane w ubiegłym wieku. Koncepcja "czarnej dziury" została wprowadzona w 1967 r. Przez J. Wheelera, chociaż wniosek, że obiekty te powstają nieuchronnie podczas upadku masywnych gwiazd powstał w latach 30. XX wieku. Wszystko wewnątrz czarnej dziury - asteroidy, światło pochłonięte przez kometę - kiedyś zbliżyło się zbyt blisko granic tego tajemniczego obiektu i nie opuściło ich.

Granice czarnej dziury

Pierwsza z granic czarnej dziury nazywa się statyczną granicą. Jest to granica obszaru, w którym obcy obiekt nie może już odpoczywać i zaczyna się obracać względem czarnej dziury, aby nie wpaść w nią. Druga granica nazywa się horyzontem zdarzeń. Wszystko, co znajdowało się wewnątrz czarnej dziury, przekroczyło granicę zewnętrzną i przesunęło się ku punktowi osobliwości. Według naukowców substancja ta wpada do tego punktu centralnego, którego gęstość dąży do wartości nieskończoności. Ludzie nie mogą wiedzieć, jakie prawa fizyki działają w obiektach o takiej gęstości, a zatem niemożliwe jest opisanie cech tego miejsca. W dosłownym tego słowa znaczeniu jest to "czarna dziura" (lub, być może, "luka") w wiedzy o ludzkości wokół otaczającego ją świata.

Struktura czarnych dziur

Horyzont wydarzeń jest nieprzenikalną granicą czarnej dziury. Wewnątrz tej granicy znajduje się strefa, w której nawet obiekty, których prędkość ruchu jest równa, nie mogą prędkość światła. Nawet kwanty światła same w sobie nie mogą opuścić horyzontu zdarzeń. Będąc w tym momencie żaden przedmiot nie może już uciec z czarnej dziury. Fakt, że wewnątrz czarnej dziury nie możemy poznać z definicji - w rzeczywistości w jej głębi jest tzw. Punkt osobliwości, który powstaje w wyniku ekstremalnego kompresji materii. Gdy obiekt znajdzie się w horyzoncie zdarzeń, od tego momentu nie może już nigdy się z niego wydostać i stać się widocznym dla obserwatorów. Z drugiej strony ci, którzy są w czarnych dziurach, nie widzą niczego, co dzieje się na zewnątrz.

Rozmiar horyzontu zdarzeń otaczającego ten tajemniczy obiekt kosmiczny jest zawsze wprost proporcjonalny do masy samej dziury. Jeśli jego masa podwoi się, granica zewnętrzna stanie się dwukrotnie większa. Gdyby naukowcy mogli znaleźć sposób na przekształcenie Ziemi w czarną dziurę, rozmiar horyzontu zdarzeń miałby tylko 2 cm przekroju.

Główne kategorie

Z reguły masa przeciętnych czarnych dziur jest w przybliżeniu równa trzem lub więcej masom Słońca. Z dwóch typów czarnych dziur rozróżnia się zarówno gwiezdne, jak i supermasywne. Ich masa przekracza masę Słońca kilkaset tysięcy razy. Gwiezdny gatunek powstał po śmierci wielkich ciał niebieskich. Czarne dziury o zwykłej masie pojawiają się po zakończeniu cyklu życia dużych gwiazd. Oba rodzaje czarnych dziur, pomimo ich różnego pochodzenia, mają podobne właściwości. Supermasywne czarne dziury znajduje się w centrach galaktyk. Naukowcy sugerują, że powstały one podczas tworzenia się galaktyk w wyniku połączenia sąsiednich gwiazd. Jest to jednak tylko domysły, nie potwierdzone faktami.

Co jest w czarnej dziurze: zgadywanie

Niektórzy matematycy uważają, że wewnątrz tych tajemniczych obiektów Wszechświata znajdują się tak zwane tunele czasoprzestrzenne - przejścia do innych wszechświatów. Innymi słowy, tunel czasoprzestrzenny znajduje się w punkcie osobliwości. Ta koncepcja służyła źródło inspiracji dla wielu pisarzy i reżyserów. Jednak ogromna większość astronomów uważa, że ​​nie istnieją żadne tunele między wszechświatami. Jednakże, nawet jeśli tak naprawdę byli, osoba nie ma sposobu, aby dowiedzieć się, co jest w czarnej dziurze.

Istnieje inna koncepcja, według której na przeciwległym końcu takiego tunelu znajduje się biała dziura, z której ogromna ilość energii przepływa z naszego Wszechświata do innego świata przez czarne dziury. Jednak na tym etapie rozwoju nauki i technologii ten rodzaj podróży nie wchodzi w rachubę.

Relacja do teorii względności

Czarne dziury to jedna z najbardziej niesamowitych prognoz A. Einsteina. Wiadomo, że siła siły, która powstaje na powierzchni każdej planety, jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu jej promienia i wprost proporcjonalna do jej masy. W tym ciałach niebieskich można zdefiniować pojęcie drugiej prędkości kosmicznej, która jest niezbędna do pokonania tej siły agresji. Dla Ziemi wynosi ona 11 km / s. Jeśli masa ciała niebieskiego wzrasta, a średnica, przeciwnie, maleje, wówczas druga kosmiczna prędkość z czasem może przekraczać prędkość światła. A ponieważ, zgodnie z teorią względności, żaden przedmiot nie może poruszać się szybciej niż prędkość światła, powstaje przedmiot, który zapobiega ucieczce czegokolwiek poza jego granice.

W 1963 r. Naukowcy odkryli kwazary - obiekty kosmiczne, będące gigantycznymi źródłami promieniowania radiowego. Znajdują się bardzo daleko od naszej galaktyki - ich odległość to miliardy lat świetlnych z ziemi. Aby wytłumaczyć ekstremalnie wysoką aktywność kwazarów, naukowcy wprowadzili hipotezę, że czarne dziury znajdują się wewnątrz nich. Ten punkt widzenia jest obecnie powszechnie akceptowany w kręgach naukowych. Badania przeprowadzone w ciągu ostatnich 50 lat nie tylko potwierdziły tę hipotezę, ale także doprowadziły naukowców do wniosku, że w centrum każdej galaktyki znajdują się czarne dziury. W centrum naszej galaktyki znajduje się również taki obiekt, jego masa wynosi 4 miliony mas Słońca. Ta czarna dziura nazywa się "Strzelec A", a ponieważ jest położona najbliżej nas, jest ona najczęściej badana przez astronomów.

Promieniowanie Hawkinga

Ten rodzaj promieniowania, odkryty przez słynnego fizyka Stephena Hawkinga, znacznie komplikuje życie współczesnych naukowców - z powodu tego odkrycia w teorii czarnych dziur powstało wiele trudności. W klasycznej fizyce istnieje pojęcie próżni. To słowo oznacza całkowitą pustkę i brak materii. Jednak wraz z rozwojem fizyki kwantowej zmodyfikowano pojęcie próżni. Naukowcy odkryli, że jest ona wypełniona tak zwanymi wirtualnymi cząsteczkami - pod wpływem silnego pola mogą one stać się rzeczywistymi. W 1974 roku Hawking odkrył, że takie przemiany mogą wystąpić w silnym polu grawitacyjnym czarnej dziury - w pobliżu jej zewnętrznej granicy, horyzontu zdarzeń. Takie narodziny to para - pojawia się cząstka i antycząstka. Z reguły antycząstka jest skazana na wpadanie w czarną dziurę, a cząsteczka odlatuje. W rezultacie naukowcy obserwują promieniowanie wokół tych obiektów kosmicznych. Nazywało się to promieniowaniem Hawkinga.

Podczas tego promieniowania substancja wewnątrz czarnej dziury powoli wyparowuje. Otwór traci masę, a natężenie promieniowania jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu jego masy. Intensywność promieniowania Hawkinga jest nieistotna według norm kosmicznych. Jeśli przyjmiemy, że istnieje dziura o masie 10 słońc, a nie spada na nią ani światło, ani jakiekolwiek przedmioty materialne, to nawet w tym przypadku czas jej rozpadu będzie monstrualnie długi. Życie takiej dziury przekroczy całe życie naszego Wszechświata o 65 rzędów wielkości.

Pytanie o zapisywanie informacji

Jednym z głównych problemów, które pojawiły się po odkryciu promieniowania Hawkinga, jest problem utraty informacji. Jest to związane z pytaniem, na pierwszy rzut oka, bardzo prostym: co dzieje się, gdy czarna dziura całkowicie wyparowuje? Obie teorie - zarówno fizyka kwantowa, jak i fizyka klasyczna - zajmują się opisem stanu systemu. Mając informacje o początkowym stanie systemu, można opisać za pomocą teorii, w jaki sposób się ona zmieni.

Jednocześnie w procesie ewolucji informacja o stanie początkowym nie zostaje utracona - rodzaj ustawy o zachowaniu aktów informacyjnych. Ale jeśli czarna dziura zostanie całkowicie odparowana, wówczas obserwator traci informacje o tej części świata fizycznego, która kiedyś wpadła do dziury. Stephen Hawking uważał, że informacja o początkowym stanie systemu została w jakiś sposób przywrócona po tym, jak czarna dziura całkowicie wyparowała. Ale trudność polega na tym, że z definicji, z czarnej dziury, przekaz informacji jest niemożliwy - nic nie może opuścić horyzontu zdarzeń.

Co stanie się, jeśli dostaniesz się do czarnej dziury?

Uważa się, że gdyby w jakikolwiek niewiarygodny sposób osoba mogła uderzyć w powierzchnię czarnej dziury, natychmiast zacząłaby ją dokręcać w kierunku samym w sobie. Ostatecznie, człowiek rozciągnąłby się tak bardzo, że zamieniłby się w strumień subatomowych cząstek poruszających się w kierunku osobliwości. Potwierdzenie tej hipotezy jest oczywiście niemożliwe, ponieważ naukowcy nigdy nie będą w stanie dowiedzieć się, co dzieje się w czarnych dziurach. Niektórzy fizycy mówią, że gdyby człowiek wpadł w czarną dziurę, miałby klona. Pierwsza z jego wersji natychmiast zostanie zniszczona przez strumień gorących cząstek promieniowania Hawkinga, a druga przejdzie przez horyzont zdarzeń bez możliwości powrotu.