Voor moderne wetenschappers is een zwart gat een van de meest mysterieuze fenomenen in ons universum. De studie van dergelijke objecten is moeilijk, het is niet mogelijk om ze "door ervaring" te proberen. De massa, dichtheid van de substantie van een zwart gat, de vormingsprocessen van dit object, afmetingen - dit alles wekt interesse bij specialisten, en soms - verbijstering. Laten we het onderwerp in meer detail bekijken. Laten we eerst analyseren wat zo'n object is.
Algemene informatie
Een verbazingwekkende eigenschap van een kosmisch object is de combinatie van een kleine straal, een hoge dichtheid van zwart gat materie en een ongelooflijk grote massa. Alle momenteel bekende fysieke eigenschappen van zo'n object lijken wetenschappers vreemd, vaak onverklaarbaar. Zelfs de meest ervaren astrofysici zijn nog steeds verbaasd over de eigenaardigheden van dergelijke verschijnselen. Het belangrijkste kenmerk waarmee wetenschappers een zwart gat kunnen identificeren, is de waarnemingshorizon, dat wil zeggen de grens waardoorer komt niets terug, ook het licht niet. Als een zone permanent is afgescheiden, wordt de scheidingsgrens aangewezen als de waarnemingshorizon. Met tijdelijke scheiding wordt de aanwezigheid van een zichtbare horizon gefixeerd. Soms is tijdelijk een heel los concept, dat wil zeggen, het gebied kan worden gescheiden voor een periode die de huidige leeftijd van het universum overschrijdt. Als er een zichtbare horizon is die lange tijd bestaat, is het moeilijk om deze te onderscheiden van de waarnemingshorizon.
In veel opzichten zijn de eigenschappen van een zwart gat, de dichtheid van de substantie die het vormt, te wijten aan andere fysieke eigenschappen die in onze wereldwetten werken. De waarnemingshorizon van een bolsymmetrisch zwart gat is een bol waarvan de diameter wordt bepaald door zijn massa. Hoe meer massa naar binnen wordt getrokken, hoe groter het gat. En toch blijft het verrassend klein tegen de achtergrond van sterren, omdat de zwaartekracht alles binnenin samendrukt. Als we ons een gat voorstellen waarvan de massa overeenkomt met onze planeet, dan zal de straal van zo'n object niet groter zijn dan enkele millimeters, dat wil zeggen, het zal tien miljard minder zijn dan de aarde. De straal is vernoemd naar Schwarzschild, de wetenschapper die voor het eerst zwarte gaten afleidde als een oplossing voor Einsteins algemene relativiteitstheorie.
En binnen?
Als je in zo'n object bent beland, is het onwaarschijnlijk dat een persoon een enorme dichtheid van zichzelf opmerkt. De eigenschappen van een zwart gat zijn niet goed bekend om zeker te zijn wat er zal gebeuren, maar wetenschappers geloven dat er niets bijzonders kan worden onthuld bij het oversteken van de horizon. Dit wordt verklaard door het equivalent Einsteinianprincipe dat verklaart waarom het veld dat de kromming van de horizon vormt en de versnelling die inherent is aan het vlak voor de waarnemer niet verschillen. Als je het oversteekproces op afstand volgt, kun je zien dat het object dichtbij de horizon begint te vertragen, alsof de tijd op deze plek langzaam verstrijkt. Na enige tijd zal het object de horizon oversteken en in de Schwarzschild-straal vallen.
De dichtheid van materie in een zwart gat, de massa van een object, zijn afmetingen en getijdenkrachten, en het zwaartekrachtsveld zijn nauw verwant. Hoe groter de straal, hoe lager de dichtheid. De straal neemt toe met het gewicht. De getijdenkrachten zijn omgekeerd evenredig met het kwadraat van het gewicht, dat wil zeggen, naarmate de afmetingen toenemen en de dichtheid afneemt, nemen de getijdenkrachten van het object af. Het is mogelijk om de horizon te overwinnen voordat je dit feit opmerkt als de massa van het object erg groot is. In de begindagen van de algemene relativiteitstheorie geloofde men dat er een singulariteit aan de horizon was, maar dit bleek niet het geval te zijn.
Over dichtheid
Zoals studies hebben aangetoond, kan de dichtheid van een zwart gat, afhankelijk van de massa, meer of minder zijn. Voor verschillende objecten varieert deze indicator, maar neemt altijd af met toenemende straal. Er kunnen superzware gaten ontstaan, die op grote schaal worden gevormd door de ophoping van materiaal. Gemiddeld is de dichtheid van dergelijke objecten, waarvan de massa overeenkomt met de totale massa van enkele miljarden armaturen in ons systeem, minder dan de dichtheid van water. Soms is het vergelijkbaar met het niveau van gasdichtheid. De getijdekracht van dit object wordt al geactiveerd nadat de waarnemer de horizon overschrijdtevenementen. De hypothetische ontdekkingsreiziger zou niet worden geschaad als hij de horizon naderde, en zou vele duizenden kilometers vallen als hij bescherming zou vinden tegen het schijfplasma. Als de waarnemer niet omkijkt, merkt hij niet dat de horizon is overschreden, en als hij zijn hoofd draait, ziet hij waarschijnlijk aan de horizon bevroren lichtstralen. De tijd voor de waarnemer zal heel langzaam stromen, hij zal gebeurtenissen in de buurt van het gat kunnen volgen tot het moment van overlijden - zij of het universum.
Om de dichtheid van een superzwaar zwart gat te bepalen, moet je zijn massa weten. Vind de waarde van deze hoeveelheid en het Schwarzschild-volume dat inherent is aan het ruimteobject. Gemiddeld is zo'n indicator volgens astrofysici uitzonderlijk klein. In een indrukwekkend percentage van de gevallen is het minder dan de luchtdichtheid. Het fenomeen wordt als volgt verklaard. De Schwarzschild-straal is direct gerelateerd aan het gewicht, terwijl de dichtheid omgekeerd evenredig is aan het volume, en dus de Schwarzschild-straal. Het volume is direct gerelateerd aan de kubusvormige straal. Massa neemt lineair toe. Dienovereenkomstig groeit het volume sneller dan het gewicht en wordt de gemiddelde dichtheid kleiner naarmate de straal van het onderzochte object groter is.
Nieuwsgierig om te weten
De getijdekracht die inherent is aan een gat is een gradiënt van de zwaartekracht, die vrij groot is aan de horizon, dus zelfs fotonen kunnen hier niet ontsnappen. Tegelijkertijd verloopt de toename van de parameter vrij soepel, wat het voor de waarnemer mogelijk maakt om de horizon te overwinnen zonder risico voor zichzelf.
Studies van de dichtheid van een zwart gat inhet centrum van het object is nog relatief beperkt. Astrofysici hebben vastgesteld dat hoe dichter de centrale singulariteit is, hoe hoger het dichtheidsniveau. Met het eerder genoemde rekenmechanisme kunt u een zeer gemiddeld idee krijgen van wat er gebeurt.
Wetenschappers hebben extreem beperkte ideeën over wat er gebeurt in het gat, de structuur ervan. Volgens astrofysici is de dichtheidsverdeling in een gat niet erg significant voor een externe waarnemer, althans op het huidige niveau. Veel meer informatieve specificatie van zwaartekracht, gewicht. Hoe groter de massa, hoe sterker het centrum, de horizon, van elkaar gescheiden is. Er zijn ook dergelijke aannames: net voorbij de horizon is materie in principe afwezig, het kan alleen in de diepten van het object worden gedetecteerd.
Zijn er nummers bekend?
Wetenschappers denken al heel lang na over de dichtheid van een zwart gat. Bepaalde studies werden uitgevoerd, pogingen werden gedaan om te berekenen. Hier is er een van.
De zonnemassa is 210^30 kg. Er kan zich een gat vormen op de plaats van een object dat meerdere malen groter is dan de zon. De dichtheid van het lichtste gat wordt geschat op gemiddeld 10^18 kg/m3. Dit is een orde van grootte hoger dan de dichtheid van de kern van een atoom. Ongeveer hetzelfde verschil met het gemiddelde dichtheidsniveau dat kenmerkend is voor een neutronenster.
Het bestaan van ultralichte gaten is mogelijk, waarvan de afmetingen overeenkomen met subnucleaire deeltjes. Voor dergelijke objecten zal de dichtheidsindex onbetaalbaar groot zijn.
Als onze planeet een gat wordt, zal de dichtheid ongeveer 210^30 kg/m zijn3. Wetenschappers zijn er echter niet in geslaagd omonthullen de processen waardoor ons ruimtehuis kan worden getransformeerd in een zwart gat.
Over de cijfers in meer detail
De dichtheid van het zwarte gat in het centrum van de Melkweg wordt geschat op 1,1 miljoen kg/m3. De massa van dit object komt overeen met 4 miljoen zonsmassa's. De straal van het gat wordt geschat op 12 miljoen km. De aangegeven dichtheid van het zwarte gat in het centrum van de Melkweg geeft een idee van de fysieke parameters van superzware gaten.
Als het gewicht van een object 10^38 kg is, dat wil zeggen, het wordt geschat op ongeveer 100 miljoen zonnen, dan komt de dichtheid van een astronomisch object overeen met het dichtheidsniveau van graniet dat op onze planeet wordt gevonden.
Van alle gaten die moderne astrofysici kennen, werd een van de zwaarste gaten gevonden in de quasar OJ 287. Het gewicht komt overeen met 18 miljard armaturen van ons systeem. Wat is de dichtheid van een zwart gat, hebben wetenschappers zonder veel moeite berekend. De waarde bleek verwaarloosbaar klein te zijn. Het is slechts 60 g/m3. Ter vergelijking: de atmosferische lucht van onze planeet heeft een dichtheid van 1,29 mg/m3.
Waar komen gaten vandaan?
Wetenschappers deden niet alleen onderzoek om de dichtheid van een zwart gat te bepalen in vergelijking met de ster van ons systeem of andere kosmische lichamen, maar probeerden ook te bepalen waar gaten vandaan komen, wat zijn de mechanismen voor de vorming van dergelijke mysterieuze voorwerpen. Nu is er een idee van vier manieren voor het verschijnen van gaten. De meest begrijpelijke optie is de ineenstorting van een ster. Wanneer het groot wordt, is de synthese in de kern voltooid,de druk verdwijnt, de materie v alt naar het zwaartepunt, er ontstaat een gat. Naarmate je het centrum nadert, neemt de dichtheid toe. Vroeg of laat wordt de indicator zo belangrijk dat externe objecten de effecten van de zwaartekracht niet kunnen overwinnen. Vanaf dit punt verschijnt er een nieuw gat. Dit type komt vaker voor dan andere en wordt zonnemassagaten genoemd.
Een ander vrij algemeen type gat is een superzwaar gat. Deze worden vaker waargenomen in galactische centra. De massa van het object in vergelijking met het hierboven beschreven zonnemassagat is miljarden keren groter. Wetenschappers hebben de manifestatieprocessen van dergelijke objecten nog niet vastgesteld. Er wordt aangenomen dat eerst een gat wordt gevormd volgens het hierboven beschreven mechanisme, waarna naburige sterren worden geabsorbeerd, wat leidt tot groei. Dit is mogelijk als de zone van de melkweg dichtbevolkt is. Absorptie van materie vindt sneller plaats dan het bovenstaande schema kan verklaren, en wetenschappers kunnen nog niet raden hoe de absorptie verloopt.
Aannames en ideeën
Een heel moeilijk onderwerp voor astrofysici zijn oergaten. Dergelijke verschijnen waarschijnlijk uit elke massa. Ze kunnen zich in grote schommelingen vormen. Waarschijnlijk vond het verschijnen van dergelijke gaten plaats in het vroege heelal. Tot dusverre laten studies gewijd aan de kwaliteiten, kenmerken (inclusief dichtheid) van zwarte gaten en de processen van hun uiterlijk ons niet toe om een model te bepalen dat nauwkeurig het proces van het verschijnen van een primair gat reproduceert. De modellen die nu bekend zijn, zijn overwegend zodanig dat, als ze in werkelijkheid zouden worden geïmplementeerd,er zouden te veel gaten zijn.
Veronderstel dat de Large Hadron Collider een bron kan worden voor de vorming van een gat, waarvan de massa overeenkomt met het Higgs-deeltje. Dienovereenkomstig zal de dichtheid van het zwarte gat erg groot zijn. Als een dergelijke theorie wordt bevestigd, kan het worden beschouwd als indirect bewijs voor de aanwezigheid van extra dimensies. Op dit moment is deze speculatieve conclusie nog niet bevestigd.
Straling uit een gat
De emissie van een gat wordt verklaard door de kwantumeffecten van materie. De ruimte is dynamisch, dus de deeltjes hier zijn totaal anders dan we gewend zijn. In de buurt van het gat wordt niet alleen de tijd vervormd; het begrip van een deeltje hangt grotendeels af van wie het waarneemt. Als iemand in een gat v alt, lijkt het hem alsof hij in een vacuüm duikt, en voor een verre waarnemer ziet het eruit als een zone gevuld met deeltjes. Het effect wordt verklaard door het uitrekken van tijd en ruimte. De straling van het gat werd voor het eerst geïdentificeerd door Hawking, wiens naam aan het fenomeen werd gegeven. Straling heeft een temperatuur die omgekeerd evenredig is met de massa. Hoe lager het gewicht van een astronomisch object, hoe hoger de temperatuur (evenals de dichtheid van een zwart gat). Als het gat superzwaar is of een massa heeft die vergelijkbaar is met die van een ster, zal de inherente temperatuur van zijn straling lager zijn dan de microgolfachtergrond. Hierdoor is het niet mogelijk om haar te observeren.
Deze straling verklaart het gegevensverlies. Dit is de naam van een thermisch fenomeen, dat één duidelijke kwaliteit heeft: temperatuur. Er is geen informatie over de processen van gatvorming door de studie, maar een object dat dergelijke straling uitzendt, verliest tegelijkertijd massa (en groeit daardoordichtheid van het zwarte gat) wordt verminderd. Het proces wordt niet bepaald door de substantie waaruit het gat is gevormd, is niet afhankelijk van wat er later in is gezogen. Wetenschappers kunnen niet zeggen wat de basis van het gat is geworden. Bovendien hebben onderzoeken aangetoond dat straling een onomkeerbaar proces is, dat wil zeggen een proces dat in de kwantummechanica gewoonweg niet kan bestaan. Dit betekent dat straling niet kan worden verzoend met de kwantumtheorie, en de inconsistentie vereist verder werk in deze richting. Hoewel wetenschappers van mening zijn dat Hawking-straling informatie moet bevatten, hebben we nog niet de middelen, de mogelijkheden om het te detecteren.
Nieuwsgierig: over neutronensterren
Als er een superreus is, betekent dit niet dat zo'n astronomisch lichaam eeuwig is. Na verloop van tijd verandert het, verwijdert het de buitenste lagen. Uit de overblijfselen kunnen witte dwergen tevoorschijn komen. De tweede optie zijn neutronensterren. Specifieke processen worden bepaald door de kernmassa van het primaire lichaam. Als het binnen 1,4-3 zonne-energie wordt geschat, gaat de vernietiging van de superreus gepaard met een zeer hoge druk, waardoor de elektronen als het ware in de protonen worden gedrukt. Dit leidt tot de vorming van neutronen, de emissie van neutrino's. In de natuurkunde wordt dit een door neutronen ontaard gas genoemd. De druk is zodanig dat de ster niet verder kan samentrekken.
Echter, zoals studies hebben aangetoond, zijn waarschijnlijk niet alle neutronensterren op deze manier verschenen. Sommigen van hen zijn de overblijfselen van grote die explodeerden als een tweede supernova.
Tom lichaamsradiusminder dan meer massa. Voor de meesten varieert het tussen de 10-100 km. Er werden studies uitgevoerd om de dichtheid van zwarte gaten, neutronensterren, te bepalen. Voor de tweede, zoals tests hebben aangetoond, ligt de parameter relatief dicht bij de atomaire. Specifieke cijfers vastgesteld door astrofysici: 10^10 g/cm3.
Benieuwd: theorie en praktijk
Neutronensterren werden in theorie voorspeld in de jaren 60 en 70 van de vorige eeuw. Pulsars waren de eersten die werden ontdekt. Dit zijn kleine sterren waarvan de rotatiesnelheid erg hoog is, en het magnetische veld is werkelijk grandioos. Aangenomen wordt dat de pulsar deze parameters erft van de oorspronkelijke ster. De rotatieperiode varieert van milliseconden tot enkele seconden. De eerste bekende pulsars zonden periodieke radiostraling uit. Tegenwoordig zijn pulsars met röntgenstraling en gammastraling bekend.
Het beschreven proces van neutronenstervorming kan doorgaan - er is niets dat het kan stoppen. Als de kernmassa meer dan drie zonsmassa's is, dan is het puntsgewijze lichaam erg compact, het wordt gaten genoemd. Het zal niet mogelijk zijn om de eigenschappen van een zwart gat met een massa groter dan de kritische te bepalen. Als een deel van de massa verloren gaat door Hawking-straling, zal tegelijkertijd de straal afnemen, zodat de gewichtswaarde weer lager zal zijn dan de kritische waarde voor dit object.
Kan een gat sterven?
Wetenschappers brengen veronderstellingen naar voren over het bestaan van processen door de deelname van deeltjes en antideeltjes. De fluctuatie van de elementen kan ervoor zorgen dat de lege ruimte wordt gekarakteriseerdenergieniveau nul, wat (dit is een paradox!) niet gelijk zal zijn aan nul. Tegelijkertijd zal de waarnemingshorizon die inherent is aan het lichaam, een spectrum met lage energie ontvangen dat inherent is aan het absolute zwarte lichaam. Dergelijke straling zal massaverlies veroorzaken. De horizon zal iets krimpen. Stel er zijn twee paren van een deeltje en zijn antagonist. Er is een vernietiging van een deeltje van het ene paar en zijn antagonist van het andere. Als gevolg hiervan vliegen er fotonen uit het gat. Het tweede paar voorgestelde deeltjes v alt in het gat en absorbeert tegelijkertijd een hoeveelheid massa, energie. Geleidelijk leidt dit tot de dood van het zwarte gat.
Als conclusie
Volgens sommigen is een zwart gat een soort kosmische stofzuiger. Een gat kan een ster opslokken, het kan zelfs een sterrenstelsel "opeten". In veel opzichten is de verklaring van de eigenschappen van een gat, evenals de kenmerken van de vorming ervan, te vinden in de relativiteitstheorie. Daaruit is bekend dat tijd continu is, evenals ruimte. Dit verklaart waarom compressieprocessen niet kunnen worden gestopt, ze zijn onbeperkt en onbeperkt.
Dit zijn deze mysterieuze zwarte gaten, waarover astrofysici al meer dan een decennium hun hersens pijnigen.
