Čierna diera je oblasť časopriestoru, ktorej gravitačná príťažlivosť je taká silná, že ju nedokážu opustiť ani objekty pohybujúce sa rýchlosťou svetla, vrátane kvánt samotného svetla. Hranica tejto oblasti sa nazýva horizont udalostí a jej charakteristická veľkosť sa nazýva gravitačný polomer.
Myšlienka „čiernej diery“ sa prvýkrát objavila v roku 1916, keď fyzik Schwarzschild riešil Einsteinove rovnice. Matematika viedla k zvláštnemu záveru, že existujú kompaktné objekty, okolo ktorých sa objavuje horizont udalostí so zaujímavými vlastnosťami. Pojem „čierna diera“ však ešte neexistoval. Horizont udalostí je oblasť vesmíru obklopujúca čiernu dieru, v ktorej hmota už nikdy nebude môcť opustiť túto oblasť a spadnúť do čiernej diery. Svetlo ešte dokáže prekonať obrovskú gravitačnú silu, poslať posledné prúdy z miznúcej hmoty, ale len na krátky čas, kým padajúca hmota nespadne do takzvanej zóny singularity, pre ktorú to už nie je Karl Schwarzschild, nemecký astronóm, jeden zo zakladateľov teoretickej astrofyziky
V 30. rokoch 20. storočia Chadwick objavil neutrón. Čoskoro bola predložená hypotéza o existencii neutrínových hviezd, ktoré sa pri veľkých hmotnostiach ukázali ako nestabilné a sú stlačené do stavu kolapsu. Pojem „čierna diera“ stále neexistoval. Až koncom šesťdesiatych rokov povedal Američan John Wheeler „čierna diera“. Toto je bod v priestore, kde pod vplyvom gravitačné sily hmota a energia miznú. Na tomto mieste sú gravitačné sily také silné, že všetko v okolí je doslova nasávané dovnútra. Odtiaľ nemôžu uniknúť ani svetelné lúče, takže čierna diera je úplne neviditeľná. John Wheeler, americký fyzik.
„Čiernu dieru“ možno odhaliť špecifickým röntgenovým žiarením, ktoré vzniká pri nasávaní hmoty. V sedemdesiatych rokoch minulého storočia zaznamenal americký satelit "Uhuru" (v jednom z afrických dialektov - "sloboda") špecifické röntgenové žiarenie. Odvtedy „čierna diera“ existuje nielen vo výpočtoch. Práve za tieto štúdie dostal Riccardo Giacconi v roku 2002 Nobelovu cenu. Riccardo Giacconi, americký fyzik talianskeho pôvodu, nositeľ Nobelovej ceny za fyziku v roku 2002 „za vytvorenie röntgenovej astronómie a vynález röntgenového teleskopu“
V súčasnosti vedci objavili vo vesmíre asi tisíc objektov, ktoré sú klasifikované ako čierne diery. Vedci naznačujú, že celkovo existujú desiatky miliónov takýchto objektov. V súčasnosti je jediným spoľahlivým spôsobom, ako odlíšiť čiernu dieru od objektu iného typu, zmerať hmotnosť a veľkosť objektu a porovnať jeho polomer s gravitačným polomerom, ktorý je daný vzorcom =, kde G je gravitačná konštanta , M je hmotnosť objektu, c je rýchlosť svetla superhmotných čiernych dier. Prerastené veľmi veľké čierne diery tvoria jadrá väčšiny galaxií. Medzi ne patria masívne čierna diera v jadre našej galaxie je Sagittarius A*, čo je supermasívna čierna diera najbližšie k Slnku. V súčasnosti existenciu čiernych dier hviezdnych a galaktických mier považuje väčšina vedcov za spoľahlivo preukázanú astronomickými pozorovaniami. Americkí astronómovia zistili, že masy supermasívnych čiernych dier môžu byť výrazne podhodnotené. Výskumníci zistili, že na to, aby sa hviezdy pohybovali spôsobom, akým sa teraz pozorujú v galaxii M87 (ktorá sa nachádza 50 miliónov svetelných rokov od Zeme), hmotnosť centrálnej čiernej diery musí byť taká veľká ako Rádio Galaxia Picos A. Viditeľný röntgenový lúč (modrý) s dĺžkou 300 tisíc svetelných rokov vychádzajúci z
Detekcia supermasívnych čiernych dier Najspoľahlivejší dôkaz o existencii supermasívnych čiernych dier v centrálnych oblastiach galaxií sa považuje za najspoľahlivejší. Rozlíšenie ďalekohľadov dnes nestačí na rozlíšenie oblastí vesmíru s veľkosťou rádovo ako gravitačný polomer čiernej diery. Existuje mnoho spôsobov, ako určiť hmotnosť a približné rozmery superhmotného telesa, ale väčšina z nich je založená na meraní charakteristík obežných dráh objektov rotujúcich okolo nich (hviezdy, rádiové zdroje, plynové disky). V najjednoduchšom a pomerne bežnom prípade dochádza k rotácii pozdĺž Keplerianových dráh, o čom svedčí úmernosť rýchlosti rotácie satelitu k druhej odmocnine hlavnej poloosi dráhy: . V tomto prípade sa hmotnosť centrálneho telesa zistí podľa známeho vzorca.
Hypotézu o existencii čiernych dier prvýkrát vyslovil anglický astronóm J. Michell v roku 1783 na základe korpuskulárnej teórie svetla a Newtonovej teórie gravitácie. V tom čase sa na Huygensovu vlnovú teóriu a jeho slávny vlnový princíp jednoducho zabudlo. Nepomohlo vlnová teória podpora niektorých ctihodných vedcov, najmä slávnych petrohradských akademikov M.V. Lomonosov a L. Euler. Logika uvažovania, ktorá viedla Michella ku konceptu čiernej diery, je veľmi jednoduchá: ak sa svetlo skladá z častíc-teliesok svetielkujúceho éteru, potom by tieto častice mali zažiť, podobne ako iné telesá, príťažlivosť z gravitačného poľa. V dôsledku toho, čím je hviezda (alebo planéta) hmotnejšia, tým väčšiu príťažlivosť z jej strany by mali telesá zaznamenať a tým ťažšie je pre svetlo opustiť povrch takéhoto telesa.
Ďalšia logika naznačuje, že v prírode môžu existovať také masívne hviezdy, ktorých príťažlivosť už telesné bunky nedokážu prekonať a vonkajšiemu pozorovateľovi sa budú vždy zdať čierne, hoci samy môžu žiariť oslnivým leskom ako Slnko. Fyzicky to znamená, že druhá úniková rýchlosť na povrchu takejto hviezdy by nemala byť menšia ako rýchlosť svetla. Michellove výpočty ukazujú, že svetlo nikdy neopustí hviezdu, ak je jej polomer pri priemernej hustote Slnka rovný 500 slnečným lúčom. Tento druh hviezd už možno nazvať čiernou dierou.
Po 13 rokoch francúzsky matematik a astronóm P.S. Laplace, s najväčšou pravdepodobnosťou, nezávisle od Michella, vyjadril podobnú hypotézu o existencii takýchto exotických predmetov. Pomocou ťažkopádnej metódy výpočtu našiel Laplace pre danú hustotu polomer gule, na povrchu ktorej sa parabolická rýchlosť rovná rýchlosti svetla. Podľa Laplacea by častice svetla, ktoré sú gravitačnými časticami, mali byť oneskorené masívnymi hviezdami vyžarujúcimi svetlo, ktoré majú hustotu rovnajúcu sa hustote Zeme a polomer 250-krát väčší ako polomer Slnka.
Táto Laplaceova teória bola zahrnutá iba v prvých dvoch vydaniach jeho života. slávna kniha„Expozícia systému sveta“, publikovaná v rokoch 1796 a 1799. Áno, možno sa o Laplaceovu teóriu začal zaujímať rakúsky astronóm F. K. von Zach, ktorý ju v roku 1798 publikoval pod názvom „Dôkaz vety, že gravitačná sila ťažkého telesa môže byť taká veľká, že z nej nemôže prúdiť svetlo“.
V tomto bode sa história výskumu čiernych dier zastavila na viac ako 100 rokov. Zdá sa, že sám Laplace potichu opustil takúto extravagantnú hypotézu, pretože ju vylúčil zo všetkých ostatných celoživotných vydaní svojej knihy, ktorá vyšla v rokoch 1808, 1813 a 1824. Možno Laplace nechcel ďalej replikovať takmer fantastickú hypotézu o kolosálnych hviezdach, ktoré neuvoľňujú svetlo. Možno ho zastavili nové astronomické údaje o nemennosti veľkosti aberácie svetla v rôznych hviezdach, ktoré boli v rozpore s niektorými závermi jeho teórie, na základe ktorej založil svoje výpočty. Najpravdepodobnejším dôvodom, prečo všetci zabudli na záhadné hypotetické objekty Michella-Laplacea, je triumf vlnovej teórie svetla, ktorej triumfálny pochod začal 1. ročníky XIX V.
Tento triumf začal Bookerovou prednáškou anglického fyzika T. Younga „The Theory of Light and Color“, publikovanou v roku 1801, kde Young odvážne, na rozdiel od Newtona a iných slávnych priaznivcov korpuskulárnej teórie (vrátane Laplacea), načrtol podstatu vlnovej teórie svetla, ktorá hovorí, že vyžarované svetlo pozostáva z vlnovitých pohybov svietivého éteru. Laplace, inšpirovaný objavom polarizácie svetla, začal „zachraňovať“ krvinky vytvorením teórie dvojitého lomu svetla v kryštáloch založenej na dvojitom pôsobení molekúl kryštálov na svetelné krvinky. Ale nasledujúce práce fyzikov O.Zh. Fresnel, F.D. Aragon, J. Fraunhofer a ďalší nenechali kameň na kameni z korpuskulárnej teórie, na ktorú sa vážne spomenulo až o storočie neskôr, po objavení kvanta. Všetky diskusie o čiernych dierach v rámci vlnovej teórie svetla vtedy vyzerali smiešne.
Na čierne diery si hneď nespomenuli ani po „rehabilitácii“ korpuskulárnej teórie svetla, keď o nej začali hovoriť v novom úroveň kvality vďaka hypotéze o kvantách (1900) a fotónoch (1905). Po druhýkrát boli čierne diery znovuobjavené až po vytvorení Všeobecnej relativity v roku 1916, keď ich niekoľko mesiacov po zverejnení Einsteinových rovníc nemecký teoretický fyzik a astronóm K. Schwarzschild použil na štúdium štruktúry zakriveného časopriestoru. v blízkosti Slnka. Nakoniec znovu objavil fenomén čiernych dier, ale na hlbšej úrovni.
Posledný teoretický objav čiernych dier prišiel v roku 1939, keď Oppenheimer a Snyder urobili prvé explicitné riešenie Einsteinových rovníc na opis vzniku čiernej diery z kolabujúceho oblaku prachu. Samotný pojem „čierna diera“ prvýkrát zaviedol do vedy americký fyzik J. Wheeler v roku 1968, v rokoch rýchleho oživenia záujmu o všeobecnú teóriu relativity, kozmológie a astrofyziky, spôsobeného výdobytkami mimoatmosférických (najmä X-ray) astronómia, objav kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia, pulzarov a kvazarov.
« Sci-fi môže byť užitočná – podnecuje fantáziu a zbavuje strachu z budúcnosti. Oveľa prekvapivejšie však môžu byť vedecké fakty. Sci-fi si nikdy ani nepredstavovali existenciu takých vecí, ako sú čierne diery»
Stephen Hawking
V hlbinách vesmíru je pre ľudí ukrytých nespočetné množstvo záhad a tajomstiev. Jednou z nich sú čierne diery – objekty, ktorým ani ten najväčší rozum ľudstva nedokáže porozumieť. Stovky astrofyzikov sa snažia odhaliť podstatu čiernych dier, no v tejto fáze sme ich existenciu ani v praxi nepreukázali.
Filmoví režiséri im venujú svoje filmy a medzi obyčajnými ľuďmi sa čierne diery stali takým kultovým fenoménom, že sa stotožňujú s koncom sveta a neodvratnou smrťou. Sú obávaní a nenávidení, no zároveň sú zbožňovaní a uctievaní neznámym, ktoré v sebe tieto podivné fragmenty Vesmíru skrývajú. Súhlasíte, byť pohltený čiernou dierou je taká romantická vec. S ich pomocou je to možné a môžu sa nám stať aj sprievodcami v.
Žltá tlač často špekuluje o popularite čiernych dier. Nájsť v novinách titulky súvisiace s koncom sveta kvôli ďalšej zrážke so supermasívnou čiernou dierou nie je problém. Oveľa horšie je, že negramotná časť populácie berie všetko vážne a vyvoláva poriadnu paniku. Aby sme vniesli trochu jasnosti, vydáme sa na cestu k počiatkom objavu čiernych dier a pokúsime sa pochopiť, čo to je a ako s tým zaobchádzať.
Neviditeľné hviezdy
Náhodou sa stáva, že moderní fyzici opisujú štruktúru nášho vesmíru pomocou teórie relativity, ktorú Einstein opatrne poskytol ľudstvu na začiatku 20. storočia. Čierne diery sa stávajú ešte tajomnejšími, na horizonte udalostí, pri ktorých prestávajú platiť všetky nám známe fyzikálne zákony, vrátane Einsteinovej teórie. Nie je to úžasné? Navyše, dohady o existencii čiernych dier boli vyslovené dávno predtým, ako sa narodil samotný Einstein.
V roku 1783 došlo v Anglicku k výraznému nárastu vedeckej činnosti. V tých časoch išla veda bok po boku s náboženstvom, dobre spolu vychádzali a vedci už neboli považovaní za kacírov. Okrem toho sa kňazi venovali vedeckému výskumu. Jedným z týchto Božích služobníkov bol anglický pastor John Michell, ktorý sa zaoberal nielen otázkami existencie, ale aj úplne vedeckými problémami. Michell bol uznávaným vedcom: spočiatku bol učiteľom matematiky a starovekej lingvistiky na jednej z vysokých škôl a potom bol prijatý do Kráľovskej spoločnosti v Londýne za množstvo objavov.
John Michell študoval seizmológiu, no vo voľnom čase rád premýšľal o večnom a vesmíre. Prišiel teda s myšlienkou, že niekde v hlbinách Vesmíru môžu existovať superhmotné telesá s takou silnou gravitáciou, že na prekonanie gravitačnej sily takéhoto telesa je potrebné pohybovať sa rýchlosťou rovnou alebo vyššou ako rýchlosť svetla. Ak takúto teóriu prijmeme za pravdivú, potom ani svetlo nebude schopné vyvinúť druhú únikovú rýchlosť (rýchlosť nevyhnutnú na prekonanie gravitačnej príťažlivosti odchádzajúceho telesa), takže takéto teleso zostane voľným okom neviditeľné.
môj nová teória Michell ich nazval „temné hviezdy“ a zároveň sa pokúsil vypočítať hmotnosť takýchto objektov. Svoje myšlienky o tejto záležitosti vyjadril v otvorenom liste Kráľovskej spoločnosti v Londýne. Žiaľ, v tých časoch takýto výskum nemal pre vedu mimoriadnu hodnotu, a tak bol Michellov list odoslaný do archívov. Až o dvesto rokov neskôr, v druhej polovici 20. storočia, bola objavená medzi tisíckami ďalších záznamov starostlivo uložených v starobylej knižnici.
Prvý vedecký dôkaz o existencii čiernych dier
Po prepustení Všeobecná teória Einsteinova relativita vyšla najavo, matematici a fyzici sa vážne chopili riešenia rovníc prezentovaných nemeckým vedcom, ktoré nám mali povedať veľa nového o štruktúre vesmíru. Nemecký astronóm a fyzik Karl Schwarzschild sa v roku 1916 rozhodol urobiť to isté.
Vedec pomocou svojich výpočtov dospel k záveru, že existencia čiernych dier je možná. Bol tiež prvým, kto opísal to, čo sa neskôr nazývalo romantickou frázou „horizont udalostí“ – pomyselná hranica časopriestoru pri čiernej diere, po prekročení ktorej je bod, odkiaľ niet návratu. Z horizontu udalostí neunikne nič, ani svetlo. Až za horizontom udalostí dochádza k takzvanej „singularite“, kde nám známe fyzikálne zákony prestávajú platiť.
Schwarzschild, ktorý pokračoval vo vývoji svojej teórie a riešení rovníc, objavil pre seba a svet nové tajomstvá čiernych dier. Dokázal teda iba na papieri vypočítať vzdialenosť od stredu čiernej diery, kde je sústredená jej hmotnosť, k horizontu udalostí. Schwarzschild túto vzdialenosť nazval gravitačný polomer.
Napriek tomu, že matematicky Schwarzschildove riešenia boli mimoriadne správne a nedali sa vyvrátiť, vedeckej komunity Začiatok 20. storočia nemohol okamžite prijať takýto šokujúci objav a existencia čiernych dier bola odpísaná ako fantázia, ktorá sa každú chvíľu objavila v teórii relativity. Nasledujúce desaťročie a pol bol prieskum vesmíru na prítomnosť čiernych dier pomalý a zaoberalo sa ním len niekoľko prívržencov teórie nemeckého fyzika.
Hviezdy rodiace temnotu
Keď boli Einsteinove rovnice roztriedené na kúsky, nastal čas použiť vyvodené závery na pochopenie štruktúry vesmíru. Najmä v teórii hviezdneho vývoja. Nie je žiadnym tajomstvom, že v našom svete nič netrvá večne. Aj hviezdy majú svoj životný cyklus, aj keď dlhší ako človek.
Jedným z prvých vedcov, ktorí sa začali vážne zaujímať o hviezdny vývoj, bol mladý astrofyzik Subramanyan Chandrasekhar, rodák z Indie. V roku 1930 prepustil vedecká práca, ktorá opísala predpokladanú vnútornú štruktúru hviezd, ako aj ich životné cykly.
Už na začiatku 20. storočia vedci hádali o takom jave, akým je gravitačná kompresia (gravitačný kolaps). V určitom bode svojho života sa hviezda pod vplyvom gravitačných síl začne sťahovať obrovskou rýchlosťou. Spravidla sa to deje v okamihu smrti hviezdy, ale počas gravitačného kolapsu existuje niekoľko spôsobov, ako pokračovať v existencii horúcej gule.
Chandrasekharov vedecký poradca Ralph Fowler, svojho času uznávaný teoretický fyzik, predpokladal, že počas gravitačného kolapsu sa každá hviezda zmení na menšiu a teplejšiu – bieleho trpaslíka. Ukázalo sa však, že študent „prelomil“ teóriu učiteľa, ktorú na začiatku minulého storočia zdieľala väčšina fyzikov. Podľa práce mladého Inda zánik hviezdy závisí od jej počiatočnej hmotnosti. Napríklad bielymi trpaslíkmi sa môžu stať len tie hviezdy, ktorých hmotnosť nepresahuje 1,44-násobok hmotnosti Slnka. Toto číslo sa nazývalo Chandrasekharov limit. Ak hmotnosť hviezdy prekročila túto hranicu, potom umiera úplne iným spôsobom. Za určitých podmienok sa takáto hviezda v okamihu smrti môže znovuzrodiť na novú, neutrónová hviezda– ďalšia záhada moderného vesmíru. Teória relativity nám hovorí ešte jednu možnosť – stlačenie hviezdy na ultra malé hodnoty a tu začína zábava.
V roku 1932 sa v jednom z vedeckých časopisov objavil článok, v ktorom brilantný fyzik zo ZSSR Lev Landau navrhol, že počas kolapsu sa supermasívna hviezda stlačí do bodu s nekonečne malým polomerom a nekonečnou hmotnosťou. Napriek tomu, že takéto podujatie je z pohľadu nepripraveného človeka len veľmi ťažko predstaviteľné, Landau nebol ďaleko od pravdy. Fyzik tiež naznačil, že podľa teórie relativity bude gravitácia v takom bode taká veľká, že začne deformovať časopriestor.
Astrofyzikom sa Landauova teória páčila a naďalej ju rozvíjali. V roku 1939 sa v Amerike vďaka úsiliu dvoch fyzikov - Roberta Oppenheimera a Hartlanda Snydera - objavila teória, ktorá podrobne opísala supermasívna hviezda v momente kolapsu. V dôsledku takejto udalosti sa mala objaviť skutočná čierna diera. Napriek presvedčivosti argumentov vedci naďalej popierali možnosť existencie takýchto telies, ako aj premenu hviezd na ne. Dokonca aj Einstein sa od tejto myšlienky dištancoval a veril, že hviezda nie je schopná takýchto fenomenálnych premien. Iní fyzici svojimi vyjadreniami nešetrili a možnosť takýchto udalostí označili za absurdnú.
Veda však vždy dospeje k pravde, stačí si trochu počkať. A tak sa aj stalo.
Najjasnejšie objekty vo vesmíre
Náš svet je zbierkou paradoxov. Občas v nej koexistujú veci, ktorých spolužitie sa vymyká akejkoľvek logike. Napríklad výraz „čierna diera“ by si normálny človek nespojil s výrazom „neuveriteľne jasný“, ale objav na začiatku 60. rokov minulého storočia umožnil vedcom považovať toto tvrdenie za nesprávne.
Astrofyzikom sa pomocou ďalekohľadov podarilo objaviť na hviezdnej oblohe doposiaľ neznáme objekty, ktoré sa napriek tomu, že vyzerali ako obyčajné hviezdy, správali veľmi zvláštne. Americký vedec Martin Schmidt pri štúdiu týchto podivných svietidiel upozornil na ich spektrografiu, ktorej údaje ukázali odlišné výsledky zo skenovania iných hviezd. Jednoducho povedané, tieto hviezdy neboli ako ostatné, na ktoré sme zvyknutí.
Zrazu sa Schmidtovi rozsvietilo a všimol si posun v spektre v červenej oblasti. Ukázalo sa, že tieto objekty sú od nás oveľa ďalej ako hviezdy, ktoré sme zvyknutí pozorovať na oblohe. Napríklad objekt, ktorý pozoroval Schmidt, sa nachádzal dve a pol miliardy svetelných rokov od našej planéty, no žiaril tak jasne ako hviezda vzdialená asi sto svetelných rokov. Ukazuje sa, že svetlo z jedného takéhoto objektu je porovnateľné s jasnosťou celej galaxie. Tento objav bol skutočným prielomom v astrofyzike. Vedec nazval tieto objekty „kvázi-hviezdne“ alebo jednoducho „kvasar“.
Martin Schmidt pokračoval v štúdiu nových objektov a zistil, že takú jasnú žiaru môže spôsobiť len jeden dôvod – narastanie. Akrécia je proces, pri ktorom supermasívne teleso absorbuje okolitú hmotu pomocou gravitácie. Vedec dospel k záveru, že v strede kvazarov sa nachádza obrovská čierna diera, ktorá neuveriteľnou silou vťahuje do vesmíru hmotu, ktorá ju obklopuje. Keď je hmota absorbovaná dierou, častice sa zrýchlia na obrovské rýchlosti a začnú žiariť. Akási svetelná kupola okolo čiernej diery sa nazýva akrečný disk. Jeho vizualizácia bola dobre demonštrovaná vo filme Christophera Nolana Interstellar, ktorý vyvolal mnoho otázok: „Ako môže čierna diera žiariť?
Vedci dodnes našli na hviezdnej oblohe tisíce kvazarov. Tieto zvláštne sú neuveriteľné svetlé predmety sa nazývajú majáky vesmíru. Umožňujú nám trochu lepšie predstaviť si štruktúru kozmu a priblížiť sa k momentu, od ktorého to všetko začalo.
Hoci astrofyzici už mnoho rokov dostávali nepriame dôkazy o existencii supermasívnych neviditeľných objektov vo vesmíre, pojem „čierna diera“ do roku 1967 neexistoval. Aby sa zabránilo zložitým menám, americký fyzik John Archibald Wheeler navrhol nazvať takéto objekty „čierne diery“. prečo nie? Do istej miery sú čierne, pretože ich nevidíme. Okrem toho priťahujú všetko, dá sa do nich spadnúť, ako do skutočnej diery. A podľa moderných fyzikálnych zákonov je jednoducho nemožné dostať sa z takého miesta. Stephen Hawking však tvrdí, že pri cestovaní čiernou dierou sa môžete dostať do iného Vesmíru, iného sveta a to je nádej.
Strach z nekonečna
Vďaka prílišnej záhadnosti a romantizácii čiernych dier sa tieto predmety stali medzi ľuďmi skutočným hororovým príbehom. Žltá tlač rada špekuluje o negramotnosti obyvateľstva, publikuje úžasné príbehy o tom, ako sa k našej Zemi pohybuje obrovská čierna diera, ktorá v priebehu niekoľkých hodín pohltí slnečná sústava alebo jednoducho vyžaruje vlny toxického plynu smerom k našej planéte.
Obľúbená je najmä téma ničenia planéty pomocou Veľkého hadrónového urýchľovača, ktorý v roku 2006 postavili v Európe na území Európskej rady pre jadrový výskum (CERN). Vlna paniky začala ako niečí hlúpy vtip, no rástla ako snehová guľa. Niekto začal povrávať, že v urýchľovači častíc v urýchľovači by sa mohla vytvoriť čierna diera, ktorá by celú našu planétu pohltila. Samozrejme, rozhorčení ľudia začali požadovať zákaz experimentov na LHC v obave z tohto výsledku udalostí. Európsky súd začal dostávať žaloby požadujúce, aby bol zrážač uzavretý a vedci, ktorí ho vytvorili, potrestaní v plnom rozsahu zákona.
Fyzici v skutočnosti nepopierajú, že keď sa častice zrazia vo Veľkom hadrónovom urýchľovači, môžu vzniknúť objekty podobné vlastnosťami ako čierne diery, no ich veľkosť je na rovnakej úrovni ako napr. elementárne častice, a takéto „diery“ existujú tak krátko, že ich výskyt ani nedokážeme zistiť.
Jedným z hlavných odborníkov, ktorí sa snažia pred ľuďmi rozohnať vlnu nevedomosti, je Stephen Hawking, slávny teoretický fyzik, ktorý je navyše považovaný za skutočného „guru“ v oblasti čiernych dier. Hawking dokázal, že čierne diery nie vždy absorbujú svetlo, ktoré sa objavuje v akrečných diskoch, a časť z neho je rozptýlená do vesmíru. Tento jav sa nazýval Hawkingovo žiarenie alebo vyparovanie čiernej diery. Hawking tiež stanovil vzťah medzi veľkosťou čiernej diery a rýchlosťou jej „vyparovania“ – čím je menšia, tým menej v čase existuje. To znamená, že všetci odporcovia Veľkého hadrónového urýchľovača by sa nemali obávať: čierne diery v ňom nebudú schopné prežiť ani milióntinu sekundy.
Teória neoverená v praxi
Bohužiaľ, ľudská technológia v tomto štádiu vývoja nám neumožňuje testovať väčšinu teórií, ktoré vyvinuli astrofyzici a ďalší vedci. Na jednej strane bola existencia čiernych dier celkom presvedčivo dokázaná na papieri a odvodená pomocou vzorcov, v ktorých všetko sedí s každou premennou. Na druhej strane, v praxi sme zatiaľ nemohli vidieť skutočnú čiernu dieru na vlastné oči.
Napriek všetkým nezhodám fyzici naznačujú, že v strede každej galaxie sa nachádza supermasívna čierna diera, ktorá svojou gravitáciou zhromažďuje hviezdy do zhlukov a núti ich cestovať po vesmíre vo veľkej a priateľskej spoločnosti. V našej galaxii Mliečna dráha je podľa rôznych odhadov 200 až 400 miliárd hviezd. Všetky tieto hviezdy obiehajú okolo niečoho, čo má obrovskú hmotnosť, niečo, čo nemôžeme vidieť ďalekohľadom. S najväčšou pravdepodobnosťou ide o čiernu dieru. Máme sa jej báť? – Nie, aspoň nie v najbližších miliardách rokov, ale môžeme o tom nakrútiť ďalší zaujímavý film.
Pojem čierna diera pozná každý – od školákov až po starších ľudí, používa sa v vedeckej a beletrii, v žltých médiách a na vedeckých konferenciách. Ale čo presne také diery sú, nie je každému známe.
Z histórie čiernych dier
1783 Prvú hypotézu o existencii takého javu ako čierna diera predložil v roku 1783 anglický vedec John Michell. Vo svojej teórii spojil dva Newtonove výtvory – optiku a mechaniku. Michellova myšlienka bola takáto: ak je svetlo prúdom drobných častíc, tak ako všetky ostatné telesá, aj častice by mali zažiť príťažlivosť gravitačného poľa. Ukazuje sa, že čím je hviezda hmotnejšia, tým ťažšie je pre svetlo odolávať jej príťažlivosti. 13 rokov po Michellovi predložil francúzsky astronóm a matematik Laplace (pravdepodobne nezávisle od svojho britského kolegu) podobnú teóriu.
1915 Všetky ich diela však zostali až do začiatku 20. storočia nevyžiadané. V roku 1915 Albert Einstein publikoval Všeobecnú teóriu relativity a ukázal, že gravitácia je zakrivenie časopriestoru spôsobené hmotou a o niekoľko mesiacov neskôr ju nemecký astronóm a teoretický fyzik Karl Schwarzschild použil na riešenie konkrétneho astronomického problému. Skúmal štruktúru zakriveného časopriestoru okolo Slnka a znovu objavil fenomén čiernych dier.
(John Wheeler vymyslel termín „čierne diery“)
1967 Americký fyzik John Wheeler načrtol priestor, ktorý sa dá pokrčiť ako kus papiera do nekonečne malého bodu a označil ho výrazom „čierna diera“.
1974 Britský fyzik Stephen Hawking dokázal, že čierne diery, aj keď absorbujú hmotu bez návratu, môžu vyžarovať žiarenie a nakoniec sa vypariť. Tento jav sa nazýva „Hawkingovo žiarenie“.
2013 Najnovšie výskumy pulzarov a kvazarov, ako aj objav kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia konečne umožnili popísať samotný koncept čiernych dier. V roku 2013 sa oblak plynu G2 dostal veľmi blízko k čiernej diere a bude ňou s najväčšou pravdepodobnosťou pohltený, pričom pozorovanie jedinečného procesu poskytuje obrovské príležitosti na nové objavy vlastností čiernych dier.
(Masívny objekt Sagittarius A*, jeho hmotnosť je 4 milióny krát väčšia ako Slnko, čo znamená zhluk hviezd a vytvorenie čiernej diery.)
2017. Skupina vedcov z multikrajinského teleskopu Event Horizon Telescope, ktorý spája osem ďalekohľadov z rôznych miest na zemských kontinentoch, pozorovala čiernu dieru, čo je supermasívny objekt nachádzajúci sa v galaxii M87 v súhvezdí Panna. Hmotnosť objektu je 6,5 miliardy (!) slnečné hmoty, giganticky krát väčší ako masívny objekt Sagittarius A*, pre porovnanie, s priemerom o niečo menším, ako je vzdialenosť od Slnka po Pluto.
Pozorovania sa uskutočnili v niekoľkých etapách, počnúc jarou 2017 a počas celého roka 2018. Objem informácií sa rovnal petabajtom, ktoré sa potom museli dešifrovať a získať skutočný obraz ultra vzdialeného objektu. Dôkladné spracovanie všetkých údajov a ich spojenie do jedného celku preto trvalo ďalšie celé dva roky.
2019Údaje boli úspešne dešifrované a zobrazené, čím vznikol vôbec prvý obraz čiernej diery.
(Vôbec prvá snímka čiernej diery v galaxii M87 v súhvezdí Panna)
Rozlíšenie obrazu vám umožňuje vidieť tieň bodu, z ktorého niet návratu v strede objektu. Obraz bol získaný ako výsledok ultradlhých základných interferometrických pozorovaní. Ide o takzvané synchrónne pozorovania jedného objektu z viacerých rádioteleskopov vzájomne prepojených sieťou a umiestnených v rôzne časti zemegule, nasmerované jedným smerom.
Čo čierne diery vlastne sú
Lakonické vysvetlenie tohto javu vyzerá takto.
Čierna diera je časopriestorová oblasť, ktorej gravitačná príťažlivosť je taká silná, že ju nemôže opustiť žiadny objekt, vrátane svetelných kvánt.
Čierna diera bola kedysi masívnou hviezdou. Zatiaľ čo termonukleárne reakcie sa udržiavajú v jeho hĺbkach vysoký krvný tlak, všetko zostáva normálne. Ale časom sa zásoba energie vyčerpá a nebeské teleso, vplyvom vlastnej gravitácie sa začne stláčať. Konečným štádiom tohto procesu je kolaps hviezdneho jadra a vytvorenie čiernej diery.
- 1. Čierna diera vyvrhne prúd vysokou rýchlosťou
- 2. Disk hmoty vyrastie do čiernej diery
- 3. Čierna diera
- 4. Podrobný diagram oblasti čiernej diery
- 5. Veľkosť zistených nových pozorovaní
Najbežnejšou teóriou je, že podobné javy existujú v každej galaxii, vrátane stredu našej. mliečna cesta. Obrovská gravitačná sila diery je schopná udržať okolo seba niekoľko galaxií a bráni im, aby sa od seba vzdialili. „Oblasť pokrytia“ môže byť rôzna, všetko závisí od hmotnosti hviezdy, ktorá sa zmenila na čiernu dieru, a môže byť tisíce svetelných rokov.
Schwarzschildov polomer
Hlavnou vlastnosťou čiernej diery je, že akákoľvek látka, ktorá do nej spadne, sa už nikdy nemôže vrátiť. To isté platí pre svetlo. Vo svojom jadre sú diery telesá, ktoré úplne absorbujú všetko svetlo dopadajúce na ne a nevyžarujú žiadne vlastné. Takéto predmety sa môžu vizuálne javiť ako zrazeniny absolútnej tmy.
- 1. Hmota sa pohybuje polovičnou rýchlosťou svetla
- 2. Fotónový krúžok
- 3. Vnútorný fotónový kruh
- 4. Horizont udalostí v čiernej diere
Na základe Einsteinovej Všeobecnej teórie relativity, ak sa teleso priblíži ku kritickej vzdialenosti k stredu diery, už sa nebude môcť vrátiť. Táto vzdialenosť sa nazýva Schwarzschildov polomer. Čo presne sa deje vo vnútri tohto polomeru, nie je s určitosťou známe, ale existuje najbežnejšia teória. Predpokladá sa, že všetka hmota čiernej diery je sústredená v nekonečne malom bode a v jej strede je objekt s nekonečnou hustotou, ktorý vedci nazývajú singulárne narušenie.
Ako sa stane pád do čiernej diery?
(Na obrázku čierna diera Sagittarius A* vyzerá ako extrémne jasný zhluk svetla)
Nie je to tak dávno, v roku 2011, vedci objavili oblak plynu a dali mu jednoduchý názov G2, ktorý vyžaruje nezvyčajné svetlo. Táto žiara môže byť spôsobená trením v plyne a prachu spôsobenom čiernou dierou Sagittarius A*, ktorá okolo nej obieha ako akrečný disk. Stávame sa tak pozorovateľmi úžasného fenoménu pohlcovania oblaku plynu supermasívnou čiernou dierou.
Podľa nedávnych štúdií sa najbližšie priblíženie k čiernej diere uskutoční v marci 2014. Môžeme si znovu vytvoriť obraz o tom, ako sa toto vzrušujúce predstavenie bude odohrávať.
- 1. Keď sa oblak plynu prvýkrát objaví v údajoch, pripomína obrovskú guľu plynu a prachu.
- 2. Teraz, od júna 2013, je oblak desiatky miliárd kilometrov od čiernej diery. Padá do nej rýchlosťou 2500 km/s.
- 3. Očakáva sa, že oblak prejde okolo čiernej diery, ale slapové sily spôsobené rozdielom v gravitácii pôsobiacej na nábežnú a zadnú hranu oblaku spôsobia, že bude nadobúdať čoraz predĺženejší tvar.
- 4. Po roztrhnutí oblaku väčšina z neho s najväčšou pravdepodobnosťou pretečie do akrečného disku okolo Sagittarius A*, čím sa v ňom vygenerujú rázové vlny. Teplota vyskočí na niekoľko miliónov stupňov.
- 5. Časť oblaku spadne priamo do čiernej diery. Nikto presne nevie, čo sa s touto látkou bude ďalej diať, no očakáva sa, že pri páde bude vyžarovať silné prúdy röntgenových lúčov a už ju nikdy nikto neuvidí.
Video: čierna diera pohltí oblak plynu
(Počítačová simulácia toho, koľko z oblaku plynu G2 by zničila a spotrebovala čierna diera Sagittarius A*)
Čo je vo vnútri čiernej diery
Existuje teória, ktorá tvrdí, že čierna diera je vo vnútri prakticky prázdna a všetka jej hmota je sústredená v neuveriteľne malom bode umiestnenom v jej samom strede – singularite.
Podľa inej teórie, ktorá existuje už pol storočia, všetko, čo spadne do čiernej diery, prechádza do iného vesmíru umiestneného v samotnej čiernej diere. Teraz táto teória nie je hlavná.
A je tu aj tretia, najmodernejšia a húževnatá teória, podľa ktorej sa všetko, čo spadne do čiernej diery, rozpúšťa vo vibráciách strún na jej povrchu, ktorý je označený ako horizont udalostí.
Čo je teda horizont udalostí? Je nemožné pozrieť sa dovnútra čiernej diery ani pomocou supervýkonného ďalekohľadu, pretože ani svetlo, ktoré vstupuje do obrovského kozmického lievika, nemá šancu vrátiť sa späť. Všetko, čo sa dá aspoň ako-tak zvážiť, sa nachádza v jeho tesnej blízkosti.
Horizont udalostí je konvenčná povrchová čiara, spod ktorej nemôže uniknúť nič (ani plyn, ani prach, ani hviezdy, ani svetlo). A toto je veľmi tajomný bod, odkiaľ niet návratu v čiernych dierach vesmíru.
Podľa nedávneho vyhlásenia astronómov z Ohio University sa nezvyčajné dvojité jadro v galaxii Andromeda vysvetľuje zhlukom hviezd rotujúcich po eliptických dráhach okolo nejakého masívneho objektu, s najväčšou pravdepodobnosťou čiernej diery. Tieto závery boli urobené na základe údajov získaných pomocou Hubbleovho vesmírneho teleskopu. Binárne jadro Andromedy bolo prvýkrát objavené v 70. rokoch, ale až v polovici 90. rokov bola predložená teória čiernych dier.
Myšlienka, že čierne diery existujú v jadrách galaxií, nie je nová.
Existujú dokonca všetky dôvody domnievať sa, že Mliečna dráha - galaxia, do ktorej patrí Zem - má vo svojom jadre veľkú čiernu dieru, ktorej hmotnosť je 3 miliónkrát väčšia ako hmotnosť Slnka. Skúmanie jadra galaxie Andromeda, ktoré sa nachádza vo vzdialenosti 2 milióny svetelných rokov, je však jednoduchšie ako jadro našej galaxie, do ktorého svetlo putuje len 30 tisíc rokov – pre stromy nevidíte les.
Vedci simulujú zrážky čiernych dier
Aplikácia numerickej simulácie na superpočítačoch na objasnenie podstaty a správania čiernych dier, štúdium gravitačných vĺn.
Vedci z Inštitútu gravitačnej fyziky (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik), tiež známeho ako Inštitút Alberta Einsteina a nachádzajúceho sa v Golme, na predmestí Postupimu (Nemecko), prvýkrát simulovali zlúčenie dvoch čiernych dier. Plánovaná detekcia gravitačných vĺn vyžarovaných dvoma spájajúcimi sa čiernymi dierami si vyžaduje úplné 3D simulácie na superpočítačoch.
Čierne diery sú také husté, že neodrážajú ani nevyžarujú žiadne svetlo – preto je také ťažké ich odhaliť. O pár rokov však vedci dúfajú v výrazný posun v tejto oblasti.
Gravitačné vlny, ktoré doslova zapĺňajú vesmír, možno na začiatku budúceho storočia odhaliť pomocou nových prostriedkov.
Vedci pod vedením profesora Eda Seidela (Dr. Ed Seidel) pripravujú pre takéto štúdie numerické simulácie, ktoré poskytnú pozorovateľom spoľahlivý spôsob detekcie vĺn produkovaných čiernymi dierami. „Zrážky čiernych dier sú jedným z hlavných zdrojov gravitačných vĺn,“ povedal profesor Seidel, ktorý viedol výskum. posledné rokyúspešný výskum pri modelovaní gravitačných vĺn, ktoré sa objavujú pri kolapse čiernych dier počas priamych zrážok.
Interakcia dvoch špirálovitých čiernych dier a ich zlúčenie sú však bežnejšie ako priame zrážky a majú v astronómii väčší význam. Takéto tangenciálne zrážky prvýkrát vypočítal Bernd Brugman, pracujúci v Inštitúte Alberta Einsteina.
V tom čase však pre nedostatok výpočtového výkonu nebol schopný vypočítať taký základ dôležité detaily, ako presnú stopu vyžarovaných gravitačných vĺn, obsahujúcu dôležité informácie o správaní čiernych dier pri zrážke. Brugman zverejnil najnovšie výsledky v časopise „International Journal of Modern Physics“.
Vo svojich prvých výpočtoch použil Brugman server Origin 2000 inštitútu, ktorý zahŕňa 32 samostatných procesorov bežiacich paralelne s celkovým špičkovým výkonom 3 miliardy operácií za sekundu. A v júni tohto roku už medzinárodný tím zložený z Brugmana, Seidela a ďalších vedcov pracoval s oveľa výkonnejším 256-procesorovým superpočítačom Origin 2000 v Národnom centre pre superpočítačové aplikácie (NCSA). V skupine boli aj vedci z
Louis University (USA) a z výskumného centra Konrad-Zuse-Zentrum v Berlíne. Tento superpočítač poskytol prvú podrobnú simuláciu tangenciálnych zrážok čiernych dier nerovnakej hmotnosti, ako aj ich rotácií, ktoré už predtým študoval Brugman. Wernerovi Bengerovi z Konrad-Zuse-Zentrum sa dokonca podarilo reprodukovať ohromujúci obraz procesu kolízie. Ukázalo sa, ako sa „čierne príšery“ s hmotnosťou od jedného do niekoľkých stoviek miliónov slnečných hmôt spojili a vytvorili výbuchy gravitačných vĺn, ktoré bolo možné čoskoro odhaliť špeciálnymi prostriedkami.
Jeden z najdôležitejších výsledkov tohto výskumné práce bol objav obrovskej energie vyžarovanej pri zrážke čiernych dier v podobe gravitačných vĺn. Ak sa dva objekty s hmotnosťou ekvivalentnou 10 a 15 hmotnosti Slnka dostanú do vzdialenosti 30 míľ od seba a zrazia sa, množstvo gravitačnej energie zodpovedá 1 % ich hmotnosti. "To je tisíckrát viac ako všetka energia uvoľnená naším Slnkom za posledných päť miliárd rokov." - poznamenal Brugman. Keďže väčšina veľkých kolízií vo vesmíre sa vyskytuje veľmi ďaleko od Zeme, signály by mali byť veľmi slabé v momente, keď dosiahnu Zem.
Vo svete sa začala výstavba niekoľkých vysoko presných detektorov.
Jeden z nich, skonštruovaný Inštitútom Maxa Plancka ako súčasť nemecko-britského projektu Geo 600, je laserový interferometer dlhý 0,7 míle. Vedci dúfajú, že zmerajú krátke gravitačné poruchy, ku ktorým dochádza pri zrážkach čiernych dier, no očakávajú len jednu takúto zrážku za rok a to vo vzdialenosti asi 600 miliónov svetelných rokov. Počítačové modely sú potrebné na to, aby poskytli pozorovateľom spoľahlivé informácie o detekcii vĺn produkovaných čiernymi dierami. Vďaka zlepšeniam v možnostiach simulácie superpočítačov sú vedci na pokraji nového typu experimentálnej fyziky.
Astronómovia tvrdia, že poznajú polohu mnohých tisícov čiernych dier, ale na Zemi s nimi nie sme schopní robiť žiadne experimenty. „Len v jednom prípade budeme môcť študovať detaily a zostaviť ich numerický model v našich počítačoch a pozorovať ho,“ vysvetlil profesor Bernard Schutz, riaditeľ Inštitútu Alberta Einsteina. "Verím, že štúdium čiernych dier bude pre astronómov kľúčovou témou výskumu v prvej dekáde budúceho storočia."
Sprievodná hviezda vám umožňuje vidieť prach zo supernovy.
Čierne diery nie je možné vidieť priamo, ale astronómovia môžu vidieť dôkaz o ich existencii, keď plyny chrlia na sprievodnú hviezdu.
Ak vybuchnete dynamit, potom malé úlomky výbušný prenikne hlboko do blízkych predmetov, čím zanechá nezmazateľný dôkaz o explózii, ku ktorej došlo.
Astronómovia našli podobný odtlačok na hviezde obiehajúcej okolo čiernej diery, nie bezdôvodne veria, že čierna diera - bývalá hviezda, ktorá sa zrútila tak, že ani svetlo neprekoná jej gravitáciu - bola vytvorená výbuchom supernovy.
Svetlo v tme.
V tom čase už astronómovia pozorovali výbuchy supernov a na ich mieste objavili bodkované objekty, ktoré boli podľa ich názoru čierne diery. Nový objav je prvým skutočným dôkazom prepojenia jednej udalosti s druhou. (Čierne diery nie je možné vidieť priamo, ale ich prítomnosť môže byť niekedy odvodená z účinku ich gravitačného poľa na blízke objekty.
Systém hviezd a čiernych dier, označený ako GRO J1655-40, sa nachádza vo vzdialenosti približne 10 000 svetelných rokov v rámci našej galaxie Mliečna dráha. Bola objavená v roku 1994 a upútala pozornosť astronómov intenzívnymi röntgenovými lúčmi a prívalom rádiových vĺn, keď čierna diera tlačila plyny k sprievodnej hviezde vzdialenej 7,4 milióna míľ.
Vedci zo Španielska a Ameriky sa začali bližšie zaoberať sprievodnou hviezdou a verili, že si môže zachovať nejakú stopu naznačujúcu proces vzniku čiernej diery.
Predpokladá sa, že čierne diery veľkosti hviezd sú telá veľkých hviezd, ktoré sa po spotrebovaní všetkého vodíkového paliva jednoducho zmenšili na túto veľkosť. Ale z dôvodov, ktoré sú stále nejasné, sa umierajúca hviezda pred výbuchom premení na supernovu.
Pozorovania systému GRO J1655-40 v auguste a septembri 1994 ukázali, že vyvrhnutý plyn prúdil rýchlosťou až 92 % rýchlosti svetla, čo čiastočne dokázalo prítomnosť čiernej diery.
Hviezdny prach.
Ak sa vedci nemýli, tak niektoré z explodujúcich hviezd, ktoré boli pravdepodobne 25-40-krát väčšie ako naše Slnko, sa zmenili na prežívajúce satelity.
Presne tieto údaje objavili astronómovia.
Atmosféra sprievodnej hviezdy obsahovala vyššie než normálne koncentrácie kyslíka, horčíka, kremíka a síry – ťažkých prvkov, ktoré môžu byť vytvorené len vo veľkých množstvách pri teplotách niekoľkých miliárd stupňov dosiahnutých počas výbuchu supernovy. Toto bol prvý dôkaz, ktorý skutočne podporil teóriu, že niektoré čierne diery sa prvýkrát objavili ako supernovy, pretože to, čo bolo vidieť, sa nemohlo zrodiť z hviezdy, ktorú astronómovia pozorovali.