Per als científics moderns, un forat negre és un dels fenòmens més misteriosos del nostre univers. L'estudi d'aquests objectes és difícil, no és possible provar-los "per experiència". La massa, la densitat de la substància d'un forat negre, els processos de formació d'aquest objecte, les dimensions, tot això desperta interès entre els especialistes i, de vegades, desconcert. Considerem el tema amb més detall. Primer, analitzem què és aquest objecte.
Informació general
Una característica sorprenent d'un objecte còsmic és la combinació d'un radi petit, una gran densitat de matèria de forat negre i una massa increïblement gran. Totes les propietats físiques conegudes actualment d'aquest objecte semblen estranyes als científics, sovint inexplicables. Fins i tot els astrofísics més experimentats encara estan sorpresos de les peculiaritats d'aquests fenòmens. La característica principal que permet als científics identificar un forat negre és l'horitzó d'esdeveniments, és a dir, el límit pel qualres no torna, inclosa la llum. Si una zona està separada permanentment, el límit de separació es designa com a horitzó d'esdeveniments. Amb la separació temporal, es fixa la presència d'un horitzó visible. De vegades, el temporal és un concepte molt fluix, és a dir, la regió pot estar separada durant un període superior a l'edat actual de l'univers. Si hi ha un horitzó visible que existeix durant molt de temps, és difícil distingir-lo de l'horitzó d'esdeveniments.
En molts aspectes, les propietats d'un forat negre, la densitat de la substància que el forma, es deuen a altres qualitats físiques que operen en les nostres lleis mundials. L'horitzó d'esdeveniments d'un forat negre esfèricament simètric és una esfera el diàmetre de la qual està determinat per la seva massa. Com més massa estira cap a dins, més gran és el forat. I, tanmateix, segueix sent sorprenentment petit en el fons de les estrelles, ja que la pressió gravitatòria comprimeix tot el que hi ha al seu interior. Si imaginem un forat la massa del qual correspon al nostre planeta, aleshores el radi d'aquest objecte no superarà uns quants mil·límetres, és a dir, serà deu mil milions menys que la terra. El radi va rebre el nom de Schwarzschild, el científic que primer va deduir els forats negres com a solució a la teoria general de la relativitat d'Einstein.
I dins?
Un cop endinsat en un objecte així, és poc probable que una persona noti una gran densitat sobre si mateixa. No s'entenen bé les propietats d'un forat negre per saber què passarà, però els científics creuen que no es pot revelar res especial en creuar l'horitzó. Això s'explica per l'equivalent einsteiniàprincipi que explica per què el camp que forma la curvatura de l'horitzó i l'acceleració inherent al pla no difereixen per a l'observador. Quan es fa un seguiment del procés d'encreuament des de la distància, es pot veure que l'objecte comença a frenar prop de l'horitzó, com si el temps passés lentament en aquest lloc. Al cap d'un temps, l'objecte travessarà l'horitzó i caurà al radi de Schwarzschild.
La densitat de la matèria en un forat negre, la massa d'un objecte, les seves dimensions i forces de marea i el camp gravitatori estan estretament relacionats. Com més gran sigui el radi, menor serà la densitat. El radi augmenta amb el pes. Les forces de marea són inversament proporcionals al pes quadrat, és a dir, a mesura que augmenten les dimensions i disminueix la densitat, les forces de marea de l'objecte disminueixen. Serà possible superar l'horitzó abans de notar aquest fet si la massa de l'objecte és molt gran. En els primers temps de la relativitat general, es creia que hi havia una singularitat a l'horitzó, però va resultar que no era així.
Sobre la densitat
Com han demostrat els estudis, la densitat d'un forat negre, depenent de la massa, pot ser més o menys. Per a diferents objectes, aquest indicador varia, però sempre disminueix amb l'augment del radi. Poden aparèixer forats supermassius, que es formen de manera extensiva a causa de l'acumulació de material. De mitjana, la densitat d'aquests objectes, la massa dels quals correspon a la massa total de diversos milers de milions de lluminàries del nostre sistema, és inferior a la densitat de l'aigua. De vegades és comparable al nivell de densitat del gas. La força de marea d'aquest objecte ja s'activa després que l'observador travessa l'horitzóesdeveniments. L'hipotètic explorador no es veuria perjudicat quan s'acostava a l'horitzó, i cauria molts milers de quilòmetres si trobés protecció amb el plasma del disc. Si l'observador no mira enrere, no s'adonarà que l'horitzó ha estat creuat, i si gira el cap, probablement veurà raigs de llum congelats a l'horitzó. El temps per a l'observador fluirà molt lentament, podrà seguir els esdeveniments a prop del forat fins al moment de la mort, ja sigui ella o l'Univers.
Per determinar la densitat d'un forat negre supermassiu, cal conèixer-ne la massa. Trobeu el valor d'aquesta quantitat i el volum de Schwarzschild inherent a l'objecte espacial. De mitjana, aquest indicador, segons els astrofísics, és excepcionalment petit. En un percentatge impressionant de casos, és inferior al nivell de densitat de l'aire. El fenomen s'explica de la següent manera. El radi de Schwarzschild està directament relacionat amb el pes, mentre que la densitat està inversament relacionada amb el volum, i per tant el radi de Schwarzschild. El volum està directament relacionat amb el radi al cub. La massa augmenta linealment. En conseqüència, el volum creix més ràpidament que el pes i la densitat mitjana es fa més petita, com més gran és el radi de l'objecte en estudi.
Curiositat per saber
La força de marea inherent a un forat és un gradient de la força de gravetat, que és força gran a l'horitzó, de manera que fins i tot els fotons no poden escapar d'aquí. Al mateix temps, l'augment del paràmetre es produeix sense problemes, cosa que fa possible que l'observador superi l'horitzó sense risc per a si mateix.
Estudis de la densitat d'un forat negreel centre de l'objecte encara és relativament limitat. Els astrofísics han establert que com més propera és la singularitat central, més alt és el nivell de densitat. El mecanisme de càlcul esmentat anteriorment us permet fer-vos una idea molt mitjana del que està passant.
Els científics tenen idees extremadament limitades sobre el que està passant al forat, la seva estructura. Segons els astrofísics, la distribució de la densitat en un forat no és gaire significativa per a un observador extern, almenys al nivell actual. Especificació molt més informativa de gravetat, pes. Com més gran és la massa, més fort és el centre, l'horitzó, estan separats entre si. També hi ha aquestes suposicions: més enllà de l'horitzó, la matèria està absent en principi, només es pot detectar a les profunditats de l'objecte.
Es coneix algun número?
Els científics fa temps que pensen en la densitat d'un forat negre. Es van fer certs estudis, es van intentar calcular. Aquí n'hi ha un.
La massa solar és de 210^30 kg. Es pot formar un forat al lloc d'un objecte que és diverses vegades més gran que el Sol. La densitat del forat més lleuger s'estima en una mitjana de 10^18 kg/m3. Aquest és un ordre de magnitud superior a la densitat del nucli d'un àtom. Aproximadament la mateixa diferència respecte al nivell de densitat mitjà característic d'una estrella de neutrons.
És possible l'existència de forats ultralleugers, les dimensions dels quals corresponen a partícules subnuclears. Per a aquests objectes, l'índex de densitat serà prohibitiu.
Si el nostre planeta es converteix en un forat, la seva densitat serà d'aproximadament 210^30 kg/m3. Tanmateix, els científics no han pogut fer-horevelar els processos com a resultat dels quals la nostra casa espacial es pot transformar en un forat negre.
Sobre els números amb més detall
La densitat del forat negre al centre de la Via Làctia s'estima en 1,1 milions de kg/m3. La massa d'aquest objecte correspon a 4 milions de masses solars. El radi del forat s'estima en 12 milions de km. La densitat indicada del forat negre al centre de la Via Làctia dóna una idea dels paràmetres físics dels forats supermassius.
Si el pes d'algun objecte és de 10^38 kg, és a dir, s'estima en aproximadament 100 milions de sols, aleshores la densitat d'un objecte astronòmic correspondrà al nivell de densitat del granit que es troba al nostre planeta.
D'entre tots els forats coneguts pels astrofísics moderns, un dels forats més pesats es va trobar al quàsar OJ 287. El seu pes correspon a 18.000 milions de lluminàries del nostre sistema. Quina és la densitat d'un forat negre, els científics han calculat sense gaire dificultat. El valor va resultar ser molt petit. Només és de 60 g/m3. Per comparació: l'aire atmosfèric del nostre planeta té una densitat d'1,29 mg/m3.
D'on provenen els forats?
Els científics no només van realitzar investigacions per determinar la densitat d'un forat negre en comparació amb l'estrella del nostre sistema o altres cossos còsmics, sinó que també van intentar determinar d'on provenen els forats, quins són els mecanismes per a la formació d'aquests forats. objectes misteriosos. Ara hi ha una idea de quatre maneres per a l'aparició de forats. L'opció més entenedora és el col·lapse d'una estrella. Quan es fa gran, es completa la síntesi al nucli,la pressió desapareix, la matèria cau al centre de gravetat, per tant apareix un forat. A mesura que t'acostes al centre, la densitat augmenta. Tard o d'hora, l'indicador esdevé tan significatiu que els objectes externs són incapaços de superar els efectes de la gravetat. A partir d'aquest moment, apareix un nou forat. Aquest tipus és més comú que altres i s'anomena forats de massa solar.
Un altre tipus de forat força comú és el supermassiu. Aquests s'observen amb més freqüència als centres galàctics. La massa de l'objecte en comparació amb el forat de massa solar descrit anteriorment és milers de milions de vegades més gran. Els científics encara no han establert els processos de manifestació d'aquests objectes. Se suposa que primer es forma un forat segons el mecanisme descrit anteriorment, després s'absorbeixen les estrelles veïnes, la qual cosa condueix al creixement. Això és possible si la zona de la galàxia està densament poblada. L'absorció de la matèria es produeix més ràpidament del que pot explicar l'esquema anterior, i els científics encara no poden endevinar com es produeix l'absorció.
Hposicions i idees
Un tema molt difícil per als astrofísics són els forats primordials. Tal, probablement, apareixen de qualsevol massa. Es poden formar en grans fluctuacions. Probablement, l'aparició d'aquests forats va tenir lloc a l'Univers primerenc. Fins ara, els estudis dedicats a les qualitats, característiques (inclosa la densitat) dels forats negres, els processos de la seva aparició no ens permeten determinar un model que reprodueixi amb precisió el procés d'aparició d'un forat primari. Els models coneguts actualment són predominantment tals que, si s'implantessin en la realitat,hi hauria massa forats.
Suposem que el Gran Col·lisionador d'Hadrons pot convertir-se en una font de formació d'un forat, la massa del qual correspon al bosó de Higgs. En conseqüència, la densitat del forat negre serà molt gran. Si es confirma aquesta teoria, es pot considerar una evidència indirecta de la presència de dimensions addicionals. Actualment, aquesta conclusió especulativa encara no s'ha confirmat.
Radiació d'un forat
L'emissió d'un forat s'explica pels efectes quàntics de la matèria. L'espai és dinàmic, de manera que les partícules aquí són completament diferents del que estem acostumats. A prop del forat, no només el temps es distorsiona; la comprensió d'una partícula depèn en gran mesura de qui l'observa. Si algú cau en un forat, li sembla que s'enfonsa en el buit i, per a un observador llunyà, sembla una zona plena de partícules. L'efecte s'explica per l'estirament del temps i l'espai. La radiació del forat va ser identificada per primera vegada per Hawking, el nom del qual va rebre el fenomen. La radiació té una temperatura inversament relacionada amb la massa. Com més baix sigui el pes d'un objecte astronòmic, més alta serà la temperatura (així com la densitat d'un forat negre). Si el forat és supermassiu o té una massa comparable a una estrella, la temperatura inherent de la seva radiació serà inferior a la del fons de microones. Per això, no és possible observar-la.
Aquesta radiació explica la pèrdua de dades. Aquest és el nom d'un fenomen tèrmic, que té una qualitat diferent: la temperatura. No hi ha informació sobre els processos de formació dels forats a través de l'estudi, però un objecte que emet aquesta radiació simultàniament perd massa (i per tant creixla densitat del forat negre) es redueix. El procés no està determinat per la substància a partir de la qual es forma el forat, no depèn del que s'hi va aspirar més tard. Els científics no poden dir què va ser la base del forat. A més, els estudis han demostrat que la radiació és un procés irreversible, és a dir, que simplement no pot existir en mecànica quàntica. Això vol dir que la radiació no es pot conciliar amb la teoria quàntica i la inconsistència requereix més treballs en aquesta direcció. Tot i que els científics creuen que la radiació Hawking hauria de contenir informació, encara no tenim els mitjans ni les capacitats per detectar-la.
Curiós: sobre les estrelles de neutrons
Si hi ha un supergegant, no vol dir que aquest cos astronòmic sigui etern. Amb el temps, canvia, descarta les capes exteriors. De les restes poden emergir nanes blanques. La segona opció són les estrelles de neutrons. Els processos específics estan determinats per la massa nuclear del cos primari. Si s'estima dins d'1,4-3 solars, aleshores la destrucció del supergegant s'acompanya d'una pressió molt alta, a causa de la qual els electrons estan, per dir-ho, pressionats als protons. Això condueix a la formació de neutrons, l'emissió de neutrins. En física, això s'anomena gas degenerat de neutrons. La seva pressió és tal que l'estrella no pot contreure's més.
No obstant això, com han demostrat els estudis, probablement no totes les estrelles de neutrons van aparèixer d'aquesta manera. Alguns d'ells són les restes de grans que van explotar com una segona supernova.
Ràdio del cos de Tommenys que més massa. Per a la majoria, varia entre 10 i 100 km. Es van realitzar estudis per determinar les densitats dels forats negres, estrelles de neutrons. Per al segon, com han demostrat les proves, el paràmetre és relativament proper a l'atòmic. Xifres específiques establertes pels astrofísics: 10^10 g/cm3.
Curiositat per saber: teoria i pràctica
Les estrelles de neutrons es van predir en teoria als anys 60 i 70 del segle passat. Els púlsars van ser els primers a ser descoberts. Es tracta d'estrelles petites, la velocitat de rotació de les quals és molt alta i el camp magnètic és realment grandiós. Se suposa que el púlsar hereta aquests paràmetres de l'estrella original. El període de rotació varia des de mil·lisegons fins a diversos segons. Els primers púlsars coneguts emetien emissions de ràdio periòdiques. Actualment, es coneixen els púlsars amb radiació d'espectre de raigs X i radiació gamma.
El procés descrit de formació d'estrelles de neutrons pot continuar; no hi ha res que el pugui aturar. Si la massa nuclear és de més de tres masses solars, aleshores el cos puntual és molt compacte, s'anomena forats. No es podran determinar les propietats d'un forat negre amb una massa superior a la crítica. Si es perd part de la massa a causa de la radiació Hawking, el radi disminuirà simultàniament, de manera que el valor del pes tornarà a ser inferior al valor crític d'aquest objecte.
Un forat pot morir?
Els científics plantegen hipòtesis sobre l'existència de processos a causa de la participació de partícules i antipartícules. La fluctuació dels elements pot fer que es caracteritzi l'espai buitnivell d'energia zero, que (aquí hi ha una paradoxa!) no serà igual a zero. Al mateix temps, l'horitzó d'esdeveniments inherent al cos rebrà un espectre de baixa energia inherent al cos negre absolut. Aquesta radiació provocarà pèrdua de massa. L'horitzó es reduirà lleugerament. Suposem que hi ha dos parells d'una partícula i el seu antagonista. Hi ha una aniquilació d'una partícula d'un parell i el seu antagonista d'un altre. Com a conseqüència, hi ha fotons que volen fora del forat. El segon parell de partícules proposades cau al forat, absorbint simultàniament una certa quantitat de massa, energia. A poc a poc, això porta a la mort del forat negre.
Com a conclusió
Segons alguns, un forat negre és una mena d'aspiradora còsmica. Un forat pot empassar una estrella, fins i tot pot "menjar" una galàxia. De moltes maneres, l'explicació de les qualitats d'un forat, així com les característiques de la seva formació, es pot trobar a la teoria de la relativitat. D'això se sap que el temps és continu, així com l'espai. Això explica per què els processos de compressió no es poden aturar, són il·limitats i il·limitats.
Aquests són aquests misteriosos forats negres, sobre els quals els astrofísics s'han estat trencant el cervell durant més d'una dècada.
