Kaasaegsete teadlaste jaoks on must auk meie universumi üks müstilisemaid nähtusi. Selliste objektide uurimine on keeruline, neid pole võimalik "kogemuse järgi" proovida. Musta augu aine mass, tihedus, selle objekti moodustumise protsessid, mõõtmed - kõik see äratab spetsialistide seas huvi ja mõnikord ka hämmeldust. Vaatleme teemat üksikasjalikum alt. Kõigepe alt analüüsime, mis selline objekt on.
Üldine teave
Kosmilise objekti hämmastav omadus on väikese raadiuse, musta augu aine suure tiheduse ja uskumatult suure massi kombinatsioon. Kõik praegu teadaolevad sellise objekti füüsikalised omadused tunduvad teadlastele kummalised, sageli seletamatud. Isegi kõige kogenumad astrofüüsikud on endiselt hämmastunud selliste nähtuste iseärasustest. Peamine tunnus, mis võimaldab teadlastel musta auku tuvastada, on sündmuste horisont, st piir, mille tõttumidagi ei tule tagasi, ka valgus. Kui tsoon on püsiv alt eraldatud, määratakse eralduspiir sündmuste horisondiks. Ajutise eraldamisega fikseeritakse nähtava horisondi olemasolu. Mõnikord on ajaline mõiste väga lahtine, see tähendab, et piirkond võib olla eraldatud perioodiks, mis ületab universumi praeguse vanuse. Kui on nähtav horisont, mis eksisteerib pikka aega, on seda raske sündmuste horisondist eristada.
Musta augu omadused, seda moodustava aine tihedus on paljuski tingitud teistest füüsikalistest omadustest, mis toimivad meie maailmaseadustes. Sfääriliselt sümmeetrilise musta augu sündmuste horisont on kera, mille läbimõõdu määrab selle mass. Mida rohkem massi sissepoole tõmmata, seda suurem on auk. Ja ometi jääb see tähtede taustal üllatav alt väikeseks, kuna gravitatsioonirõhk surub kõik sees oleva kokku. Kui kujutame ette auku, mille mass vastab meie planeedile, siis sellise objekti raadius ei ületa paari millimeetrit, see tähendab, et see on kümme miljardit väiksem kui Maa. Raadius sai nime Schwarzschildi järgi, teadlase järgi, kes esimest korda tuletas mustad augud välja Einsteini üldise relatiivsusteooria lahenduse.
Ja sees?
Sellisesse objekti sattununa ei märka inimene tõenäoliselt enda peal tohutut tihedust. Musta augu omadusi ei mõisteta hästi, et olla kindel, mis juhtuma hakkab, kuid teadlased usuvad, et horisondi ületamisel midagi erilist paljastada ei saa. Seda seletatakse samaväärse Einsteini keelegapõhimõte, mis selgitab, miks horisondi kumerust moodustav väli ja tasapinnale omane kiirendus vaatleja jaoks ei erine. Ületusprotsessi eem alt jälgides on näha, et objekt hakkab horisondi lähedal aeglustuma, justkui aeg mööduks selles kohas aeglaselt. Mõne aja pärast ületab objekt horisondi ja langeb Schwarzschildi raadiusesse.
Aine tihedus mustas augus, objekti mass, selle mõõtmed ja loodete jõud ning gravitatsiooniväli on omavahel tihed alt seotud. Mida suurem on raadius, seda väiksem on tihedus. Raadius suureneb koos kaaluga. Loodejõud on pöördvõrdelised ruudu kaaluga, st kui mõõtmed suurenevad ja tihedus väheneb, siis objekti tõusujõud vähenevad. Kui objekti mass on väga suur, on enne selle fakti märkamist võimalik ületada horisont. Üldrelatiivsusteooria algusaegadel usuti, et silmapiiril on singulaarsus, kuid selgus, et see ei olnud nii.
Tiheduse kohta
Nagu uuringud on näidanud, võib musta augu tihedus olenev alt massist olla suurem või väiksem. Erinevate objektide puhul see indikaator varieerub, kuid väheneb alati raadiuse suurenedes. Tekkida võivad ülimassiivsed augud, mis tekivad ulatuslikult materjali kuhjumise tõttu. Selliste objektide, mille mass vastab mitme miljardi meie süsteemi valgusti kogumassile, tihedus on keskmiselt väiksem kui vee tihedus. Mõnikord on see võrreldav gaasi tiheduse tasemega. Selle objekti tõusujõud aktiveerub juba pärast seda, kui vaatleja ületab horisondisündmused. Hüpoteetiline uurija ei saaks horisondile lähenedes viga ja kukuks tuhandeid kilomeetreid, kui leiaks kaitse kettaplasma eest. Kui vaatleja ei vaata tagasi, ei märka ta, et horisont on ületatud, ja kui ta pöörab pead, näeb ta tõenäoliselt silmapiiril tardunud valguskiiri. Aeg vaatleja jaoks voolab väga aeglaselt, ta suudab jälgida sündmusi augu lähedal kuni surma hetkeni – kas teda või universumit.
Supermassiivse musta augu tiheduse määramiseks peate teadma selle massi. Leidke selle suuruse väärtus ja ruumiobjektile omane Schwarzschildi ruumala. Keskmiselt on selline näitaja astrofüüsikute hinnangul erakordselt väike. Muljetavaldaval protsendil juhtudest on see väiksem kui õhutiheduse tase. Nähtust selgitatakse järgmiselt. Schwarzschildi raadius on otseselt seotud kaaluga, samas kui tihedus on pöördvõrdeline ruumalaga ja seega ka Schwarzschildi raadiusega. Helitugevus on otseselt seotud kuubiku raadiusega. Mass suureneb lineaarselt. Vastav alt sellele kasvab maht kiiremini kui kaal ja keskmine tihedus muutub väiksemaks, mida suurem on uuritava objekti raadius.
Uhim teada
Aukule omane loodete jõud on gravitatsioonijõu gradient, mis on silmapiiril üsna suur, nii et isegi footonid ei pääse siit välja. Samal ajal toimub parameetri tõus üsna sujuv alt, mis võimaldab vaatlejal ületada horisondi ilma ennast ohtu seadmata.
Uuringud musta augu tiheduse kohtaobjekti kese on veel suhteliselt piiratud. Astrofüüsikud on kindlaks teinud, et mida lähemal on keskne singulaarsus, seda suurem on tiheduse tase. Varem mainitud arvutusmehhanism võimaldab saada toimuvast väga keskmise ettekujutuse.
Teadlastel on augus toimuva ja selle struktuuri kohta äärmiselt piiratud arusaamad. Astrofüüsikute hinnangul pole tiheduse jaotus augus välisvaatleja jaoks vähem alt praegusel tasemel kuigi oluline. Palju informatiivsem raskusastme, kaalu täpsustamine. Mida suurem on mass, seda tugevam on keskpunkt, horisont, üksteisest eraldatud. On ka selliseid oletusi: vahetult horisondi taga mateeria põhimõtteliselt puudub, seda saab tuvastada ainult objekti sügavustes.
Kas on mingeid numbreid teada?
Teadlased on pikka aega mõelnud musta augu tihedusele. Tehti teatud uuringuid, püüti arvutada. Siin on üks neist.
Päikese mass on 210^30 kg. Päikesest mitu korda suurema objekti kohale võib tekkida auk. Kergeima augu tihedus on hinnanguliselt keskmiselt 10^18 kg/m3. See on suurusjärgu võrra suurem kui aatomi tuuma tihedus. Ligikaudu sama erinevus neutrontähele iseloomulikust keskmisest tiheduse tasemest.
Võimalik on ülikergete aukude olemasolu, mille mõõtmed vastavad alamtuumaosakestele. Selliste objektide puhul on tiheduse indeks liiga suur.
Kui meie planeet muutub auguks, on selle tihedus ligikaudu 210^30 kg/m3. Teadlased pole aga suutnudpaljastada protsessid, mille tulemusena saab meie kosmosemaja muuta mustaks auguks.
Numbreid lähem alt
Linnutee keskel asuva musta augu tihedus on hinnanguliselt 1,1 miljonit kg/m3. Selle objekti mass vastab 4 miljonile päikese massile. Augu raadius on hinnanguliselt 12 miljonit km. Linnutee keskel oleva musta augu näidatud tihedus annab aimu ülimassiivsete aukude füüsikalistest parameetritest.
Kui mõne objekti kaal on 10^38 kg, see tähendab hinnanguliselt umbes 100 miljonit päikest, siis vastab astronoomilise objekti tihedus meie planeedil leiduva graniidi tihedustasemele.
Kõigi tänapäeva astrofüüsikutele teadaolevate aukude hulgast leiti kvasarist OJ 287 üks raskemaid auke. Selle kaal vastab meie süsteemi 18 miljardile valgustile. Kui suur on musta augu tihedus, on teadlased ilma suuremate raskusteta välja arvutanud. Väärtus osutus kaduv alt väikeseks. See on ainult 60 g/m3. Võrdluseks: meie planeedi atmosfääriõhu tihedus on 1,29 mg/m3.
Kust augud tulevad?
Teadlased ei viinud läbi mitte ainult uuringuid, et määrata kindlaks musta augu tihedus võrreldes meie süsteemi tähe või teiste kosmiliste kehadega, vaid püüdsid ka kindlaks teha, kust augud pärinevad ja millised on nende tekkemehhanismid. salapärased objektid. Nüüd on idee neljast viisist aukude ilmumiseks. Kõige arusaadavam variant on tähe kokkuvarisemine. Kui see muutub suureks, on süntees tuumas lõppenud,rõhk kaob, aine langeb raskuskeskmesse, seega tekib auk. Keskusele lähenedes tihedus suureneb. Varem või hiljem muutub indikaator nii oluliseks, et välised objektid ei suuda gravitatsiooni mõjusid ületada. Sellest hetkest alates ilmub uus auk. See tüüp on tavalisem kui teised ja seda nimetatakse päikesemassi aukudeks.
Teine üsna levinud augutüüp on ülimassiivne. Neid täheldatakse sagedamini galaktikate keskustes. Objekti mass võrreldes ülalkirjeldatud päikesemassi auguga on miljardeid kordi suurem. Teadlased ei ole veel kindlaks teinud selliste objektide avaldumisprotsesse. Eeldatakse, et kõigepe alt moodustub ülalkirjeldatud mehhanismi järgi auk, seejärel neelduvad naabertähed, mis viib kasvu. See on võimalik, kui galaktika tsoon on tihed alt asustatud. Aine neeldumine toimub kiiremini, kui ül altoodud skeem seletada suudab, ja teadlased ei oska veel arvata, kuidas neeldumine kulgeb.
Eeldused ja ideed
Astrofüüsikute jaoks on väga raske teema ürgsed augud. Sellised ilmuvad ilmselt igast massist. Need võivad tekkida suurte kõikumiste korral. Tõenäoliselt tekkisid sellised augud varajases universumis. Seni ei võimalda mustade aukude omadustele, tunnustele (sh tihedusele) ja nende ilmumisprotsessidele pühendatud uuringud kindlaks teha mudelit, mis reprodutseerib täpselt primaarse augu tekkimise protsessi. Praegu teadaolevad mudelid on valdav alt sellised, et kui neid reaalselt rakendada,seal oleks liiga palju auke.
Oletame, et suur hadronite põrgataja võib muutuda augu tekke allikaks, mille mass vastab Higgsi bosonile. Sellest lähtuv alt on musta augu tihedus väga suur. Kui selline teooria kinnitust leiab, võib seda pidada kaudseks tõendiks lisamõõtmete olemasolu kohta. Praegu pole seda spekulatiivset järeldust veel kinnitatud.
Kiirgus august
Auku emissioon on seletatav aine kvantmõjudega. Ruum on dünaamiline, seega on osakesed siin täiesti erinevad sellest, millega oleme harjunud. Augu lähedal pole moonutatud mitte ainult aeg; osakese mõistmine sõltub suuresti sellest, kes seda vaatleb. Kui keegi auku kukub, tundub talle, et ta sukeldub vaakumisse ja kauge vaatleja jaoks tundub see osakestega täidetud tsoonina. Mõju on seletatav aja ja ruumi venitamisega. Aukust lähtuva kiirguse tuvastas esm alt Hawking, kelle nimi anti nähtusele. Kiirgusel on temperatuur, mis on pöördvõrdeline massiga. Mida väiksem on astronoomilise objekti kaal, seda kõrgem on temperatuur (nagu ka musta augu tihedus). Kui auk on ülimassiivne või tähega võrreldava massiga, on selle kiirguse temperatuur madalam kui mikrolaine taust. Seetõttu pole teda võimalik jälgida.
See kiirgus selgitab andmete kadumist. See on termilise nähtuse nimi, millel on üks selge omadus - temperatuur. Uuringu käigus puudub teave aukude tekkeprotsesside kohta, kuid sellist kiirgust kiirgav objekt kaotab samaaegselt massi (ja seetõttu kasvabmusta augu tihedus) väheneb. Protsessi ei määra aine, millest auk tekib, ei sõltu sellest, mis sinna hiljem sisse imeti. Teadlased ei oska öelda, millest sai augu alus. Veelgi enam, uuringud on näidanud, et kiirgus on pöördumatu protsess, st selline, mida kvantmehaanikas lihts alt ei saa eksisteerida. See tähendab, et kiirgust ei saa ühildada kvantteooriaga ja ebakõla nõuab selles suunas edasist tööd. Kuigi teadlased usuvad, et Hawkingi kiirgus peaks sisaldama teavet, ei ole meil veel vahendeid ega võimalusi selle tuvastamiseks.
Uudishimulik: neutrontähtede kohta
Kui on olemas ülihiiglane, siis see ei tähenda, et selline astronoomiline keha on igavene. Aja jooksul see muutub, viskab välimised kihid ära. Jäänustest võivad välja tulla valged kääbused. Teine võimalus on neutrontähed. Spetsiifilised protsessid määratakse esmase keha tuumamassi järgi. Kui see on hinnanguliselt 1,4-3 päikeseenergia piires, siis superhiiglase hävimisega kaasneb väga kõrge rõhk, mille tõttu on elektronid justkui surutud prootonitesse. See toob kaasa neutronite moodustumise, neutriinode emissiooni. Füüsikas nimetatakse seda neutronite degenereerunud gaasiks. Selle surve on selline, et täht ei saa enam kokku tõmbuda.
Samas, nagu uuringud on näidanud, ei ilmunud ilmselt kõik neutrontähed sel viisil. Mõned neist on jäänused suurtest, mis plahvatasid nagu teine supernoova.
Tomi keha raadiusvähem kui rohkem massi. Enamiku puhul jääb see vahemikku 10-100 km. Viidi läbi uuringuid mustade aukude, neutrontähtede tiheduse määramiseks. Teise puhul, nagu testid on näidanud, on parameeter suhteliselt lähedane aatomi omale. Astrofüüsikute määratud konkreetsed arvud: 10^10 g/cm3.
Uhim teada: teooria ja praktika
Neutrontähti ennustati teoreetiliselt eelmise sajandi 60. ja 70. aastatel. Esimesena avastati pulsarid. Need on väikesed tähed, mille pöörlemiskiirus on väga suur ja magnetväli on tõeliselt suurejooneline. Eeldatakse, et pulsar pärib need parameetrid algselt tähelt. Pöörlemisperiood varieerub millisekunditest mitme sekundini. Esimesed teadaolevad pulsarid kiirgasid perioodilist raadiokiirgust. Tänapäeval tuntakse röntgenispektri kiirgusega, gammakiirgusega pulsareid.
Kirjeldatud neutrontähtede moodustumise protsess võib jätkuda – miski ei suuda seda peatada. Kui tuumamass on rohkem kui kolm Päikese massi, siis on terav keha väga kompaktne, seda nimetatakse aukudeks. Kriitilisest suurema massiga musta augu omadusi ei ole võimalik kindlaks teha. Kui osa massist kaob Hawkingi kiirguse tõttu, väheneb raadius samal ajal, nii et kaalu väärtus on jälle väiksem selle objekti kriitilisest väärtusest.
Kas auk võib surra?
Teadlased esitavad oletusi protsesside olemasolu kohta, mis on tingitud osakeste ja antiosakeste osalemisest. Elementide kõikumine võib põhjustada tühja ruumi iseloomustamistnullenergia tase, mis (siin on paradoks!) ei võrdu nulliga. Samal ajal saab kehale omane sündmuste horisont absoluutsele mustale kehale omase madala energiaga spektri. Selline kiirgus põhjustab massikadu. Horisont kahaneb veidi. Oletame, et osakesi ja selle antagoniste on kaks paari. Toimub osakese annihilatsioon ühest paarist ja selle antagonist teisest paarist. Selle tulemusena lendavad august välja footonid. Teine paar kavandatud osakesi kukub auku, neelates samal ajal teatud koguse massi, energiat. Järk-järgult viib see musta augu surmani.
Kokkuvõtteks
Mõnede arvates on must auk omamoodi kosmiline tolmuimeja. Auk võib neelata tähe, see võib isegi galaktika "süüa". Relatiivsusteooriast võib paljuski leida seletust augu omadustele, aga ka selle tekkimise tunnustele. Sellest on teada, et aeg on pidev, nagu ka ruum. See selgitab, miks tihendusprotsesse ei saa peatada, need on piiramatud ja piiramatud.
Need on need salapärased mustad augud, mille kallal astrofüüsikud on rohkem kui kümme aastat pead murdnud.
