Fedor Dergačev
Čierna diera s hmotnosťou vesmíru?
Pri porovnávaní fyziky čiernych dier a procesov Veľkého tresku ma napadla otázka. Chcem sa na to podrobne pozrieť v jednej z nasledujúcich častí môjho nového článku. "Zem a vesmír" , ktorý začal publikovať na LiveJournal:
Časť 1
Z vyššie uvedeného porovnania vyplýva, že v prvých sekundách po Veľkom tresku bola hmota, ktorá tvorí pozorovateľnú časť Vesmíru, v podmienkach podobných tým, ktoré opisuje teória čiernych dier!
Ale nevylučujem, že som pri formulovaní otázky niečo nezohľadnil. Čakám na reakcie...
Čierne diery
„Ak sú účinky špeciálnej teórie relativity najzreteľnejšie pri vysokých rýchlostiach pohybu telies, potom všeobecná teória relativity vstupuje do hry, keď majú telesá veľmi veľké hmotnosti a spôsobujú silné zakrivenie priestoru a času.
...Objav, ktorý urobil počas prvej svetovej vojny nemecký astronóm Karl Schwarzschild, keď sa na ruskom fronte v roku 1916 medzi výpočtom trajektórií delostreleckých granátov zoznámil s Einsteinovými úspechmi v oblasti gravitácie. Je úžasné, že len pár mesiacov po tom, čo Einstein urobil posledné úpravy na plátne všeobecnej relativity, Schwarzschild dokázal použiť túto teóriu na získanie úplného a presného obrazu o tom, ako sa priestor a čas ohýbajú v blízkosti dokonale guľovej hviezdy. Schwarzschild poslal svoje výsledky z ruského frontu Einsteinovi, ktorý ich na jeho pokyn predložil Pruskej akadémii.
Okrem potvrdenia a matematicky presného výpočtu zakrivenia, ktorý sme schematicky ukázali na obr. 3.5, Schwarzschildova práca – teraz známa ako „Schwarzschildovo riešenie“ – odhalila jeden pozoruhodný dôsledok všeobecnej teórie relativity. Ukázalo sa, že ak je hmotnosť hviezdy sústredená v dostatočne malej sférickej oblasti (keď pomer hmotnosti hviezdy k jej polomeru nepresiahne určitú kritickú hodnotu), potom bude výsledné zakrivenie časopriestoru také významné, že žiadny objekt (vrátane svetla), ktorý sa dostane dostatočne blízko k hviezde, nebude schopný uniknúť z tejto gravitačnej pasce. Keďže z takýchto „stlačených hviezd“ nemôže uniknúť ani svetlo, pôvodne sa nazývali tmavé alebo zamrznuté hviezdy. (Tento názov patrí sovietskym vedcom Ya. B. Zeldovich a I. D. Novikov. - Ed.) Príťažlivejší názov navrhol po rokoch John Wheeler, ktorý ich nazval čierne diery - čierne, pretože nemôžu vyžarovať svetlo, a diery, pretože akýkoľvek predmet, ktorý sa k nim priblíži na príliš krátku vzdialenosť, sa už nikdy nevráti späť. Toto meno je pevne zavedené a zavedené. Schwarzschildovo riešenie je znázornené na obrázku. Hoci je známe, že čierne diery sú „nenásytné“, telesá, ktoré okolo nich prejdú v bezpečnej vzdialenosti, sa odklonia rovnakým spôsobom, ako by ich odchýlila obyčajná hviezda, a pokračujú v ceste. Ale telesá akejkoľvek povahy, ktoré sa priblížia príliš blízko, bližšie ako je vzdialenosť nazývaná horizont udalostí čiernej diery, sú odsúdené na zánik – budú neustále padať do stredu čiernej diery, vystavené čoraz intenzívnejším a v konečnom dôsledku ničivejším gravitačným deformáciám..
Čierna diera ohýba štruktúru okolitého časopriestoru taká silná, že akýkoľvek objekt, ktorý prekročí svoj "horizont udalostí" - označený čiernym kruhom - nemôže uniknúť z jeho gravitačnej pasce. Nikto presne nevie, čo sa deje v hlbinách čiernych dier.
Ak napríklad plávate smerom k stredu nôh čiernej diery ako prvý, pri prekročení horizontu udalostí pocítite rastúci pocit nepohodlia. Gravitačná sila čiernej diery sa tak výrazne zvýši, že bude ťahať za vaše nohy oveľa silnejšie ako vašu hlavu (napokon, vaše nohy budú o niečo bližšie k stredu čiernej diery ako vaša hlava), a to natoľko, že dokáže rýchlo roztrhať vaše telo na kusy.
Ak ste opatrní pri cestovaní okolo čiernej diery a dávate pozor, aby ste neprekročili jej horizont udalostí, môžete čiernu dieru použiť na pozoruhodný trik. Predstavte si napríklad, že objavíte čiernu dieru s hmotnosťou 1000-krát väčšou ako Slnko a zlaníte sa, práve keď George zostúpil k Slnku, do výšky 3 cm nad horizontom udalostí. Ako sme už poznamenali, gravitačné polia spôsobujú deformáciu času, čo znamená, že vaše cestovanie v čase sa spomalí. V skutočnosti, pretože čierne diery majú také silné gravitačné polia, váš čas sa veľmi spomalí. Vaše hodiny budú bežať približne desaťtisíckrát pomalšie ako hodiny vášho priateľa na Zemi. Ak sa jeden rok vznášate nad horizontom udalostí čiernej diery v tejto polohe a potom vyšplháte po kábli späť na čakajúcu vesmírnu loď v blízkosti na krátku, ale príjemnú cestu domov, po návrate zistíte, že viac ako desaťtisíc rokov uplynulo od vášho odchodu. Čiernu dieru môžete použiť ako akýsi stroj času, ktorý vám umožní cestovať do vzdialenej budúcnosti Zeme.
Aby ste získali predstavu o obrovskom rozsahu týchto javov, všimnite si, že hviezda s hmotnosťou rovnajúcou sa hmotnosti Slnka sa stane čiernou dierou, ak jej polomer nie je pozorovanou hodnotou (asi 700 000 km), ale iba asi 3 km. Predstavte si, že sa celé naše Slnko zmenšilo na veľkosť Manhattanu. Lyžička hmoty takto stlačeného Slnka by vážila toľko ako Mount Everest. Aby sa naša Zem stala čiernou dierou, musíme ju stlačiť do gule s polomerom menším ako centimeter. Fyzici boli dlho skeptickí k možnosti takýchto extrémnych stavov hmoty, mnohí z nich verili, že čierne diery sú len výplody bujnej fantázie prepracovaných teoretikov.
Za posledné desaťročie sa však nazhromaždilo pomerne veľa údajov z pozorovania, ktoré potvrdzujú existenciu čiernych dier. Samozrejme, keďže sú čierne, nemožno ich pozorovať priamo skúmaním oblohy ďalekohľadom. Namiesto toho sa astronómovia pokúšajú odhaliť čierne diery anomálnym správaním obyčajných hviezd vyžarujúcich svetlo, ktoré sa nachádzajú v blízkosti horizontov udalostí čiernej diery. Napríklad, keď sa častice prachu a plynu z vonkajších vrstiev obyčajných hviezd susediacich s čiernou dierou ponáhľajú k horizontu udalostí čiernej diery, zrýchľujú sa takmer na rýchlosť svetla. Pri takýchto rýchlostiach vedie trenie vo vírivom plyne a prachu vdychovanej látky k uvoľneniu obrovského množstva tepla, čo spôsobuje, že zmes plynu a prachu žiari a vyžaruje bežné viditeľné svetlo a röntgenové lúče. Pretože toto žiarenie vzniká mimo horizontu udalostí, môže sa vyhnúť pádu do čiernej diery. Toto žiarenie sa šíri v priestore a možno ho priamo pozorovať a študovať. Všeobecná relativita podrobne predpovedá charakteristiky takýchto röntgenových lúčov; pozorovanie týchto predpovedaných charakteristík poskytuje silný, aj keď nepriamy dôkaz o existencii čiernych dier. Napríklad pribúdajú dôkazy o tom, že v strede našej Galaxie sa nachádza veľmi masívna čierna diera s hmotnosťou dva a pol milióna násobku hmotnosti nášho Slnka. Ale aj tieto nenásytné čierne diery blednú v porovnaní s tými, o ktorých sa astronómovia domnievajú, že sa nachádzajú v centrách úžasne jasných kvazarov roztrúsených po celom vesmíre. Ide o čierne diery, ktorých hmotnosti sú miliardy krát väčšie ako hmotnosť Slnka.
Schwarzschild zomrel len pár mesiacov po tom, čo našiel svoje riešenie. Zomrel na kožnú chorobu, ktorú dostal na ruskom fronte. Mal 42 rokov. Jeho tragicky krátke stretnutie s Einsteinovou teóriou gravitácie odhalilo jednu z najpozoruhodnejších a najzáhadnejších stránok života vo vesmíre. (" ", strana 31),
„Teoretická realita nazývaná „čierna diera“, pre ktorú sa ponúka porovnanie s peklom, zostáva v podstate teoretická, hoci astronómovia vytvorili na prvý pohľad harmonický obraz fyziky čiernych dier, príčin ich vzniku a vplyv na časopriestorové kontinuum.
V podstate astronómovia nazývajú čiernu dieru nie nejakým fyzickým objektom, ale oblasťou v časopriestore, v ktorej je gravitačná príťažlivosť taká silná, že nič, dokonca ani svetlo, nemôže preniknúť von – za „horizont udalostí“.
Dominantnou teóriou je, že čierne diery vznikajú na mieste vyhorených masívnych hviezd: keď hviezda skolabuje, hustota hmoty sa zvýši tak, že gravitačná príťažlivosť v tejto oblasti začne priťahovať okolitú hmotu.". (« » ).
„Ako je známe, doteraz boli pozorovaniami zaznamenané iba dva typy čiernych dier – hviezdna hmota(vznikli v dôsledku gravitačného kolapsu masívnych hviezd) a supermasív(ktoré sú podľa jednej hypotézy výsledkom zlúčenia prvého). Žiadna hypotézavznik supermasívnych čiernych dier nie je viac-menej podložený, vr.hypotéza fúzie, na preukázanie ktorej je potrebná aspoň jedna spoľahlivo známačierna diera so strednou hmotnosťou."(august 2008)
Čierne diery sú výsledkom gravitačného kolapsu masívnych hviezd. Sú dostatočne podrobne opísané vo vedeckej a populárnej literatúre.
Mechanizmom „pasce“ je zakrivenie časopriestoru pod vplyvom síl obrovskej gravitácie. "AZakrivenie časopriestoru bude také významné, že žiadny objekt (vrátane svetla), ktorý sa dostane dostatočne blízko ku hviezde, nebude schopný uniknúť z tejto gravitačnej pasce.“
Veľký tresk z pohľadu teórie „čiernych dier“
"Podľa všetkých existujúcich teórií Veľkého tresku bol vesmír na začiatku bodom v priestore nekonečne malého objemu, ktorý mal nekonečne veľkú hustotu a teplotu."(„Veľké problémy veľkého tresku. Problematická singularita“).
„Napriek veľkému úspechu nie sú obzory teórie veľkého tresku ani zďaleka bez mráčika...
Nie je jasné, prečo majú špirálové galaxie v rovnakej vzdialenosti vždy väčšie „červené posuny“ ako eliptické galaxie(podrobnejšie pozri knihu V.P. Chechev, Ya.M. Kramarovsky „Radioactivity and the Evolution of the Universe.“ M., „Nauka“, 1978).
Nakoniec sa to nedávno ukázalo rýchlosti galaxií vzhľadom na pozadie CMB veľmi malé.Sú merané nie tisíce a desaťtisíce kilometrov za sekundu, ako vyplýva z teórie rozpínajúceho sa vesmíru, alelen stovky kilometrov za sekundu . Ukazuje sa, že galaxie sú prakticky v pokoji vzhľadom na reliktné pozadie vesmíru, ktoré možno z viacerých dôvodov považovať za absolútny referenčný rámec galaxie.(podrobnejšie pozri knihu „Vývoj metód astronomického výskumu“ (A.A. Efimov. „Astronómia a princíp relativity“) M., „Science“, 1979, s. 545).
Ako prekonať tieto ťažkosti, je stále nejasné."(Siegel F.Yu. “The Substance of the Universe.” - M.; “Chemistry”, 1982, časť “Rodopis chemických prvkov”, kapitola “Syntéza prvkov”, str. 166-167).
Po Veľkom tresku
„Veľký tresk je rýchly pokles pôvodne obrovskej hustoty, teploty a tlaku hmoty sústredenej vo veľmi malom objeme vesmíru. V počiatočnom momente mal vesmír gigantickú hustotu a teplotu. Svet mal v prvej sekunde svojej existencie hustotu ~ 10 5 g/cm 3 a teplotu 10 10 K. Aktuálna teplota nám najbližšej hviezdy, Slnka, je tisíckrát nižšia.
Na krátky čas po Veľkom tresku – len 10 – 36 sekúnd – bol malý vesmír naplnený základnými časticami. Tieto častice sú na rozdiel od nuklidov, protónov a neutrónov nedeliteľné. V skutočnosti sa z nich skladajú protóny a neutróny, základ jadrovej hmoty. Toto sú základné fermióny, ktoré sa navzájom ovplyvňujú prostredníctvom jedinej základnej interakcie v tom čase vo vývoji vesmíru. Ako k tejto interakcii došlo? Cez častice. Nazývajú sa bozóny. Sú štyri: fotón (gama kvantum), gluón a dva bozóny - W a Z. A samotné fundamentálne častice, t.j. fermióny sú šesť typov kvarkov a šesť typov leptónov.
Práve táto skupina častíc 12 fermiónov interagujúcich medzi sebou prostredníctvom 4 bozónov je v skutočnosti zárodkom vesmíru...
Medzitým sa vráťme do rozpínajúceho sa Vesmíru k prvým okamihom jeho existencie.
Moderná fyzika verí, že častice – fermióny a bozóny, ktoré sa objavili hneď po Veľkom tresku, sú nedeliteľné. „Verí“ znamená, že zatiaľ neexistujú žiadne informácie o ich vnútornej štruktúre. Fermióny a bozóny boli niekde do 10 - 10 sekúnd vývoja vesmíru bez hmotnosti a tvorili takzvanú „vriacu polievku“ maličkého vesmíru. Navzájom na seba pôsobili podľa jediného zákona Veľkého zjednotenia.
V 10-36 sekundách sa zrútila éra Veľkého zjednotenia. Povaha interakcie častíc sa začala meniť. Zlučovanie častíc a vytváranie ťažších bolo nemožné, kým mal vesmír vysokú teplotu.
Chladnutie vesmíru trvalo 1 mikrosekundu» .
(M.I. Panasyuk „Pútnici vesmírom alebo ozvena Veľkého tresku“).
Otázka
Pohľad na Veľký tresk z pohľadu teórie čiernych dier prináša úžasné výsledky. Takže," astronómovia nazývajú čierna diera oblasť v časopriestore, v ktorej je gravitačná sila taká silná, že z nej nemôže uniknúť nič, dokonca ani svetlo».
ale oblasť, v ktorej sa hmota koncentruje v prvých okamihoch po veľkom tresku, by mala byť presne taká. Najväčšie („supermasívne“) čierne diery (v strede galaxií a v kvazaroch) dosahujú hmotnosti miliónkrát väčšie ako Slnko. Ale hmotnosť pozorovateľného vesmíru podľa moderných odhadov prevyšuje hmotnosť Slnka viac ako 10^20-krát – to je 100 quintilionov (1 quintillion = 1 miliarda miliardy)! Nie som emocionálny človek, ale napriek tomu neviem, koľko výkričníkov sem mám dať.
A všetka táto obrovská masa nevytvorila takú príšernú gravitačnú silu, aby zakrivenie časopriestoru nespôsobilo efekt „čiernej diery“? Pre hmotu expandujúcu počas Veľkého tresku sa čas mal spomaliť natoľko, že by stále neunikol z „horizontu udalostí“. Tým by sa úplne eliminovalo ďalšie „rozptyľovanie“ hmoty, ktorá následne tvorí pozorovateľnú časť vesmíru. Existuje logický rozpor - buď veda nesprávne chápe procesy veľkého tresku, alebo je nesprávna teória čiernych dier!
F. Dergačev "Čierna diera s hmotnosťou vesmíru?" Časť 2
Materiál pripravila redakcia InoSMI špeciálne pre sekciu RIA Science >>
Michael Finkel
Vráťme hodiny späť. Pred človekom, pred Zemou, pred zapálením Slnka, pred narodením galaxií, pred zažiarením svetla, nastal „veľký tresk“. Stalo sa to pred 13,8 miliardami rokov.
Supernovy zasiali priestor ťažkými prvkami v ranom vesmíreVedci pomocou japonského röntgenového vesmírneho teleskopu Suzaku skúmali distribúciu železa v zhluku galaxií Perseus, ktorý sa nachádza 250 miliónov svetelných rokov od nás.Ale čo sa stalo predtým? Mnoho fyzikov hovorí, že „predtým“ neexistovalo. Tvrdia, že čas sa začal počítať v momente „veľkého tresku“ a veria, že všetko, čo predtým existovalo, nie je zahrnuté do rozsahu vedy. Nikdy nepochopíme, aká bola realita pred Veľkým treskom, z čoho vznikla a prečo vznikol náš Vesmír. Takéto myšlienky presahujú ľudské chápanie.
Niektorí nekonvenční vedci však nesúhlasia. Títo fyzici teoretizujú, že chvíľu pred „veľkým treskom“ bola celá hmota a energia rodiaceho sa vesmíru zhustená do jedného neuveriteľne hustého, ale konečného zrna. Nazvime to zárodkom nového vesmíru.
Veria, že semienko bolo nepredstaviteľne malé, možno biliónkrát menšie ako akákoľvek častica, ktorú by mohli ľudia pozorovať. A predsa táto častica dala vzniknúť všetkým ostatným časticiam, nehovoriac o galaxiách, slnečnej sústave, planétach a ľuďoch.
Ak naozaj chcete niečo nazvať časticou Boha, potom je toto semeno ideálne pre toto meno.
Ako teda toto semienko vzniklo? Jeden nápad predložil pred niekoľkými rokmi Nikodem Poplawski, ktorý pôsobí na University of New Haven. Je to tak, že semeno nášho vesmíru bolo vykované v prvotnej peci, ktorou sa preň stala čierna diera.
Násobenie multivesmírov
Skôr ako pôjdeme ďalej, je dôležité pochopiť, že za posledných dvadsať rokov mnohí teoretickí fyzici nadobudli presvedčenie, že náš vesmír nie je jediný. Môžeme byť súčasťou multivesmíru, ktorý predstavuje obrovské množstvo jednotlivých vesmírov, z ktorých každý je žiariacou guľou na skutočnej nočnej oblohe.
Veľa sa polemizuje o tom, ako je jeden vesmír prepojený s druhým a či vôbec takéto prepojenie existuje. Všetky tieto spory sú však čisto špekulatívne a pravda je nepreukázateľná. Ale jedna atraktívna myšlienka je, že semeno vesmíru je ako semienko rastliny. Toto je časť základnej hmoty, pevne stlačená a ukrytá vo vnútri ochranného obalu.
To presne vysvetľuje, čo sa deje vo vnútri čiernej diery. Čierne diery sú mŕtvoly obrovských hviezd. Keď takejto hviezde dôjde palivo, jej jadro sa zrúti. Gravitačná sila ťahá všetko k sebe neuveriteľnou a stále sa zvyšujúcou silou. Teploty dosahujú 100 miliárd stupňov. Atómy sa rúcajú. Elektróny sú roztrhané na kusy. A potom sa táto hmota ešte viac stiahne.
V tomto bode sa hviezda zmení na čiernu dieru. To znamená, že jeho príťažlivá sila je taká obrovská, že z neho nemôže uniknúť ani lúč svetla. Hranica medzi vnútrom a vonkajškom čiernej diery sa nazýva horizont udalostí. V strede takmer každej galaxie, vrátane našej vlastnej Mliečnej dráhy, vedci objavujú kolosálne čierne diery, niekoľko miliónov krát hmotnejšie ako naše Slnko.
Otázky bez dna
Ak použijete Einsteinovu teóriu na určenie toho, čo sa deje na dne čiernej diery, môžete vypočítať bod, ktorý je nekonečne hustý a nekonečne malý. Tento hypotetický koncept sa nazýva singularita. Ale v prírode nekonečno zvyčajne neexistuje. Problém spočíva v Einsteinových teóriách, ktoré poskytujú vynikajúce výpočty pre veľkú časť vesmíru, ale rozpadajú sa tvárou v tvár neuveriteľným silám, ako sú tie vo vnútri čiernej diery alebo tie, ktoré sú prítomné pri zrode vesmíru.
Fyzici ako Dr. Poplavsky hovoria, že hmota vo vnútri čiernej diery sa skutočne dostane do bodu, kedy ju už nemožno stlačiť. Toto „semienko“ je neskutočne maličké a váži až miliarda hviezd. Ale na rozdiel od singularity je celkom reálna.
Podľa Poplavského sa proces kompresie zastaví, pretože čierne diery rotujú. Otáčajú sa veľmi rýchlo, možno dosahujú rýchlosť svetla. A toto krútenie dáva stlačenému semenu neuveriteľnú axiálnu rotáciu. Semeno nie je len malé a ťažké; je tiež skrútený a stlačený, ako pružina toho čerta v tabatierke.
Vedci prvýkrát zmerali magnetické pole čiernej diery v strede GalaxieSupermasívna čierna diera Sgr A* sa nachádza v strede našej galaxie. Predtým astronómovia objavili rádiový pulzar PSR J1745-2900 v strede našej galaxie. Žiarenie z neho vychádzajúce použili na meranie sily magnetického poľa pri čiernej diere.Inými slovami, je celkom možné, že čierna diera je tunel, „jednosmerné dvere“ medzi dvoma vesmírmi, hovorí Poplavsky. To znamená, že ak spadnete do čiernej diery v strede Mliečnej dráhy, je dosť možné, že skončíte v inom vesmíre (no, ak nie vy, tak vaše telo rozdrvené na drobné čiastočky). Tento iný vesmír nie je v našom; diera je jednoducho spojovací článok, ako spoločný koreň, z ktorého vyrastajú dva osiky.
A čo my všetci v našom vlastnom vesmíre? Môžeme byť produktom iného, staršieho vesmíru. Nazvime to náš skutočný vesmír. Toto semeno, ktoré materský vesmír vytvoril vo vnútri čiernej diery, mohlo urobiť veľký skok pred 13,8 miliardami rokov, a hoci sa náš vesmír odvtedy rýchlo rozpína, stále môžeme byť za horizontom udalostí čiernej diery.
Svet ti nie je nič dlžný – bol tu pred tebou.
- Mark Twain
Čitateľ sa pýta:
Prečo sa vesmír nezrútil do čiernej diery hneď po veľkom tresku?
Aby som bol úprimný, sám som o tom veľa premýšľal. A preto.
Vesmír je dnes plný všetkého. Naša galaxia je chladnou zmesou hviezd, planét, plynu, prachu, množstva temnej hmoty, ktorá obsahuje 200 až 400 miliárd hviezd a váži biliónkrát viac ako celá naša slnečná sústava. Ale naša galaxia je len jednou z biliónov podobne veľkých galaxií roztrúsených po celom vesmíre.
Ale bez ohľadu na to, aký masívny je vesmír, táto hmota je rozložená v obrovskom priestore. Pozorovateľná časť vesmíru má priemer asi 92 miliárd svetelných rokov, čo je v porovnaní s hranicami našej slnečnej sústavy ťažko predstaviteľné. Obežná dráha Pluta a iných objektov Kuiperovho pásu je 0,06 % svetelného roku. Preto máme obrovskú hmotu rozloženú na obrovskom objeme. A rád by som si predstavil, ako spolu súvisia.
No naše Slnko váži 2*10^30 kg. To znamená, že obsahuje 10^57 protónov a neutrónov. Ak vezmeme do úvahy, že vesmír obsahuje 10^24 slnečných hmôt bežnej hmoty, ukáže sa, že guľa s polomerom 46 miliárd kilometrov obsahuje 10^81 nukleónov. Ak vypočítame priemernú hustotu vesmíru, vyjde nám približne dva protóny na meter kubický. A toto je MINOR!
Preto, ak začnete premýšľať o ranom štádiu vývoja nášho vesmíru, keď sa všetka hmota a energia zhromaždili vo veľmi malom priestore, ktorý bol oveľa menší ako naša slnečná sústava, musíme sa zamyslieť nad otázkou nášho čitateľ.
Keď bol vesmír po Veľkom tresku starý jednu pikosekundu, všetka táto hmota teraz obsiahnutá vo hviezdach, galaxiách, kopách a superkopách vesmíru bola v objeme menšom ako guľa s polomerom rovným súčasnému polomeru obežnej dráhy Zeme.
A bez toho, aby sme odbočili od teórie, že celý vesmír sa zmestí do takého malého objemu, povedzme, že poznáme čierne diery, ktoré už existujú a ktorých hmotnosť je oveľa menšia ako hmotnosť vesmíru a ich veľkosť je oveľa väčšia ako spomínaný objem!
Pred vami je obrovská eliptická galaxia Messier 87, najväčšia galaxia vo vzdialenosti 50 miliónov svetelných rokov od nás, čo je 0,1 % polomeru pozorovateľného vesmíru. V jeho strede sa nachádza supermasívna čierna diera s hmotnosťou 3,5 miliardy Slnka. To znamená, že má Schwarzschildov polomer – čiže polomer, z ktorého svetlo nemôže uniknúť. Je to približne 10 miliárd kilometrov, čo je 70-násobok vzdialenosti od Zeme k Slnku.
Ak teda takáto hmotnosť v takom malom objeme vedie k objaveniu sa čiernej diery, prečo hmotnosť 10^14-krát väčšia, ktorá je v ešte menšom objeme, neviedla k vzniku čiernej diery, ale samozrejme, viedli k vzniku nášho vesmíru?
Takže to takmer nepriniesla. Vesmír sa časom rozpína a rýchlosť jeho rozpínania klesá, keď sa presúvame do budúcnosti. V dávnej minulosti, v prvých pikosekundách vesmíru, bola rýchlosť jeho rozpínania oveľa, oveľa väčšia ako teraz. Koľko ešte?
Dnes sa vesmír rozširuje rýchlosťou približne 67 km/s/Mpc, čo znamená, že na každý megaparsek (približne 3,26 milióna svetelných rokov), o ktorý je niečo preč od nás, sa vzdialenosť medzi nami a týmto objektom zväčšuje rýchlosťou 67 kilometrov za sekundu. Keď bol vek vesmíru pikosekundy, táto rýchlosť bola bližšie k 10^46 km/s/MPc. Aby sme to uviedli do perspektívy, dnešná rýchlosť expanzie by viedla k tomu, že by sa každý atóm hmoty na Zemi vzdialil od ostatných tak rýchlo, že by sa vzdialenosť medzi nimi každú sekundu zväčšila o svetelný rok!
Toto rozšírenie popisuje vyššie uvedenú rovnicu. Na jednej strane je H, miera expanzie Hubbleovho vesmíru vo vesmíre, a na druhej je veľa vecí. Najdôležitejšia je však premenná ρ, ktorá označuje hustotu energie vesmíru. Ak sú H a ρ dokonale vyvážené, vesmír môže prežiť veľmi dlho. Ale aj mierna nerovnováha povedie k jednému z dvoch veľmi nepríjemných následkov.
Ak by rýchlosť expanzie vesmíru bola o niečo nižšia v porovnaní s množstvom jeho hmoty a energie, potom by náš vesmír čelil takmer okamžitému kolapsu. Transformácia na čiernu dieru alebo Big Crunch by prebehla veľmi rýchlo. A ak by rýchlosť expanzie bola len o niečo vyššia, atómy by sa navzájom vôbec nespájali. Všetko by expandovalo tak rýchlo, že by každá subatomárna častica existovala vo svojom vlastnom vesmíre bez toho, aby s čím interagovala.
Ako rozdielne museli byť miery expanzie, aby sa dosiahli také rozdielne výsledky? Na 10%? O 1%? O 0,1%?
Vezmite to vyššie. Na to, aby vesmír vydržal 10 miliárd rokov, by bol potrebný rozdiel menší ako 1/10^24. To znamená, že aj rozdiel 0,00000001% od rýchlosti expanzie, ku ktorej došlo, by stačil na to, aby sa vesmír zrútil späť za menej ako sekundu, ak by expanzia bola príliš pomalá. Alebo zabrániť vytvoreniu čo i len jedného atómu hélia, ak by expanzia bola príliš veľká.
Ale nič z toho nemáme: máme Vesmír, ktorý je príkladom takmer dokonalej rovnováhy medzi expanziou a hustotou hmoty a žiarenia a súčasný stav sa od ideálnej rovnováhy líši len veľmi malou nenulovou kozmologickou konštantou. Zatiaľ nevieme vysvetliť, prečo to existuje, ale možno vás bude baviť študovať to, čo to nevysvetľuje!
Pojem čierna diera pozná každý – od školákov až po starších ľudí, používa sa vo 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 (!) hmotností Slnka, čo je pre porovnanie gigantický krát väčšia ako hmotný objekt Sagittarius A*, s priemerom o niečo menším, ako je vzdialenosť od Slnka k Plutu.
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 prepojených sieťou a umiestnených v rôznych častiach zemegule, nasmerovaných rovnakým smerom.
Čo sú to vlastne čierne diery
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. Pokiaľ termonukleárne reakcie udržujú v jeho hĺbkach vysoký tlak, všetko zostáva normálne. No časom sa zásoby energie vyčerpajú a nebeské teleso sa vplyvom vlastnej gravitácie začne zmenšovať. 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 Mliečnej dráhy. 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 singulárna porucha.
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* a vygeneruje v ňom 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 teleskopu, 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.
