V vesolju se zgodi marsikaj neverjetnega, zaradi česar se pojavijo nove zvezde, izginejo stare in nastanejo črne luknje. Eden izmed veličastnih in skrivnostnih pojavov je gravitacijski kolaps, ki konča razvoj zvezd.

Zvezdna evolucija je cikel sprememb, skozi katere gre zvezda v svojem življenju (milijone ali milijarde let). Ko vodika v njem zmanjka in se spremeni v helij, nastane helijevo jedro, sam pa se začne spreminjati v rdečega velikana - zvezdo poznih spektralnih razredov, ki ima visoko svetilnost. Njihova masa je lahko 70-krat večja od mase Sonca. Zelo svetle supergigante imenujemo hipergiganti. Poleg visoke svetlosti imajo kratko življenjsko dobo.

Bistvo propada

Ta pojav se šteje končna točka razvoj zvezd, katerih teža je večja od treh Sončevih mas (teža Sonca). Ta količina se uporablja v astronomiji in fiziki za določanje teže drugih vesoljskih teles. Do kolapsa pride, ko gravitacijske sile povzročijo, da se ogromna kozmična telesa z veliko maso zelo hitro stisnejo.

Zvezde, ki tehtajo več kot tri sončne mase, vsebujejo dovolj materiala za dolgotrajne termonuklearne reakcije. Ko zmanjka snovi, se termonuklearna reakcija ustavi in ​​zvezde niso več mehansko stabilne. To vodi do dejstva, da se začnejo stiskati proti središču z nadzvočno hitrostjo.

Nevtronske zvezde

Ko se zvezde sesedejo, se ustvari notranji pritisk. Če raste z zadostno silo, da ustavi gravitacijsko stiskanje, se pojavi nevtronska zvezda.

Tako kozmično telo ima preprosto strukturo. Zvezda je sestavljena iz jedra, ki ga pokriva skorja, ta pa je sestavljena iz elektronov in atomskih jeder. Debelo je približno 1 km in je razmeroma tanko v primerjavi z drugimi telesi, najdenimi v vesolju.

Teža nevtronskih zvezd je enaka teži Sonca. Razlika med njimi je, da je njihov polmer majhen - ne več kot 20 km. Znotraj njih medsebojno delujejo atomska jedra in tako tvorijo jedrsko snov. Pritisk z njene strani preprečuje nevtronski zvezdi nadaljnje krčenje. Ta vrsta zvezd je zelo različna visoka hitrost vrtenje. V eni sekundi so sposobni narediti na stotine vrtljajev. Proces rojstva se začne z eksplozijo supernove, ki se pojavi med gravitacijskim kolapsom zvezde.

Supernove

Eksplozija supernove je fenomen nenadna sprememba svetlost zvezde. Nato začne zvezda počasi in postopoma bledeti. Tako se konča zadnja stopnja gravitacijski kolaps. Celotno kataklizmo spremlja sprostitev velika količina energije.

Treba je opozoriti, da lahko prebivalci Zemlje ta pojav vidijo šele naknadno. Svetloba doseže naš planet kasneje dolgo obdobje po pojavu izbruha. To je povzročilo težave pri določanju narave supernov.

Hlajenje nevtronske zvezde

Po koncu gravitacijskega krčenja, ki je povzročilo nastanek nevtronske zvezde, je njena temperatura zelo visoka (veliko višja od temperature Sonca). Zvezda se ohladi zaradi ohlajanja nevtrinov.

V nekaj minutah lahko njihova temperatura pade 100-krat. V naslednjih sto letih - še 10-krat. Ko se zmanjša, se proces hlajenja znatno upočasni.

Oppenheimer-Volkoffova meja

Po eni strani ta indikator odraža največjo možno težo nevtronske zvezde, pri kateri se gravitacija kompenzira z nevtronskim plinom. To preprečuje, da bi se gravitacijski kolaps končal v črni luknji. Po drugi strani pa je tako imenovana Oppenheimer-Volkoffova meja tudi spodnji prag za težo črne luknje, ki je nastala med razvojem zvezd.

Zaradi številnih netočnosti je težko določiti natančno vrednost tega parametra. Ocenjuje pa se, da je v območju od 2,5 do 3 sončne mase. Znanstveniki pravijo, da je trenutno najtežja nevtronska zvezda J0348+0432. Njegova teža je večja od dveh sončnih mas. Sama teža svetlo črna Luknja je 5-10 sončnih mas. Astrofiziki pravijo, da so ti podatki eksperimentalni in se nanašajo le na trenutno znane nevtronske zvezde in črne luknje ter nakazujejo možnost obstoja masivnejših.

Črne luknje

Črna luknja je eden najbolj neverjetnih pojavov v vesolju. Predstavlja območje prostora-časa, kjer gravitacijska privlačnost ne dovoli nobenim predmetom, da bi pobegnili iz njega. Tudi telesa, ki se lahko gibljejo s svetlobno hitrostjo (vključno s kvanti same svetlobe), je ne morejo zapustiti. Pred letom 1967 so črne luknje imenovali "zmrznjene zvezde", "kolapsarji" in "zrušene zvezde".

Črna luknja ima svoje nasprotje. Imenuje se bela luknja. Kot veste, je nemogoče priti ven iz črne luknje. Kar se tiče belih, jih ni mogoče prebiti.

Poleg gravitacijskega kolapsa lahko nastanek črne luknje povzroči kolaps v središču galaksije ali protogalaktičnega očesa. Obstaja tudi teorija, da so črne luknje nastale kot posledica velikega poka, tako kot naš planet. Znanstveniki jih imenujejo primarni.

V naši Galaksiji je ena črna luknja, ki je po mnenju astrofizikov nastala zaradi gravitacijskega kolapsa supermasivnih objektov. Znanstveniki pravijo, da takšne luknje tvorijo jedra številnih galaksij.

Astronomi v Združenih državah kažejo, da je velikost velikih črnih lukenj morda precej podcenjena. Njihove predpostavke temeljijo na dejstvu, da mora biti masa črne luknje v središču galaksije M87 vsaj 6,5, da zvezde dosežejo hitrost, s katero se gibljejo skozi galaksijo M87, ki se nahaja 50 milijonov svetlobnih let od našega planeta. milijarde sončnih mas. Trenutno je splošno sprejeto, da je teža največje črne luknje 3 milijarde sončnih mas, torej več kot pol manj.

Sinteza črne luknje

Obstaja teorija, da se lahko ti predmeti pojavijo kot posledica jedrskih reakcij. Znanstveniki so jih poimenovali kvantna črna darila. Njihov najmanjši premer je 10 -18 m, najmanjša masa pa 10 -5 g.

Veliki hadronski trkalnik je bil zgrajen za sintezo mikroskopskih črnih lukenj. Predpostavljalo se je, da bo z njegovo pomočjo mogoče ne samo sintetizirati črno luknjo, temveč tudi simulirati Big Bang, kar bi omogočilo poustvariti proces nastajanja številnih vesoljskih objektov, vključno s planetom Zemljo. Vendar poskus ni uspel, ker ni bilo dovolj energije za ustvarjanje črnih lukenj.

Gravitacija je temeljna tema mnogih od teh vprašanj. To je odločilna sila v vesolju. Drži planete v njihovih orbitah, povezuje zvezde in galaksije ter določa usodo našega vesolja. Teoretični opis gravitacije, ki ga je ustvaril Isaac Newton v 17. stoletju, ostaja dovolj natančen za izračun poti vesoljskih plovil na poletih na Mars, Jupiter in. onstran. Toda po letu 1905, ko je Albert Einstein v svoji posebni relativnostni teoriji pokazal, da je takojšen prenos informacij nemogoč, so fiziki ugotovili, da Newtonovi zakoni ne bodo več ustrezni, ko se bo hitrost gibanja, ki ga povzroča gravitacija, približala svetlobni hitrosti. Vendar pa je Einsteinova splošna teorija relativnosti (objavljena leta 1916) precej dosledna pri opisovanju celo situacij, kjer je gravitacija izjemno močna. Splošna relativnostna teorija velja za enega od dveh stebrov fizike 20. stoletja; druga je kvantna teorija, revolucija v idejah, ki je napovedala naše sodobno razumevanje atomov in njihovih jeder. Einsteinov intelektualni podvig je bil še posebej impresiven, ker za razliko od pionirjev kvantna teorija, ni imel spodbude v obliki eksperimentalnega problema Šele 50 let pozneje so astronomi odkrili objekte z dovolj močnim gravitacijskim poljem, v katerih bi se lahko pojavile najbolj značilne in osupljive značilnosti Einsteinove teorije. V zgodnjih 60. letih prejšnjega stoletja so odkrili objekte z zelo visoko svetilnostjo - kvazarje. Zdelo se je, da potrebujejo še učinkovitejši vir energije od jedrske fuzije, zahvaljujoč kateri zvezde svetijo; gravitacijski kolaps se je zdel najbolj privlačna razlaga. Ameriški teoretik Thomas Gold je izrazil navdušenje, ki je takrat zajelo teoretike. V popoldanskem govoru na prvi večji konferenci o novem predmetu relativistične astrofizike, ki je potekala v Dallasu leta 1963, je dejal: »Relativisti s svojim prefinjenim delom niso le sijajen okras kulture, ampak so lahko koristni za vsakogar! veseli: relativisti, ki čutijo, da je njihovo delo priznano, da so kar naenkrat postali strokovnjaki na področju, za katerega sploh niso vedeli, da obstaja; astrofiziki, ki so razširili svoje področje delovanja ... Vse to je zelo lepo, upajmo, da je prav. "Opazovanja z uporabo novih metod radijske in rentgenske astronomije so podprla Goldov optimizem. V petdesetih letih prejšnjega stoletja najboljši optični teleskopi sveta so bili skoncentrirani v Združenih državah, zlasti v Kaliforniji. Ta selitev iz Evrope se je zgodila tako zaradi podnebnih kot finančnih razlogov. Radijski valovi iz vesolja pa lahko potujejo skozi oblake, torej v Evropi in Avstraliji nova znanost- radioastronomija - bi se lahko razvila brez vpliva vremenskih razmer. Ugotovljeni so bili nekateri najmočnejši viri kozmičnega radijskega šuma. Ena je bila meglica Rakovica, razširjajoči se ostanki eksplozije supernove, ki so jo vzhodni astronomi opazili leta 1054. Drugi viri so bili oddaljeni zunajgalaktični objekti, za katere zdaj razumemo, da ustvarjajo energijo v bližini velikanskih črnih lukenj. Ta odkritja so bila nepričakovana. Fizikalni procesi, odgovorni za oddajanje radijskih valov, ki so zdaj dokaj dobro razumljeni, niso bili predvideni, najbolj izjemen nepričakovan dosežek radioastronomije je bilo odkritje nevtronskih zvezd leta 1967 s strani Anthonyja Hewisha in Jocelyn Bell. Te zvezde so gosti ostanki, ki ostanejo v središču po nekaj eksplozijah supernove. Odkrili so jih kot pulzarje: vrtijo se (včasih večkrat na sekundo) in oddajajo močan žarek radijskih valov, ki gre skozi naš vidni okvir enkrat na vrtenje. Pomen nevtronskih zvezd je v njihovi skrajnosti fizične razmere: kolosalne gostote, močna magnetna in gravitacijska polja Leta 1969 so v središču meglice Rakovica odkrili zelo hiter (30 Hz). Natančna opazovanja so pokazala, da se frekvenca pulzov postopoma zmanjšuje. To je bilo naravno, če se rotacijska energija zvezde postopoma pretvori v veter delcev, ki meglico ohranja v modri svetlobi. Zanimivo je, da je frekvenca pulzarja - 30 na sekundo - tako visoka, da ga oko vidi kot stalen vir. Če bi bila tako svetla, a bi se vrtela počasneje – recimo 10-krat na sekundo – bi bile izjemne lastnosti majhne zvezde morda odkrite že pred 70 leti. Kako bi bil razvoj fizike 20. stoletja drugačen, če bi supergosto snov odkrili v dvajsetih letih prejšnjega stoletja, preden so na Zemlji odkrili nevtrone? Čeprav nihče ne ve, je gotovo, da bi se pomembnost astronomije za temeljno fiziko zavedala veliko prej. Nevtronske zvezde so bile odkrite po naključju. Nihče ni pričakoval, da bodo oddajali tako močne in jasne radijske impulze. Če bi teoretike v zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja vprašali, kako najbolje zaznati nevtronske zvezde, bi večina predlagala iskanje rentgenskih žarkov. Če nevtronske zvezde oddajajo toliko energije kot navadne zvezde z veliko manjšega območja, bi morale biti dovolj vroče, da oddajajo rentgenske žarke. Tako se je zdelo, da imajo rentgenski astronomi najboljše priložnosti odkrivajo nevtronske zvezde, vendar se rentgenski žarki iz vesolja absorbirajo v zemeljski atmosferi in jih je mogoče opazovati samo iz vesolja. Rentgenska astronomija je tako kot radioastronomija dobila zagon iz vojaške tehnologije in izkušenj. Na tem področju so ameriški znanstveniki prevzeli vodilno vlogo, zlasti pokojni Herbert Friedman in njegovi kolegi iz ameriškega mornariškega raziskovalnega laboratorija. Njihovi prvi detektorji rentgenskih žarkov, nameščeni na rakete, so delovali le nekaj minut, preden so padli na tla. Rentgenska astronomija je močno napredovala v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je NASA izstrelila prvi rentgenski satelit, ki je več let zbiral informacije. Ta projekt in mnogi, ki so sledili, so pokazali, da je rentgenska astronomija odprla pomembno novo okno v vesolje. Rentgenske žarke oddajajo nenavadno vroč plin in posebej močni viri. Zato rentgenski zemljevid neba poudarja najbolj vroče in najmočnejše objekte v vesolju. Med njimi so nevtronske zvezde, v katerih je masa vsaj nič manjša od mase Sonca, skoncentrirane v prostornini s premerom nekaj več kot 10 kilometrov. Gravitacijska sila na njih je tako močna, da relativistični popravki dosegajo tudi do 30 %. Trenutno se domneva, da lahko nekateri ostanki zvezd med kolapsom presežejo gostoto nevtronskih zvezd in se spremenijo v črne luknje, ki še bolj popačijo čas in prostor kot nevtroni. zvezde. Astronavt, ki se poda v obzorje črne luknje, ne bo mogel oddajati svetlobnih signalov- kot da se prostor sam posrka vase hitreje, kot se skozenj premika svetloba. Zunanji opazovalec ne bo nikoli izvedel končne usode astronavta. Zdelo se mu bo, da bo vsaka ura, ki bo padla notri, šla vse počasneje. Tako bo astronavt tako rekoč pripet na obzorje, ustavljen v času. Ruska teoretika Yakov Zeldovich in Igor Novikov, ki sta proučevala, kako se čas popači okoli zrušenih objektov, sta v zgodnjih šestdesetih predlagala izraz "zamrznjene zvezde". Izraz "črna luknja" je bil skovan leta 1968, ko je John Wheeler opisal, kako "svetloba in delci, ki padajo od zunaj ... padejo v črno luknjo, le povečajo njeno maso in gravitacijsko silo." Črne luknje, ki so končno evolucijsko stanje zvezd , imajo radije od 10 do 50 kilometrov. Toda zdaj obstajajo prepričljivi dokazi, da v središčih večine galaksij obstajajo črne luknje z maso milijonov ali celo milijard sončnih mas. Nekateri od njih se manifestirajo kot kvazarji - strdki energije, ki svetijo svetlejše od vseh zvezd galaksij, v katerih se nahajajo, ali kot močni viri kozmičnega radijskega sevanja. Druge, vključno s črno luknjo v središču naše galaksije, ne kažejo takšne dejavnosti, vendar vplivajo na orbite zvezd, ki se jim približajo, če jih gledamo od zunaj, so standardizirani objekti: ni znakov, po katerih lahko bi ugotovili, kako je določena črna luknja nastala ali katere predmete je pogoltnila. Leta 1963 je Novozelandec Roy Kerr odkril rešitev Einsteinovih enačb, ki je opisala zrušen vrteči se predmet. "Kerrova rešitev" je postala zelo pomembno, ko so teoretiki ugotovili, da opisuje prostor-čas okoli katere koli črne luknje. Sesedajoči se predmet se hitro vzpostavi v standardizirano stanje, za katerega sta značilni samo dve številki, ki merita njegovo maso in vrtenje. Roger Penrose, matematični fizik, ki je morda največ naredil za oživitev relativnosti v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, je opazil: »Nekoliko ironično je, da je za najbolj nenavaden in najmanj poznan astrofizikalni objekt, črno luknjo, naša teoretična slika najbolj popolna.« Odkritje črne luknje so utrle pot za preizkušanje najbolj izjemnih posledic Einsteinove teorije. Emisija iz takih objektov je predvsem posledica vročega plina, ki pada v spirali v "gravitacijsko jamo". Kaže močan Dopplerjev učinek in ima tudi dodaten rdeči premik zaradi močnega gravitacijskega polja. Spektroskopska študija tega sevanja, zlasti rentgenskih žarkov, nam bo omogočila, da preiščemo tok zelo blizu črne luknje in ugotovimo, ali se oblika prostora ujema z napovedmi teorije.

»Ostanki eksplodiranega jedra so znani kot nevtronska zvezda. Nevtronske zvezde se vrtijo zelo hitro, oddajajo svetlobo in radijske valove, ki se ob prehodu mimo Zemlje zdijo kot svetloba kozmičnega svetilnika.

Zaradi nihanj v svetlosti teh valov so astronomi takšne zvezde imenovali pulsarji. Najhitrejši pulzarji se vrtijo s hitrostjo skoraj 1000 vrtljajev na sekundo." (1)

»Do danes jih je bilo odprtih več kot dvesto. S snemanjem sevanja pulzarjev na različnih, a podobnih frekvencah je bilo mogoče iz zakasnitve signala na daljši valovni dolžini (ob predpostavki določene gostote plazme v medzvezdnem mediju) določiti razdaljo do njih. Izkazalo se je, da se vsi pulsarji nahajajo na razdaljah od 100 do 25.000 svetlobnih let, tj. pripadajo naši galaksiji in se združujejo blizu ravnine. Rimska cesta(slika 7)". (2)

Črne luknje

»Če ima zvezda dvakrat večjo maso od Sonca, lahko proti koncu svojega življenja zvezda eksplodira kot supernova, če pa je masa materiala, ki ostane po eksploziji, še vedno večja od dvakratne mase Sonca, bi morala zvezda se sesede v gosto drobno telo, saj gravitacijske sile popolnoma zatrejo kakršen koli upor proti stiskanju. Znanstveniki verjamejo, da ravno v tem trenutku katastrofalen gravitacijski kolaps povzroči nastanek črne luknje. Menijo, da s koncem termonuklearnih reakcij zvezda ne more biti več v stabilnem stanju. Nato za masivno zvezdo ostane ena neizogibna pot: pot splošnega in popolnega stiskanja (kolapsa), ki jo spremeni v nevidno črno luknjo.

Leta 1939 sta se R. Oppenheimer in njegov podiplomski študent Snyder na Univerzi v Kaliforniji (Berkeley) ukvarjala z razjasnitvijo končne usode velike mase hladne snovi. Ena najbolj impresivnih posledic Einsteinove splošne teorije relativnosti se je izkazala za naslednjo: ko se velika masa začne sesedati, tega procesa ni mogoče ustaviti in masa se sesede v črno luknjo. Če se na primer nerotacijska simetrična zvezda začne krčiti na kritično velikost, znano kot gravitacijski polmer ali Schwarzschildov polmer (poimenovan po Karlu Schwarzschildu, ki je prvi opozoril na njen obstoj). Če zvezda doseže ta radij, potem ji nič ne more preprečiti, da bi do konca propadla, torej da bi se dobesedno zaprla vase.

Kaj so fizikalne lastnosti"črne luknje" in kako znanstveniki pričakujejo, da bodo odkrili te predmete? Mnogi znanstveniki so razmišljali o teh vprašanjih; Prejetih je nekaj odgovorov, ki lahko pomagajo pri iskanju tovrstnih predmetov.

Že samo ime - črne luknje - nakazuje, da gre za razred predmetov, ki jih ni mogoče videti. Njihovo gravitacijsko polje je tako močno, da če bi se nekako lahko približali črni luknji in usmerili žarek najmočnejšega žarometa stran od njene površine, potem tega žarometa ne bi bilo mogoče videti niti z razdalje, ki ne presega razdalje od Zemlje do Sonca. Dejansko, tudi če bi lahko skoncentrirali vso sončno svetlobo v tem močnem reflektorju, ga ne bi videli, saj svetloba ne bi mogla premagati vpliva gravitacijskega polja črne luknje nanjo in zapustiti njene površine. Zato takšno površino imenujemo absolutni horizont dogodkov. Predstavlja mejo črne luknje.

Znanstveniki ugotavljajo, da teh nenavadnih predmetov ni enostavno razumeti, medtem ko ostajajo v okviru Newtonovega zakona gravitacije. Blizu površine črne luknje je gravitacija tako močna, da običajni Newtonovi zakoni tukaj ne veljajo več. Nadomestiti jih je treba z zakoni Einsteinove splošne teorije relativnosti. Po eni od treh posledic Einsteinove teorije naj bi svetloba, ko zapusti masivno telo, doživela rdeči premik, saj izgubi energijo, da premaga gravitacijsko polje zvezde. Sevanje, ki prihaja iz goste zvezde, kot je bela pritlikavka Sirius A, je le rahlo premaknjeno rdeče. Gostejša kot je zvezda, večji je ta premik, tako da nobeno sevanje v vidnem območju spektra ne prihaja iz super-goste zvezde. Če pa se gravitacijski učinek zvezde poveča zaradi njenega stiskanja, potem so gravitacijske sile tako močne, da svetloba zvezde sploh ne more zapustiti. Tako je za vsakega opazovalca možnost, da bi videl črno luknjo, popolnoma izključena! Toda potem se seveda pojavi vprašanje: če ni vidno, kako ga potem lahko odkrijemo? Da bi odgovorili na to vprašanje, se znanstveniki poslužujejo spretnih trikov. Ruffini in Wheeler sta temeljito preučila to težavo in predlagala več načinov, če že ne videti, pa vsaj odkriti črno luknjo. Začnimo z dejstvom, da ko se črna luknja rodi v procesu gravitacijskega sesedanja, bi morala oddajati gravitacijske valove, ki bi lahko prečkali vesolje s svetlobno hitrostjo in pri kratek čas izkrivljajo geometrijo vesolja blizu Zemlje. To popačenje bi se pokazalo v obliki gravitacijskih valov, ki bi istočasno delovali na enake instrumente, nameščene na površini tal na precejšnji razdalji drug od drugega. Gravitacijsko sevanje bi lahko prihajalo iz zvezd, ki so podvržene gravitacijskemu kolapsu. Če znotraj običajno življenje zvezda se je vrtela, nato pa se bo krčila in postajala vse manjša, vrtela se bo vse hitreje in ohranjala svoj moment. Končno lahko doseže stopnjo, ko se hitrost gibanja na njegovem ekvatorju približa svetlobni hitrosti, to je največji možni hitrosti. V tem primeru bi bila zvezda močno deformirana in bi lahko izvrgla nekaj snovi. S takšno deformacijo bi lahko energija uhajala iz zvezde v obliki gravitacijskih valov s frekvenco približno tisoč nihajev na sekundo (1000 Hz).

Roger Penrose, profesor matematike na Birkbeck College Univerze v Londonu, je preučil nenavaden primer propada in nastanka črne luknje. Priznava, da črna luknja izgine in se nato pojavi ob drugem času v nekem drugem vesolju. Poleg tega trdi, da je rojstvo črne luknje med gravitacijskim kolapsom pomemben pokazatelj, da se z geometrijo vesolja-časa dogaja nekaj nenavadnega. Penroseova raziskava kaže, da se kolaps konča z nastankom singularnosti (iz latinskega singularius - ločen, en sam), torej naj bi se nadaljeval do ničelnih dimenzij in neskončne gostote objekta. Zadnji pogoj omogoča, da se drugo vesolje približa naši singularnosti in možno je, da bo singularnost prešla v to novo vesolje. Lahko se celo pojavi kje drugje v našem vesolju.

Nekateri znanstveniki vidijo nastanek črne luknje kot majhen model tega, kar splošna relativnost napoveduje, da se bo na koncu zgodilo z vesoljem. Splošno sprejeto je, da lahko v vesolju, ki se vedno širi, in eno najpomembnejših in perečih vprašanj znanosti zadeva naravo vesolja, njegovo preteklost in prihodnost. Brez dvoma vsi sodobni rezultati opazovanj kažejo na širjenje vesolja. Vendar danes eden najbolj kočljiva vprašanja je to: ali se stopnja tega širjenja upočasnjuje, in če se, ali se bo vesolje v desetinah milijard let skrčilo in oblikovalo singularnost. Očitno bomo nekega dne lahko ugotovili, po kateri poti sledi vesolje, morda pa bomo lahko že veliko prej, s preučevanjem informacij, ki uhajajo ob rojstvu črnih lukenj, in fizikalnih zakonov, ki vladajo njihovi usodi, napovedali njihova končna usoda Vesolje (slika 8)«. (1)

Bele pritlikavke, nevtronske zvezde in črne luknje so različne oblike zadnja stopnja evolucije zvezd. Mlade zvezde pridobivajo energijo iz termonuklearnih reakcij, ki potekajo v zvezdni notranjosti; Med temi reakcijami se vodik pretvori v helij. Ko se porabi določen delež vodika, se nastalo helijevo jedro začne krčiti. Nadaljnji razvoj zvezde je odvisen od njene mase, natančneje od tega, kako je povezana z določeno kritično vrednostjo, imenovano Chandrasekharjeva meja. Če je masa zvezde manjša od te vrednosti, potem pritisk degeneriranega elektronskega plina ustavi stiskanje (kolaps) helijevega jedra, preden njegova temperatura doseže tako visoko vrednost, ko se začnejo termonuklearne reakcije, med katerimi se helij pretvori v ogljik . Medtem se zunanji sloji razvijajoče se zvezde razmeroma hitro odvržejo. (Predvideva se, da tako nastanejo planetarne meglice.) Bela pritlikavka je helijevo jedro, obdano z bolj ali manj razširjeno vodikovo lupino.

Pri masivnejših zvezdah se helijevo jedro še naprej krči, dokler helij ne "izgori". Energija, ki se sprosti, ko se helij spremeni v ogljik, prepreči nadaljnje sesedanje jedra - vendar ne za dolgo. Ko je helij popolnoma porabljen, se stiskanje jedra nadaljuje. Temperatura spet naraste, začnejo se druge jedrske reakcije, ki potekajo, dokler ne izčrpa energije, shranjene v atomskih jedrih. Na tej točki je jedro zvezde že sestavljeno iz čistega železa, ki igra vlogo jedrskega "pepela". Zdaj nič ne more preprečiti nadaljnjega kolapsa zvezde - nadaljuje se, dokler gostota njene snovi ne doseže gostote atomskih jeder. Močno stiskanje snovi v osrednjih območjih zvezde povzroči eksplozijo ogromne sile, zaradi katere se zunanje plasti zvezde razletijo z ogromnimi hitrostmi. Prav te eksplozije astronomi povezujejo s pojavom supernov.

Usoda kolapsirajočega zvezdnega ostanka je odvisna od njegove mase. Če je masa manjša od približno 2,5M 0 (masa Sonca), potem je tlak zaradi "ničelnega" gibanja nevtronov in protonov dovolj velik, da prepreči nadaljnje gravitacijsko stiskanje zvezde. Predmeti, v katerih je gostota snovi enaka (ali celo večja) gostoti atomskih jeder, se imenujejo nevtronske zvezde. Njihove lastnosti sta v tridesetih letih prejšnjega stoletja prvič proučevala R. Oppenheimer in G. Volkov.

Po Newtonovi teoriji se polmer zvezde v kolapsu v končnem času zmanjša na nič, gravitacijski potencial pa neomejeno narašča. Einsteinova teorija prikazuje drugačen scenarij. Hitrost fotona se zmanjšuje, ko se približuje središču črne luknje, in postane enaka nič. To pomeni, da z vidika zunanjega opazovalca foton, ki pade v črno luknjo, ne bo nikoli dosegel njenega središča. Ker se delci snovi ne morejo gibati hitreje od fotona, bo polmer črne luknje dosegel mejno vrednost v neskončnem času. Še več, fotoni, oddani s površine črne luknje, med kolapsom doživljajo vse večji rdeči premik. Z vidika zunanjega opazovalca se objekt, iz katerega nastane črna luknja, sprva krči z vedno večjo hitrostjo; nato pa se njen polmer začne vedno počasneje zmanjševati.

Ne da bi imeli notranjih virov energije, se nevtronske zvezde in črne luknje hitro ohladijo. In ker je njihova površina zelo majhna - le nekaj deset kvadratnih kilometrov - je treba pričakovati, da je svetlost teh objektov izjemno nizka. Dejansko toplotnega sevanja s površine nevtronskih zvezd ali črnih lukenj še niso opazili. Nekatere nevtronske zvezde pa so močni viri netoplotnega sevanja. Gre za o tako imenovanih pulzarjih, ki jih je leta 1967 odkrila Jocelyn Bell, podiplomska študentka na Univerzi v Cambridgeu. Bell je proučeval radijske signale, posnete z opremo, ki jo je razvil Anthony Hewish za preučevanje sevanja nihajočih radijskih virov. Med številnimi posnetki kaotično utripajočih virov je opazila enega, kjer so se izbruhi ponavljali z jasno periodičnostjo, čeprav so bili različni po intenzivnosti. Podrobnejša opazovanja so potrdila ravno periodično naravo pulzov, pri preučevanju drugih zapisov pa so odkrili še dva izvora z enakimi lastnostmi. Opažanja in teoretična analiza kažejo, da so pulzarji hitro vrteče se nevtronske zvezde z nenavadno močnimi magnetnimi polji. Pulzirajočo naravo sevanja povzroča žarek žarkov, ki izhaja iz "vročih točk" na (ali blizu) površine rotirajoče nevtronske zvezde. Podroben mehanizem tega sevanja za znanstvenike še vedno ostaja skrivnost.

Več nevtronskih zvezd je bilo odkritih kot del tesnih binarnih sistemov. Prav te (in nobena druga) nevtronske zvezde so močni viri rentgenskega sevanja. Predstavljajmo si tesno dvojno zvezo, katere ena komponenta je velikan ali supergigant, druga pa kompaktna zvezda. Pod vplivom gravitacijskega polja kompaktne zvezde lahko plin izteka iz redčene atmosfere velikana: takšni plinski tokovi v tesnih binarnih sistemih, ki so jih dolgo odkrili s spektralnimi analizami, so dobili ustrezno teoretično razlago. Če je kompaktna zvezda v binarnem sistemu nevtronska zvezda ali črna luknja, se lahko molekule plina, ki uhajajo iz druge komponente sistema, pospešijo do zelo visokih energij. Zaradi trkov med molekulami se kinetična energija plina, ki pade na kompaktno zvezdo, sčasoma pretvori v toploto in sevanje. Kot kažejo ocene, sproščena energija v tem primeru v celoti pojasni opazovano intenzivnost rentgenskega sevanja iz binarnih sistemov te vrste.

V Einsteinovi splošni teoriji relativnosti zasedajo črne luknje isto mesto kot ultrarelativistični delci v njegovi posebni teoriji relativnosti. Če pa je svet ultrarelativističnih delcev – fizika visokih energij – poln neverjetnih pojavov, ki igrajo pomembno vlogo v eksperimentalni fiziki in opazovalni astronomiji pojavi, povezani s črnimi luknjami, še vedno povzročajo samo presenečenje. Sčasoma bo fizika črnih lukenj dala rezultate, ki so pomembni za kozmologijo, vendar je za zdaj ta veja znanosti v glavnem " igrišče"za teoretike. Ali iz tega ne izhaja, da nam Einsteinova teorija gravitacije daje manj informacij o vesolju kot Newtonova teorija, čeprav je v teoretičnem smislu bistveno boljša od nje? sploh ne! Za razliko od Newtonove teorije Einsteinova teorija predstavlja temelj samokonsistentnega modela resničnega vesolja kot celote, da ima ta teorija veliko neverjetnih in preizkušljivih napovedi in končno zagotavlja vzročnost med prosto padajočimi, nerotirajućimi referenčnimi sistemi in porazdelitvijo, kot tudi gibanje mase v vesolju.

Teoretično se lahko vsako kozmično telo spremeni v črno luknjo. Na primer, planet, kot je Zemlja, bi se moral skrčiti na polmer nekaj milimetrov, kar je v praksi seveda malo verjetno. T&P v novi številki z nagrado »Enlightener« objavlja odlomek iz knjige fizika Emila Akhmedova »O rojstvu in smrti črnih lukenj«, ki pojasnjuje, kako se nebesna telesa spremenijo v črne luknje in ali jih je mogoče videti v zvezdnato nebo.

Kako nastanejo črne luknje?

*Če neka sila stisne nebesno telo na Schwarzschildov radij, ki ustreza njeni masi, potem bo prostor-čas toliko ukrivil, da ga niti svetloba ne bo mogla zapustiti. To pomeni, da bo telo postalo črna luknja.

Na primer, za zvezdo z maso Sonca je Schwarzschildov polmer približno tri kilometre. Primerjajte to vrednost z dejansko velikostjo Sonca - 700.000 kilometrov. Hkrati je za planet z maso Zemlje Schwarzschildov polmer enak nekaj milimetrov.

[…]Samo gravitacijska sila je sposobna stisniti nebesno telo na tako majhne velikosti, kot je njegov Schwarzschildov polmer*, saj samo gravitacijska interakcija vodi izključno do privlačnosti in dejansko neomejeno narašča z večanjem mase. Elektromagnetna interakcija med osnovnimi delci je za mnogo redov velikosti močnejša od gravitacijske interakcije. Vendar se vsak električni naboj praviloma izkaže za kompenziran z nabojem nasprotnega znaka. Nič ne more zaščititi gravitacijskega naboja - mase.

Planet, kot je Zemlja, se pod lastno težo ne skrči na ustrezne Schwarzschildove dimenzije, ker njegova masa ne zadostuje za premagovanje elektromagnetnega odboja jeder, atomov in molekul, iz katerih je sestavljen. In zvezda, kot je Sonce, ki je veliko masivnejši objekt, se ne skrči zaradi močnega plinsko-dinamičnega pritiska zaradi visoke temperature v svojih globinah.

Upoštevajte, da pri zelo masivnih zvezdah z maso večjo od sto Sonc do kompresije ne pride predvsem zaradi močnega svetlobnega pritiska. Pri zvezdah, masivnejših od dvesto Sonc, niti plinskodinamični niti svetlobni tlak ne zadostujeta, da preprečita katastrofalno stiskanje (kolaps) takšne zvezde v črno luknjo. Vendar pa bomo v nadaljevanju razpravljali o evoluciji lažjih zvezd.

Svetloba in visoka temperatura zvezde so produkti termonuklearnih reakcij. Do te reakcije pride, ker je v notranjosti zvezd dovolj vodika in je snov močno stisnjena pod pritiskom celotne mase zvezde. Močno stiskanje omogoča premagovanje elektromagnetnega odbijanja enakih nabojev vodikovih jeder, ker je termonuklearna reakcija zlitje vodikovih jeder v jedro helija, ki ga spremlja veliko sproščanje energije.

Prej ali slej se bo količina termonuklearnega goriva (vodika) močno zmanjšala, svetlobni pritisk bo oslabel, temperatura bo padla. Če je masa zvezde dovolj majhna, kot je Sonce, bo šla skozi fazo rdečega velikana in postala bela pritlikavka.

Če je njegova masa velika, se bo zvezda začela krčiti pod lastno težo. Prišlo bo do kolapsa, ki ga lahko vidimo kot eksplozijo supernove. To je zelo zapleten proces, ki je sestavljen iz številnih faz in znanstvenikom še niso jasne vse njegove podrobnosti, vendar je veliko že jasno. Znano je na primer, da je nadaljnja usoda zvezde odvisna od njene mase v trenutku pred kolapsom. Rezultat takega stiskanja je lahko nevtronska zvezda ali črna luknja ali kombinacija več takih objektov in belih pritlikavk.

"Črne luknje so posledica kolapsa najtežjih zvezd"

Nevtronske zvezde in bele pritlikavke se ne sesedejo v črne luknje, ker nimajo dovolj mase, da bi premagale pritisk nevtronskega oziroma elektronskega plina. Ti pritiski so posledica kvantne učinke, ki začne učinkovati po zelo močnem stiskanju. Razprava o slednjem ni neposredno povezana s fiziko črnih lukenj in je izven obsega te knjige.

Če pa se na primer nevtronska zvezda nahaja v binarnem zvezdnem sistemu, potem lahko pritegne snov iz zvezde spremljevalke. V tem primeru bo njena masa rasla in če bo presegla določeno kritično vrednost, bo ponovno prišlo do kolapsa, tokrat z nastankom črne luknje. Kritična masa je določena iz pogoja, da nevtronski plin ustvari premajhen pritisk, da prepreči nadaljnje stiskanje.

*To je ocena. Točna vrednost meja še ni znana. - pribl. avtor.

Črne luknje so torej posledica kolapsa najtežjih zvezd. IN sodoben koncept Masa jedra zvezde po izgorevanju termonuklearnega goriva mora biti vsaj dva in pol sončna*. Nobeno nam znano agregatno stanje ni sposobno ustvariti takšnega pritiska, ki bi preprečil, da bi se tako velika masa stisnila v črno luknjo, če bi vse termonuklearno gorivo izgorelo. Dejstva, ki eksperimentalno potrjujejo omenjeno omejitev mase zvezde za nastanek črne luknje, bomo obravnavali nekoliko kasneje, ko bomo govorili o tem, kako astronomi odkrivajo črne luknje. […]

riž. 7. Napačna predstava kolapsa z vidika zunanjega opazovalca kot upočasnjenega večnega padca namesto nastanka obzorja črne luknje

V zvezi z našo razpravo bo poučno na primeru spomniti na povezanost različnih idej in konceptov v znanosti. Ta zgodba lahko bralcu da občutek potencialne globine vprašanja, o katerem razpravljamo.

Znano je, da je Galileo prišel do tega, kar se danes imenuje Newtonov zakon inercijski sistemi referenca, odgovor na kritiko Kopernikovega sistema. Kritika je bila, da se Zemlja ne more vrteti okoli Sonca, ker drugače ne bi mogli ostati na njeni površini.

V odgovor je Galileo trdil, da se Zemlja vrti okoli Sonca po vztrajnosti. Toda vztrajnostnega gibanja ne moremo ločiti od mirovanja, tako kot ne čutimo vztrajnostnega gibanja na primer ladje. Hkrati pa ni verjel v gravitacijske sile med planeti in zvezdami, saj ni verjel v delovanje na daljavo, za obstoj polj pa sploh ni mogel vedeti. In tako abstraktne razlage takrat ne bi sprejel.

Galileo je verjel, da se inercialno gibanje lahko pojavi le po idealni krivulji, to je, da se Zemlja lahko giblje le v krogu ali v krogu, katerega središče se nato vrti v krogu okoli Sonca. To pomeni, da lahko pride do prekrivanja različnih vztrajnostnih gibanj. To zadnjo vrsto gibanja lahko naredite bolj zapleteno tako, da kompoziciji dodate še več krogov. Takšno vrtenje imenujemo gibanje vzdolž epiciklov. Izumili so ga za uskladitev Ptolemajevega sistema z opazovanimi položaji planetov.

Mimogrede, Kopernikov sistem je v času svojega nastanka opazovane pojave opisoval veliko slabše od Ptolemajevega sistema. Ker je tudi Kopernik verjel le v gibanje v popolnih krogih, se je izkazalo, da se središča tirnic nekaterih planetov nahajajo zunaj Sonca. (Slednje je bilo eden od razlogov za Kopernikovo zamudo pri objavi svojih del. Navsezadnje je verjel v svoj sistem, ki je temeljil na estetskih vidikih, in prisotnost nenavadnih premikov orbitalnih središč onkraj Sonca ni sodila v ta razmišljanja.)

Poučno je, da bi Ptolemajev sistem načeloma lahko opisal opazovane podatke iz katerega koli napredka določeno natančnost- potrebno je bilo samo dodati potrebno število epiciklov. Kljub vsem logičnim protislovjem v prvotnih zamislih njegovih tvorcev pa je le Kopernikov sistem lahko pripeljal do konceptualne revolucije v naših pogledih na naravo – do zakona. univerzalna gravitacija, ki opisuje tako gibanje planetov kot padec jabolka na Newtonovo glavo in nato koncept polja.

Zato je Galileo zanikal Keplerjevo gibanje planetov po elipsah. S Keplerjem sta si izmenjala pisma, ki so bila napisana v precej razdražljivem tonu*. In to kljub njihovi popolna podpora isti planetarni sistem.

Torej je Galileo verjel, da se Zemlja giblje okoli Sonca po vztrajnosti. Z vidika Newtonove mehanike je to očitna napaka, saj na Zemljo deluje gravitacijska sila. Z vidika splošne teorije relativnosti pa mora imeti Galilei prav: po tej teoriji se telesa v gravitacijskem polju gibljejo po vztrajnosti, vsaj kadar lahko zanemarimo lastno gravitacijo. To gibanje poteka vzdolž tako imenovane geodetske krivulje. V ravnem prostoru je preprosto ravna svetovna črta, v primeru planeta pa sončni sistem to je geodetska svetovna črta, ki ustreza eliptični trajektoriji in ne nujno krožni. Na žalost Galileo tega ni mogel vedeti.

Iz splošne teorije relativnosti pa je znano, da do gibanja pride vzdolž geodetske črte le, če lahko zanemarimo ukrivljenost prostora zaradi samega gibajočega se telesa (planeta) in domnevamo, da ga ukrivlja izključno gravitacijsko središče (Sonce). . Nastane naravno vprašanje: Ali je imel Galilei prav glede inercialnega gibanja Zemlje okoli Sonca? Pa čeprav temu ni več tako pomembno vprašanje, ker zdaj poznamo razlog, zakaj ljudje ne odletijo z Zemlje, je morda to povezano z geometrijskim opisom gravitacije.

Kako lahko "vidite" črno luknjo?

[…] Preidimo zdaj k razpravi o tem, kako opazimo črne luknje na zvezdnem nebu. Če je črna luknja zaužila vso snov, ki jo je obdajala, potem jo je mogoče videti le skozi popačenje svetlobnih žarkov oddaljenih zvezd. To je, če bi bila črna luknja nedaleč od nas v takem čista oblika, potem bi videli približno to, kar je prikazano na naslovnici. Toda tudi ob srečanju podoben pojav, ne moremo biti prepričani, da je to črna luknja in ne samo masivno, nesvetleče telo. Obvezno določeno delo razlikovati enega od drugega.

V resnici pa so črne luknje obdane z oblaki, ki vsebujejo osnovne delce, prah, pline, meteorite, planete in celo zvezde. Zato astronomi opazujejo nekaj podobnega sliki, prikazani na sl. 9. Kako pa sklepajo, da gre za črno luknjo in ne za kakšno zvezdo?

riž. 9. Realnost je veliko bolj prozaična in moramo opazovati črne luknje, obkrožene z različnimi nebesnimi telesi, plini in oblaki prahu

Za začetek izberite območje določene velikosti na zvezdnem nebu, običajno v dvojnem zvezdnem sistemu ali v aktivnem galaktičnem jedru. Spektri sevanja, ki izhajajo iz njega, določajo maso in obnašanje snovi v njem. Nato je zabeleženo, da sevanje izhaja iz zadevnega predmeta, kot iz delcev, ki padajo v gravitacijskem polju, in ne samo iz termonuklearnih reakcij, ki se dogajajo v črevesju zvezd. Sevanje, ki je predvsem posledica medsebojnega trenja snovi, ki padajo na nebesno telo, vsebuje veliko več energijskega sevanja gama kot posledica termonuklearne reakcije.

"Črne luknje so obdane z oblaki, ki vsebujejo osnovne delce, prah, pline, meteorite, planete in celo zvezde."

Če je opazovano območje dovolj majhno, ni pulsar in je v njem skoncentrirana velika masa, potem sklepamo, da gre za črno luknjo. Prvič, teoretično je predvideno, da po izgorevanju fuzijskega goriva ni več agregatnega stanja, ki bi lahko ustvarilo pritisk, ki bi lahko preprečil kolaps tolikšne mase v tako majhnem območju.

Drugič, kot je bilo pravkar poudarjeno, zadevni predmeti ne bi smeli biti pulsarji. Pulzar je nevtronska zvezda, ki ima za razliko od črne luknje površino in se obnaša kot velik magnet, kar je ena tistih subtilnejših lastnosti elektromagnetnega polja kot naboj. Nevtronske zvezde, ki so posledica zelo močnega stiskanja prvotnih rotacijskih zvezd, se vrtijo še hitreje, ker je treba ohraniti kotni moment. To vodi do nastanka takšnih zvezd magnetna polja, ki se s časom spreminja. Slednji igrajo pomembno vlogo pri nastanku značilnega pulzirajočega sevanja.

Vsi doslej najdeni pulzarji imajo maso manjšo od dveh in pol sončnih mas. Viri značilnega energijskega sevanja gama, katerih masa presega to mejo, niso pulsarji. Kot je razvidno, ta meja mase sovpada s teoretičnimi napovedmi, narejenimi na podlagi nam znanih stanj snovi.

Vse to, čeprav ni neposredno opazovanje, je dokaj prepričljiv argument v prid temu, da astronomi vidijo črne luknje in ne kaj drugega. Čeprav je tisto, kar lahko štejemo za neposredno opazovanje in kaj ne, je veliko vprašanje. Navsezadnje ti, bralec, ne vidiš same knjige, ampak le svetlobo, ki jo razprši. In samo kombinacija taktilnih in vizualnih občutkov vas prepriča o resničnosti njegovega obstoja. Na enak način znanstveniki sklepajo o resničnosti obstoja določenega predmeta na podlagi celotnega podatka, ki ga opazujejo.

domov » Vrtec » Supernove, nevtronske zvezde in črne luknje. Posamezni in pari