Fekete lyukak: az Univerzum legtitokzatosabb tárgyainak felfedezésének története, amelyeket soha nem fogunk látni.

« A sci-fi hasznos lehet – serkenti a képzeletet és enyhíti a jövőtől való félelmet. A tudományos tények azonban sokkal meglepőbbek lehetnek. A sci-fi soha nem is képzelte, hogy léteznek olyan dolgok, mint a fekete lyukak»
Stephen Hawking

Az univerzum mélyén számtalan rejtély és titok rejtőzik az emberek számára. Az egyik a fekete lyukak – olyan tárgyak, amelyeket még az emberiség legnagyobb elméje sem érthet. Asztrofizikusok százai próbálják feltárni a fekete lyukak természetét, de jelenleg még a gyakorlatban sem bizonyítottuk létezésüket.

A filmrendezők nekik dedikálják filmjeiket, és a hétköznapi emberek körében a fekete lyukak olyan kultikus jelenséggé váltak, hogy a világvégével és az elkerülhetetlen halállal azonosítják őket. Félnek és utálnak tőlük, de ugyanakkor bálványozza és imádja őket az ismeretlen, amit az Univerzum furcsa töredékei rejtenek magukban. Egyetértek azzal, hogy egy fekete lyuk elnyelte olyan romantikus dolog. Segítségükkel ez lehetséges, és ők is vezetőkké válhatnak számunkra.

A sárga sajtó gyakran spekulál a fekete lyukak népszerűségén. Nem probléma, ha az újságokban egy szupermasszív fekete lyukkal való újabb ütközés miatti világvégével kapcsolatos híreket találni. Sokkal rosszabb, hogy a lakosság írástudatlan része mindent komolyan vesz, és igazi pánikot kelt. A tisztánlátás érdekében egy utazást teszünk a fekete lyukak felfedezésének eredetéhez, és megpróbáljuk megérteni, mi az, és hogyan kell kezelni.

Láthatatlan csillagok

Történt ugyanis, hogy a modern fizikusok a relativitáselmélet segítségével írják le univerzumunk szerkezetét, amelyet Einstein gondosan biztosított az emberiségnek a 20. század elején. Még titokzatosabbá válnak a fekete lyukak, amelyek eseményhorizontjában a fizika összes általunk ismert törvénye, beleértve Einstein elméletét is, megszűnik érvényesülni. Hát nem csodálatos? Ráadásul a fekete lyukak létezéséről szóló sejtés már jóval maga Einstein születése előtt megfogalmazódott.

1783-ban Angliában jelentősen megnövekedett a tudományos tevékenység. Akkoriban a tudomány egymás mellett ment a vallással, jól kijöttek egymással, és a tudósokat már nem tekintették eretnekeknek. Ráadásul a papok tudományos kutatással is foglalkoztak. Isten egyik ilyen szolgája volt John Michell angol lelkész, aki nemcsak a létkérdéseken töprengett, hanem teljesen tudományos problémákon is. Michell nagyon titulált tudós volt: kezdetben matematika és ókori nyelvészet tanára volt az egyik főiskolán, majd számos felfedezésért felvették a Londoni Királyi Társaságba.

John Michell szeizmológiát tanult, de szabadidejében szívesen gondolt az örökkévalóságra és a kozmoszra. Így jutott eszébe, hogy valahol az Univerzum mélyén szupermasszív testek létezhetnek olyan erős gravitációval, hogy egy ilyen test gravitációs erejének leküzdéséhez egyenlő vagy annál nagyobb sebességgel kell mozogni. mint a fénysebesség. Ha egy ilyen elméletet igaznak fogadunk el, akkor még a fény sem lesz képes második szökési sebességet (a távozó test gravitációs vonzásának leküzdéséhez szükséges sebességet) kifejleszteni, így egy ilyen test szabad szemmel láthatatlan marad.

Michell új elméletét „sötét csillagoknak” nevezte, és egyúttal megpróbálta kiszámítani az ilyen objektumok tömegét. Ezzel kapcsolatos gondolatait a Londoni Királyi Társaságnak címzett nyílt levélben fejtette ki. Sajnos akkoriban az ilyen kutatások nem voltak különösebben értékesek a tudomány számára, ezért Michell levelét elküldték az archívumba. Csak kétszáz évvel később, a 20. század második felében fedezték fel az ősi könyvtárban gondosan őrzött több ezer egyéb feljegyzés között.

Az első tudományos bizonyíték a fekete lyukak létezésére

Einstein általános relativitáselméletének megjelenése után a matematikusok és fizikusok komolyan elkezdték megoldani a német tudós által bemutatott egyenleteket, amelyeknek sok új dolgot kellett volna elárulniuk az Univerzum szerkezetéről. Karl Schwarzschild német csillagász és fizikus 1916-ban ugyanígy döntött.

A tudós számításait felhasználva arra a következtetésre jutott, hogy a fekete lyukak létezése lehetséges. Ő volt az első, aki leírta a később romantikus „eseményhorizontnak” nevezett kifejezést – a téridő képzeletbeli határát egy fekete lyukban, amelynek átlépése után van egy pont, ahonnan nincs visszatérés. Semmi sem kerül ki az eseményhorizontból, még a fény sem. Az eseményhorizonton túl lép fel az úgynevezett „szingularitás”, ahol a fizika általunk ismert törvényei megszűnnek érvényesülni.

Folytatva elméletének fejlesztését és az egyenletek megoldását, Schwarzschild a fekete lyukak új titkait fedezte fel önmaga és a világ számára. Így képes volt kizárólag papíron kiszámítani a távolságot a fekete lyuk középpontjától, ahol a tömege koncentrálódik, az eseményhorizontig. Schwarzschild ezt a távolságot gravitációs sugárnak nevezte.

Annak ellenére, hogy matematikailag Schwarzschild megoldásai rendkívül helyesek és megcáfolhatatlanok voltak, a 20. század eleji tudományos közösség nem tudott azonnal elfogadni egy ilyen megdöbbentő felfedezést, és a fekete lyukak létezését fantáziaként írták le, ami mindenhol megjelent. időnként a relativitáselméletben. A következő másfél évtizedben a fekete lyukak jelenlétének űrkutatása lassú volt, és a német fizikus elméletének csak néhány híve foglalkozott vele.

Sötétséget szülõ csillagok

Miután Einstein egyenleteit darabokra válogatták, ideje volt felhasználni a levont következtetéseket az Univerzum szerkezetének megértésére. Különösen a csillagfejlődés elméletében. Nem titok, hogy a mi világunkban semmi sem tart örökké. Még a csillagoknak is megvan a saját életciklusa, bár hosszabb, mint egy embernek.

Az egyik első tudós, aki komolyan érdeklődött a csillagok evolúciója iránt, a fiatal asztrofizikus, Subramanjan Chandrasekhar volt, aki Indiában született. 1930-ban publikált egy tudományos közleményt, amelyben leírta a csillagok feltételezett belső szerkezetét, valamint életciklusukat.

A tudósok már a 20. század elején sejtettek egy olyan jelenséget, mint a gravitációs kompresszió (gravitációs összeomlás). Életének egy bizonyos pontján egy csillag a gravitációs erők hatására óriási sebességgel kezd összehúzódni. Ez általában egy csillag halálának pillanatában történik, de a gravitációs összeomlás során többféle módon is létezik egy forró labda.

Chandrasekhar tudományos tanácsadója, Ralph Fowler, a maga idejében elismert elméleti fizikus, azt feltételezte, hogy a gravitációs összeomlás során minden csillag kisebb és forróbb csillaggá változik – fehér törpévé. De kiderült, hogy a diák „megtörte” a tanár elméletét, amelyet a legtöbb fizikus osztott a múlt század elején. Egy fiatal indián munkája szerint a csillag pusztulása a kezdeti tömegétől függ. Például csak azok a csillagok válhatnak fehér törpévé, amelyek tömege nem haladja meg a Nap tömegének 1,44-szeresét. Ezt a számot Chandrasekhar limitnek hívták. Ha a csillag tömege meghaladja ezt a határt, akkor teljesen más módon hal meg. Bizonyos körülmények között egy ilyen csillag a halál pillanatában újjászülethet új, neutroncsillaggá - ez a modern Univerzum másik rejtélye. A relativitáselmélet egy másik lehetőséget mond nekünk – a csillag ultra-kis értékekre való tömörítését, és itt kezdődik a móka.

1932-ben az egyik tudományos folyóiratban megjelent egy cikk, amelyben Lev Landau, a Szovjetunió briliáns fizikusa azt javasolta, hogy összeomlás közben egy szupermasszív csillag végtelenül kicsi sugarú és végtelen tömegű ponttá préselődik. Annak ellenére, hogy egy ilyen eseményt nagyon nehéz elképzelni egy felkészületlen személy szemszögéből, Landau nem volt messze az igazságtól. A fizikus azt is javasolta, hogy a relativitáselmélet szerint a gravitáció egy ilyen ponton akkora lesz, hogy elkezdi torzítani a téridőt.

Az asztrofizikusok kedvelték Landau elméletét, és továbbfejlesztették azt. 1939-ben Amerikában két fizikus – Robert Oppenheimer és Hartland Snyder – erőfeszítéseinek köszönhetően megjelent egy elmélet, amely részletesen leírt egy szupermasszív csillagot az összeomlás idején. Egy ilyen esemény eredményeként egy igazi fekete lyuknak kellett volna megjelennie. Az érvek meggyőző volta ellenére a tudósok továbbra is tagadták az ilyen testek létezésének lehetőségét, valamint a csillagok átalakulását. Még Einstein is elhatárolta magát ettől az elképzeléstől, mert úgy gondolta, hogy egy csillag nem képes ilyen fenomenális átalakulásokra. Más fizikusok nem fukarkodtak kijelentéseikkel, nevetségesnek nevezték az ilyen események lehetőségét.
A tudomány azonban mindig eljut az igazságig, csak várni kell egy kicsit. És így történt.

Az Univerzum legfényesebb tárgyai

Világunk paradoxonok gyűjteménye. Néha olyan dolgok léteznek benne egymás mellett, amelyek együttélése dacol minden logikával. Például a „fekete lyuk” kifejezést egy normális ember nem társítaná a „hihetetlenül fényes” kifejezéssel, de a múlt század 60-as éveinek elején történt felfedezés lehetővé tette a tudósok számára, hogy ezt az állítást helytelennek tartsák.

Az asztrofizikusok teleszkópok segítségével eddig ismeretlen objektumokat fedezhettek fel a csillagos égbolton, amelyek annak ellenére is furcsán viselkedtek, hogy úgy néztek ki, mint a hétköznapi csillagok. Martin Schmidt amerikai tudós ezeknek a furcsa világítótesteknek a tanulmányozása során felhívta a figyelmet spektrográfiájukra, amelynek adatai a többi csillag pásztázásától eltérő eredményeket mutattak. Egyszerűen fogalmazva, ezek a csillagok nem voltak olyanok, mint a többiek, amelyeket megszoktunk.

Hirtelen felvillant Schmidtnek, és észrevett egy eltolódást a spektrumban a vörös tartományban. Kiderült, hogy ezek a tárgyak sokkal távolabb vannak tőlünk, mint azok a csillagok, amelyeket az égen szoktunk megfigyelni. Például a Schmidt által megfigyelt objektum két és fél milliárd fényévnyire volt bolygónktól, de olyan fényesen ragyogott, mint egy csillag néhány száz fényévnyire. Kiderült, hogy egy ilyen objektum fénye egy egész galaxis fényességéhez hasonlítható. Ez a felfedezés igazi áttörést jelentett az asztrofizikában. A tudós ezeket az objektumokat „kvázi csillagoknak” vagy egyszerűen „kvazárnak” nevezte.

Martin Schmidt folytatta az új objektumok tanulmányozását, és megállapította, hogy egy ilyen fényes fényt csak egy ok okozhat - az akkréció. Az akkréció az a folyamat, amikor egy szupermasszív test a gravitáció segítségével elnyeli a környező anyagot. A tudós arra a következtetésre jutott, hogy a kvazárok középpontjában egy hatalmas fekete lyuk található, amely hihetetlen erővel vonja be az őt körülvevő anyagot az űrbe. Amint az anyagot a lyuk elnyeli, a részecskék hatalmas sebességre gyorsulnak fel, és izzani kezdenek. A fekete lyuk körül egyfajta világító kupolát akkréciós korongnak neveznek. Vizualizálását jól demonstrálta Christopher Nolan Interstellar című filmje, amely számos kérdést vet fel: „hogyan világíthat egy fekete lyuk?”

A mai napig a tudósok már több ezer kvazárt találtak a csillagos égbolton. Ezeket a furcsa, hihetetlenül fényes tárgyakat az Univerzum jelzőfényeinek nevezik. Lehetővé teszik számunkra, hogy egy kicsit jobban elképzeljük a kozmosz szerkezetét, és közelebb kerüljünk ahhoz a pillanathoz, amelyből az egész kezdődött.

Bár az asztrofizikusok sok éve kaptak közvetett bizonyítékot a szupermasszív láthatatlan objektumok létezésére az Univerzumban, a „fekete lyuk” kifejezés 1967-ig nem létezett. Az összetett nevek elkerülése érdekében John Archibald Wheeler amerikai fizikus azt javasolta, hogy az ilyen objektumokat „fekete lyukaknak” nevezzék. Miért ne? Bizonyos mértékig feketék, mert nem látjuk őket. Ráadásul mindent vonzanak, bele lehet esni, akár egy igazi lyukba. És a modern fizika törvényei szerint egy ilyen helyről egyszerűen lehetetlen kijutni. Stephen Hawking azonban azt állítja, hogy amikor egy fekete lyukon keresztül utazunk, egy másik Univerzumba, egy másik világba juthatunk, és ez a remény.

Félelem a végtelenségtől

A fekete lyukak túlzott titokzatossága és romantikája miatt ezek a tárgyak igazi horror történetté váltak az emberek körében. A bulvársajtó előszeretettel spekulál a lakosság írástudatlanságán, elképesztő történeteket közöl arról, hogyan halad Földünk felé egy hatalmas fekete lyuk, amely órákon belül felfalja a Naprendszert, vagy egyszerűen mérgező gázhullámokat bocsát ki bolygónk felé. .

Különösen népszerű a bolygó megsemmisítése a Nagy Hadronütköztető segítségével, amelyet 2006-ban építettek Európában, az Európai Nukleáris Kutatási Tanács (CERN) területén. A pánikhullám valaki hülye tréfájaként kezdődött, de hógolyóként nőtt. Valaki azt a pletykát indította el, hogy az ütköző részecskegyorsítójában fekete lyuk képződhet, amely teljesen elnyeli bolygónkat. Természetesen a felháborodott emberek elkezdték követelni a kísérletek betiltását az LHC-nél, tartva az események ettől a kimenetelétől. Az Európai Bírósághoz elkezdtek olyan keresetek érkezni, amelyek az ütköző bezárását követelték, és az azt létrehozó tudósokat a törvény legteljesebb mértékben megbüntetik.

Valójában a fizikusok nem tagadják, hogy amikor a részecskék ütköznek a Nagy Hadronütköztetőben, akkor a fekete lyukakhoz hasonló tulajdonságú tárgyak keletkezhetnek, de méretük az elemi részecskék méretének szintjén van, és ilyen „lyukak” léteznek ilyen rövid ideig, hogy nem is tudjuk rögzíteni az előfordulásukat.

Az egyik fő szakértő, aki a tudatlanság hullámát próbálja eloszlatni az emberek előtt, Stephen Hawking, a híres elméleti fizikus, aki ráadásul igazi „gurunak” számít a fekete lyukakkal kapcsolatban. Hawking bebizonyította, hogy a fekete lyukak nem mindig nyelték el az akkréciós korongokban megjelenő fényt, és egy része szétszóródik az űrben. Ezt a jelenséget Hawking-sugárzásnak vagy fekete lyuk párolgásnak nevezték. Hawking kapcsolatot teremtett a fekete lyuk mérete és „párolgási sebessége” között is – minél kisebb, annál kevésbé létezik időben. Ez azt jelenti, hogy a Large Hadron Collider minden ellenfelének nem kell aggódnia: a benne lévő fekete lyukak a másodperc milliomodrészét sem képesek túlélni.

Az elmélet a gyakorlatban nem bizonyított

Sajnos az emberi technológia a fejlődésnek ebben a szakaszában nem teszi lehetővé az asztrofizikusok és más tudósok által kidolgozott elméletek többségének tesztelését. Egyrészt a fekete lyukak létezését meglehetősen meggyőzően bizonyították papíron, és olyan képletekkel vezették le, amelyekben minden egyes változóhoz illeszkedik. Másrészt a gyakorlatban még nem láthattunk saját szemünkkel igazi fekete lyukat.

A fizikusok minden nézeteltérés ellenére azt sugallják, hogy minden galaxis közepén van egy szupermasszív fekete lyuk, amely gravitációjával halmazokba gyűjti a csillagokat, és arra kényszeríti őket, hogy egy nagy és barátságos társaságban körbeutazzák a Világegyetemet. Tejútrendszerünkben különböző becslések szerint 200-400 milliárd csillag található. Mindezek a csillagok olyasmi körül keringenek, aminek hatalmas tömege van, olyasmi, amit távcsővel nem láthatunk. Valószínűleg egy fekete lyuk. Félnünk kell tőle? – Nem, legalábbis nem a következő néhány milliárd évben, de készíthetünk róla egy újabb érdekes filmet.

A fekete lyukak létezésének hipotézisét először J. Michell angol csillagász állította fel 1783-ban a korpuszkuláris fényelmélet és a Newton-féle gravitációelmélet alapján. Abban az időben Huygens hullámelmélete és híres hullámelve egyszerűen feledésbe merült. A hullámelméletet nem segítette néhány tiszteletreméltó tudós, különösen a híres szentpétervári akadémikusok, M.V. Lomonoszov és L. Euler. Az érvelés logikája, amely Michellt a fekete lyuk fogalmához vezette, nagyon egyszerű: ha a fény a világító éter részecskéiből áll, akkor ezeknek a részecskéknek – más testekhez hasonlóan – a gravitációs térből származó vonzást kell tapasztalniuk. Következésképpen minél nagyobb a csillag (vagy bolygó) tömege, annál nagyobb vonzást kell érezniük oldaláról a testeknek, és annál nehezebben távozik a fény egy ilyen test felszínéről.

A további logika azt sugallja, hogy a természetben létezhetnek olyan nagy tömegű csillagok, amelyek vonzerejét a testek már nem tudják legyőzni, és a külső szemlélő számára mindig feketének tűnnek, bár maguk is káprázatos ragyogással izzanak, mint a Nap. Fizikailag ez azt jelenti, hogy egy ilyen csillag felszínén a második szökési sebesség nem lehet kisebb, mint a fénysebesség. Michell számításai azt mutatják, hogy a fény soha nem hagyja el a csillagot, ha sugara az átlagos napsűrűség mellett 500 nap. Ez a fajta csillag már fekete lyuknak nevezhető.

13 év után a francia matematikus és csillagász P.S. Laplace, valószínűleg Michelltől függetlenül, hasonló hipotézist fogalmazott meg az ilyen egzotikus tárgyak létezésével kapcsolatban. Laplace egy nehézkes számítási módszerrel meghatározta egy adott sűrűségű golyó sugarát, amelynek felületén a parabola sebessége megegyezik a fénysebességgel. Laplace szerint a fénytesteket, mint gravitációs részecskéket, a fényt kibocsátó hatalmas csillagoknak kell késleltetniük, amelyek sűrűsége megegyezik a Föld sűrűségével, és sugara 250-szer nagyobb, mint a Napé.

Laplace ezen elmélete csak az 1796-ban és 1799-ben megjelent híres „Exposition of the World System” című könyvének első két életre szóló kiadásában szerepelt. Igen, talán F. K. von Zach osztrák csillagász érdeklődni kezdett Laplace elmélete iránt, és 1798-ban publikálta „A tétel bizonyítása, miszerint egy nehéz test gravitációs ereje akkora lehet, hogy a fény nem tud kiáramlani” címmel.

Ezen a ponton a fekete lyukak kutatásának története több mint 100 évig szünetelt. Úgy tűnik, maga Laplace csendben feladta ezt az extravagáns hipotézist, mivel 1808-ban, 1813-ban és 1824-ben megjelent könyvének minden más életre szóló kiadásából kizárta. Talán Laplace nem akarta tovább reprodukálni a szinte fantasztikus hipotézist a kolosszális csillagokról, amelyek nem bocsátanak ki fényt. Talán új csillagászati adatok állították meg a különböző csillagok fényeltérése nagyságának változhatatlanságáról, amelyek ellentmondtak elméletének egyes következtetéseinek, amelyek alapján számításait alapozta. De a legvalószínűbb oka annak, hogy mindenki megfeledkezett Michell-Laplace titokzatos hipotetikus tárgyairól, a fény hullámelméletének diadala, amelynek diadalmenete a 19. század első éveiben kezdődött.

Ennek a diadalnak a kezdetét T. Young angol fizikus Booker-előadása „A fény és szín elmélete” 1801-ben tette közzé, ahol Young merészen, ellentétben Newtonnal és a korpuszkuláris elmélet más híres támogatóival (köztük Laplace) , vázolta fel a fény hullámelméletének lényegét, mondván, hogy a kibocsátott fény a világító éter hullámszerű mozgásaiból áll. Laplace, a fény polarizációjának felfedezésétől ihletett, elkezdte a testek „megmentését” a kristályokban lévő kettős fénytörés elméletének felépítésével, amely a kristálymolekulák kettős hatásán alapult a fénytesteken. De a fizikusok későbbi munkái, O.Zh. Fresnel, F.D. Aragon, J. Fraunhofer és mások nem hagytak szó nélkül a korpuszkuláris elméletről, amelyre csak egy évszázaddal később, a kvantumok felfedezése után emlékeztek komolyan. Abban az időben a fényhullámelmélet keretein belül a fekete lyukakról folytatott minden vita nevetségesnek tűnt.

Még a korpuszkuláris fényelmélet „rehabilitációja” után sem emlékeztek azonnal a fekete lyukakról, amikor a kvantumok (1900) és a fotonok (1905) hipotézisének köszönhetően új minőségi szinten kezdtek beszélni róla. A fekete lyukakat csak az általános relativitáselmélet 1916-os megalkotása után fedezték fel újra, amikor is K. Schwarzschild német elméleti fizikus és csillagász néhány hónappal az Einstein-egyenletek közzététele után felhasználta őket a görbe téridő szerkezetének tanulmányozására. a Nap közelében. Végül újra felfedezte a fekete lyukak jelenségét, de egy mélyebb szinten.

A fekete lyukak végső elméleti felfedezése 1939-ben történt, amikor Oppenheimer és Snyder elkészítette az Einstein-egyenletek első explicit megoldását, amely leírja a fekete lyuk keletkezését egy összeomló porfelhőből. Magát a „fekete lyuk” kifejezést először J. Wheeler amerikai fizikus vezette be a tudományba 1968-ban, az általános relativitáselmélet, a kozmológia és az asztrofizika iránti érdeklődés gyors újjáéledésének éveiben, amelyet a légkörön kívüli (különösen röntgen) csillagászat, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, a pulzárok és kvazárok felfedezése.

A tudományos gondolkodás olykor olyan paradox tulajdonságokkal rendelkező tárgyakat konstruál, hogy kezdetben még a legélesebb tudósok sem hajlandók felismerni őket. A modern fizika történetének legnyilvánvalóbb példája a fekete lyukak, a gravitációs mező extrém állapotai iránti, csaknem 90 évvel ezelőtti érdeklődés hosszú távú hiánya. Sokáig pusztán elméleti absztrakciónak számítottak, és csak az 1960-as és 70-es években hittek az emberek valóságukban. A fekete lyukak elméletének alapegyenletét azonban több mint kétszáz évvel ezelőtt vezették le.

John Michell belátása

John Michell fizikus, csillagász és geológus, a Cambridge-i Egyetem professzora, az anglikán egyház lelkésze neve teljesen méltatlanul veszett el a 18. századi angol tudomány sztárjai között. Michell lefektette a szeizmológia – a földrengések tudományának – alapjait, kiváló mágneses kutatásokat végzett, és jóval Coulomb előtt feltalálta a torziós mérleget, amelyet gravimetriás mérésekhez használt. 1783-ban megpróbálta egyesíteni Newton két nagyszerű alkotását – a mechanikát és az optikát. Newton a fényt apró részecskék folyamának tekintette. Michell azt javasolta, hogy a könnyű testek, akárcsak a közönséges anyagok, engedelmeskedjenek a mechanika törvényeinek. Ennek a hipotézisnek a következménye nagyon nem triviálisnak bizonyult - az égitestek fénycsapdákká változhatnak.

Hogyan érvelt Michell? A bolygó felszínéről kilőtt ágyúgolyó csak akkor győzi le teljesen a gravitációját, ha kezdeti sebessége meghaladja a második menekülési sebességnek nevezett értéket. Ha a bolygó gravitációja olyan erős, hogy a szökési sebesség meghaladja a fénysebességet, a zenitben felszabaduló fénytestek nem tudnak a végtelenbe menni. Ugyanez történik a visszavert fénnyel. Következésképpen a bolygó láthatatlan lesz egy nagyon távoli megfigyelő számára. Michell kiszámította egy ilyen bolygó R cr sugarának kritikus értékét a Napunk tömegére redukált M tömegétől függően M s: R cr = 3 km x M/M s.

John Michell hitt a képleteiben, és abból indult ki, hogy az űr mélységei sok olyan csillagot rejtenek, amelyek a Földről egyetlen távcsővel sem láthatók. Később a nagy francia matematikus, csillagász és fizikus, Pierre Simon Laplace is ugyanerre a következtetésre jutott, aki ezt a „Világrendszer kifejtése” című könyvének első (1796) és második (1799) kiadásába is belefoglalta. A harmadik kiadás azonban 1808-ban jelent meg, amikor a legtöbb fizikus a fényt már az éter rezgéseinek tekintette. A „láthatatlan” csillagok létezése ellentmond a fény hullámelméletének, és Laplace jobbnak tartotta, ha egyszerűen nem említi őket. A későbbi időkben ez a gondolat érdekességnek számított, csak a fizikatörténeti munkákban érdemes bemutatni.

Schwarzschild modell

1915 novemberében Albert Einstein kiadott egy gravitációs elméletet, amelyet általános relativitáselméletnek (GR) nevezett el. Ez a mű azonnal hálás olvasóra talált a Berlini Tudományos Akadémia munkatársa, Karl Schwarzschild személyében. Schwarzschild volt az első a világon, aki az általános relativitáselméletet használta egy adott asztrofizikai probléma megoldására, kiszámítva a tér-idő metrikát egy nem forgó gömbtesten (a konkrétság kedvéért csillagnak nevezzük) kívül és belül.

Schwarzschild számításaiból az következik, hogy egy csillag gravitációja csak akkor torzítja el túlságosan a tér és idő newtoni szerkezetét, ha sugara sokkal nagyobb, mint a John Michell által kiszámított érték! Ezt a paramétert először Schwarzschild-sugárnak, ma gravitációs sugárnak nevezik. Az általános relativitáselmélet szerint a gravitáció nem befolyásolja a fény sebességét, de ugyanolyan arányban csökkenti a fény rezgésének frekvenciáját, mint ahogy lassítja az időt. Ha egy csillag sugara 4-szer nagyobb, mint a gravitációs sugara, akkor a felületén az idő áramlása 15% -kal lelassul, és a tér észrevehető görbületet kap. Kétszeres túllépés esetén erősebben hajlik, és az idő 41%-kal lelassul. A gravitációs sugár elérésekor a csillag felszínén az idő teljesen megáll (minden frekvencia nullára megy, a sugárzás lefagy, a csillag kialszik), de a tér görbülete ott még mindig véges. A csillagtól távol a geometria továbbra is euklideszi marad, és az idő nem változtat a sebességén.

Annak ellenére, hogy Michell és Schwarzschild gravitációs sugár értékei egybeesnek, magukban a modellekben nincs semmi közös. Michell számára a tér és az idő nem változik, de a fény lelassul. Egy csillag, amelynek mérete kisebb, mint gravitációs sugara, továbbra is ragyog, de csak egy nem túl távoli megfigyelő számára látható. Schwarzschild számára a fénysebesség abszolút, de a tér és az idő szerkezete a gravitációtól függ. A gravitációs sugár alá esett csillag minden megfigyelő számára eltűnik, függetlenül attól, hogy hol van (pontosabban gravitációs hatásokkal észlelhető, de sugárzással nem).

A hitetlenségtől a megerősítésig

Schwarzschild és kortársai úgy gondolták, hogy ilyen furcsa űrobjektumok nem léteznek a természetben. Maga Einstein nemcsak ragaszkodott ehhez az állásponthoz, hanem tévesen azt hitte, hogy sikerült matematikailag alátámasztania véleményét.

Az 1930-as években a fiatal indiai asztrofizikus, Chandrasekhar bebizonyította, hogy egy csillag, amely elfogyasztotta nukleáris üzemanyagát, csak akkor veti le a héját, és csak akkor válik lassan lehűlő fehér törpévé, ha tömege kisebb, mint 1,4 naptömeg. Hamarosan az amerikai Fritz Zwicky rájött, hogy a szupernóva-robbanások rendkívül sűrű neutrontesteket eredményeznek; Később Lev Landau is ugyanerre a következtetésre jutott. Chandrasekhar munkája után nyilvánvalóvá vált, hogy csak az 1,4 naptömegnél nagyobb tömegű csillagok képesek ilyen evolúción keresztülmenni. Felmerült tehát egy természetes kérdés: van-e felső határa a neutroncsillagok által hátrahagyott szupernóvák tömegének?

A 30-as évek végén az amerikai atombomba leendő atyja, Robert Oppenheimer megállapította, hogy egy ilyen határ valóban létezik, és nem haladja meg a több naptömeget. Pontosabb értékelést akkor nem lehetett adni; Ma már ismert, hogy a neutroncsillagok tömegének 1,5-3 M s tartományban kell lennie. De még Oppenheimer és végzős hallgatója, George Volkow durva számításaiból is az következett, hogy a szupernóvák legmasszívabb leszármazottai nem neutroncsillagokká válnak, hanem valamilyen más állapotba alakulnak át. 1939-ben Oppenheimer és Hartland Snyder egy idealizált modellt használt annak bizonyítására, hogy egy hatalmas, összeomló csillag a gravitációs sugara felé húzódik. Képleteikből valójában az következik, hogy a sztár itt nem áll meg, de a szerzőtársak elzárkóztak egy ilyen radikális következtetéstől.

A végső választ a 20. század második felében találták meg a briliáns elméleti fizikusok egész galaxisának erőfeszítései révén, beleértve a szovjeteket is. Kiderült, hogy egy ilyen összeomlás Mindig„végig összenyomja” a csillagot, teljesen tönkretéve az anyagát. Ennek eredményeképpen egy szingularitás keletkezik, a gravitációs mező „szuperkoncentrátuma”, végtelenül kicsi térfogatban. Álló furatnál ez egy pont, forgó furatnál gyűrű. A téridő görbülete és így a gravitációs erő a szingularitás közelében a végtelenbe hajlik. 1967 végén John Archibald Wheeler amerikai fizikus volt az első, aki egy ilyen végső csillagösszeomlást fekete lyuknak nevezett. Az új kifejezést szerették a fizikusok és az újságírók, akik világszerte elterjesztették (bár a franciák eleinte nem szerették, mivel a trou noir kifejezés kétes asszociációkat sugallt).

Ott, a horizonton túl

A fekete lyuk nem anyag és nem sugárzás. Némi képletességgel azt mondhatjuk, hogy ez egy önfenntartó gravitációs mező, amely a téridő egy erősen ívelt tartományában koncentrálódik. Külső határát egy zárt felület, az eseményhorizont határozza meg. Ha a csillag nem forgott az összeomlás előtt, ez a felület szabályos gömbnek bizonyul, amelynek sugara egybeesik a Schwarzschild-sugárral.

A horizont fizikai jelentése nagyon világos. A külső környezetéből küldött fényjel végtelenül nagy távolságot képes megtenni. De a belső régióból küldött jelek nemhogy nem lépik át a horizontot, hanem elkerülhetetlenül „beesnek” a szingularitásba. A horizont a térbeli határ a földi (és bármely más) csillagász számára ismertté váló események és az olyan események között, amelyekről semmilyen körülmények között nem fog megjelenni az információ.

Ahogy az várható volt „Schwarzschild szerint”, a horizonttól távol egy lyuk vonzása fordítottan arányos a távolság négyzetével, így a távoli szemlélő számára közönséges nehéz testként jelenik meg. A tömegen kívül a lyuk örökli az összeomlott csillag tehetetlenségi nyomatékát és elektromos töltését. És az elődcsillag minden egyéb jellemzője (szerkezet, összetétel, spektrális típus stb.) feledésbe merül.

Küldjünk a lyukba egy szondát egy rádióállomással, amely a fedélzeti időnek megfelelően másodpercenként egyszer küld jelet. Egy távoli megfigyelő számára, amikor a szonda közeledik a horizonthoz, a jelek közötti időintervallumok megnőnek - elvileg korlátlanul. Amint a hajó átlépi a láthatatlan horizontot, teljesen elhallgat a „lyukon túli” világ számára. Ez az eltűnés azonban nem marad nyom nélkül, hiszen a szonda tömegét, töltését és nyomatékát adja át a lyuknak.

Fekete lyuk sugárzás

Minden korábbi modell kizárólag az általános relativitáselmélet alapján készült. Világunkat azonban a kvantummechanika törvényei szabályozzák, amelyek nem hagyják figyelmen kívül a fekete lyukakat. Ezek a törvények nem teszik lehetővé, hogy a központi szingularitást matematikai pontnak tekintsük. Kvantumkörnyezetben az átmérőjét a Planck-Wheeler hossz adja, amely körülbelül 10-33 centiméter. Ezen a területen a hétköznapi tér megszűnik létezni. Általánosan elfogadott, hogy a lyuk közepe különféle topológiai struktúrákkal van kitömve, amelyek a kvantumvalószínűségi törvényeknek megfelelően jelennek meg és halnak meg. Egy ilyen bugyborékoló kvázitér tulajdonságait, amelyet Wheeler kvantumhabnak nevezett, még mindig kevéssé ismerik.

A kvantum szingularitás jelenléte közvetlen hatással van a fekete lyuk mélyére zuhanó anyagi testek sorsára. A lyuk közepe felé közeledve minden, jelenleg ismert anyagokból készült tárgy összetörik és szétszakad az árapály erők hatására. Azonban még ha a leendő mérnökök és technológusok létrehoznak is néhány szupererős ötvözetet és kompozitot, amelyek jelenleg példátlan tulajdonságokkal rendelkeznek, akkor is mind eltűnésre vannak ítélve: elvégre a szingularitási zónában nincs sem a megszokott idő, sem a megszokott tér.

Most nézzük meg a lyuk horizontját egy kvantummechanikai lencsén keresztül. Az üres tér – a fizikai vákuum – valójában egyáltalán nem üres. A vákuumban a különböző mezők kvantumingadozása miatt számos virtuális részecske folyamatosan születik és hal meg. Mivel a horizont közelében nagyon erős a gravitáció, ingadozásai rendkívül erős gravitációs kitöréseket okoznak. Ha ilyen mezőkön felgyorsulnak, az újszülött „virtuálisok” további energiára tesznek szert, és néha normális, hosszú életű részecskévé válnak.

A virtuális részecskék mindig párban születnek, amelyek ellentétes irányba mozognak (ezt az impulzusmegmaradás törvénye írja elő). Ha egy gravitációs fluktuáció kivon egy pár részecskét a vákuumból, akkor előfordulhat, hogy az egyik a horizonton kívül, a második (az első antirészecskéje) pedig belül materializálódik. A „belső” részecske beleesik a lyukba, de a „külső” részecske kedvező körülmények között kiszabadulhat. Ennek eredményeként a lyuk sugárzás forrásává válik, ezért energiát és ezáltal tömeget veszít. Ezért a fekete lyukak elvileg nem stabilak.

Ezt a jelenséget Hawking-effektusnak nevezik, a figyelemre méltó angol elméleti fizikus után, aki az 1970-es évek közepén fedezte fel. Stephen Hawking különösen bebizonyította, hogy a fekete lyuk horizontja ugyanúgy fotonokat bocsát ki, mint egy abszolút fekete test, amelyet T = 0,5 x 10 -7 x M s/M hőmérsékletre melegítenek. Ebből következik, hogy a lyuk vékonyodásával a hőmérséklete nő, és a „párolgás” természetesen felerősödik. Ez a folyamat rendkívül lassú, és egy M tömegű lyuk élettartama körülbelül 10 65 x (M/M s) 3 év. Amikor a mérete megegyezik a Planck-Wheeler hosszával, a lyuk elveszti stabilitását és felrobban, és ugyanazt az energiát szabadítja fel, mint egy millió tíz megatonnás hidrogénbomba egyidejű felrobbanása. Érdekes módon a lyuk tömege az eltűnés pillanatában még mindig meglehetősen nagy, 22 mikrogramm. Egyes modellek szerint a lyuk nem tűnik el nyomtalanul, hanem egy azonos tömegű stabil relikviát, az úgynevezett maximont hagy maga után.

Maximon 40 éve született - mint kifejezés és mint fizikai ötlet. 1965-ben M. A. Markov akadémikus azt javasolta, hogy az elemi részecskék tömegének van felső határa. Ezt a határértéket javasolta a tömegdimenziónak tekinteni, amely három alapvető fizikai állandóból – a h Planck-állandóból, a C fénysebességből és a G gravitációs állandóból – kombinálható (a részleteket kedvelőknek: ehhez kell h és C szorozásához osszuk el az eredményt G-vel, és vonjuk ki a négyzetgyököt). Ez ugyanaz a 22 mikrogramm, amelyet a cikkben említettek, ezt az értéket Planck-tömegnek nevezik. Ugyanebből a konstansból egy mennyiséget szerkeszthetünk hossz dimenzióval (a Planck-Wheeler hossz 10-33 cm) és idődimenzióval (10-43 mp).
Markov tovább ment érvelésében. Hipotézise szerint a fekete lyuk elpárologtatása „száraz maradék” - maximon - képződéséhez vezet. Markov az ilyen szerkezeteket elemi fekete lyukaknak nevezte. Hogy ez az elmélet mennyire felel meg a valóságnak, az még nyitott kérdés. Mindenesetre a Markov-maximonok analógjait újjáélesztették néhány szuperhúr-elméletre épülő fekete lyuk modellben.

A tér mélységei

A fekete lyukakat a fizika törvényei nem tiltják, de léteznek a természetben? Még nem találtak szigorú bizonyítékot legalább egy ilyen objektum jelenlétére az űrben. Nagyon valószínű azonban, hogy egyes bináris rendszerekben a röntgensugárzás forrásai csillag eredetű fekete lyukak. Ez a sugárzás annak eredményeként jön létre, hogy egy közönséges csillag légkörét elszívja a szomszédos lyuk gravitációs tere. Ahogy a gáz az eseményhorizont felé halad, nagyon felforrósodik, és röntgenkvantumokat bocsát ki. Jelenleg legalább két tucat röntgenforrás tekinthető alkalmas jelöltnek a fekete lyukak szerepére. Ráadásul a csillagstatisztika azt sugallja, hogy csak a mi Galaxisunkban körülbelül tízmillió csillag eredetű lyuk található.

Fekete lyukak keletkezhetnek a galaktikus atommagok gravitációs kondenzációja során is. Így keletkeznek milliós és milliárdos naptömegű gigantikus lyukak, amelyek minden valószínűség szerint sok galaxisban léteznek. Úgy tűnik, a Tejútrendszer porfelhők által elrejtett közepén egy 3-4 milliós naptömegű lyuk található.

Stephen Hawking arra a következtetésre jutott, hogy tetszőleges tömegű fekete lyukak születhettek közvetlenül az Ősrobbanás után, amely a mi Univerzumunkat eredményezte. Az akár egymilliárd tonnát is nyomó elsődleges lyukak már elpárologtak, de a nehezebbek még megbújhatnak a világűr mélyén, és kellő időben kozmikus tűzijátékot indíthatnak el erőteljes gamma-sugárzás formájában. Ilyen robbanásokat azonban eddig még nem figyeltek meg.

Fekete lyuk gyár

Lehetséges-e olyan nagy energiára felgyorsítani a részecskéket egy gyorsítóban, hogy ütközésük fekete lyukat hozzon létre? Első pillantásra ez az ötlet egyszerűen őrült - egy lyuk robbanása elpusztítja az összes életet a Földön. Ráadásul technikailag kivitelezhetetlen. Ha a minimális lyuk tömege valóban 22 mikrogramm, akkor energiaegységben 10 28 elektronvolt. Ez a küszöb 15 nagyságrenddel magasabb, mint a világ legerősebb gyorsítójának, a Large Hadron Collidernek (LHC), amely 2007-ben indul a CERN-ben.

Lehetséges azonban, hogy a furat minimális tömegének standard becslése jelentősen túl van becsülve. Mindenesetre ezt mondják a fizikusok, akik kidolgozzák a szuperhúrok elméletét, amely magában foglalja a gravitáció kvantumelméletét is (bár messze nem teljes). Ezen elmélet szerint a térnek nem három dimenziója van, hanem legalább kilenc. Nem veszünk észre további méreteket, mert olyan kis léptékben hurkolják őket, hogy a műszereink nem érzékelik őket. A gravitáció azonban mindenütt jelen van, rejtett dimenziókba hatol. A háromdimenziós térben a nehézségi erő fordítottan arányos a távolság négyzetével, a kilencdimenziós térben pedig a nyolcad hatványával. Ezért egy többdimenziós világban a gravitációs tér intenzitása sokkal gyorsabban növekszik a távolság csökkenésével, mint a háromdimenziós világban. Ebben az esetben a Planck-hossz sokszorosára nő, és a lyuk minimális tömege meredeken csökken.

A húrelmélet azt jósolja, hogy a kilencdimenziós térben csak 10-20 g tömegű fekete lyuk születhet A Cern szupergyorsítóban felgyorsított protonok számított relativisztikus tömege megközelítőleg azonos. A legoptimistább forgatókönyv szerint másodpercenként egy lyukat tud produkálni, ami körülbelül 10-26 másodpercig fennmarad. Párolgása során mindenféle elemi részecskék születnek, amelyeket nem lesz nehéz regisztrálni. A lyuk eltűnése energia felszabadulásához vezet, ami még egy mikrogramm víz ezredfokkal való felmelegítésére sem elegendő. Ezért van remény arra, hogy az LHC ártalmatlan fekete lyukak gyárává változik. Ha ezek a modellek helyesek, akkor az új generációs orbitális kozmikus sugárdetektorok képesek lesznek észlelni az ilyen lyukakat.

A fentiek mindegyike az álló fekete lyukakra vonatkozik. Eközben vannak olyan forgó lyukak is, amelyek egy csomó érdekes tulajdonsággal rendelkeznek. A feketelyuk-sugárzás elméleti elemzésének eredményei az entrópia fogalmának komoly újragondolásához is vezettek, ami szintén külön tárgyalást érdemel. Erről bővebben a következő számban.

A fekete lyukak története

Alekszej Levin

A tudományos gondolkodás olykor olyan paradox tulajdonságokkal rendelkező tárgyakat konstruál, hogy kezdetben még a legélesebb tudósok sem hajlandók felismerni őket. A modern fizika történetének legnyilvánvalóbb példája a fekete lyukak, a gravitációs mező extrém állapotai iránti, csaknem 90 évvel ezelőtti érdeklődés hosszú távú hiánya. Sokáig pusztán elméleti absztrakciónak számítottak, és csak az 1960-70-es években hittek az emberek valóságukban. A fekete lyukak elméletének alapegyenletét azonban több mint kétszáz évvel ezelőtt vezették le.

John Michell belátása

Ennek a hipotézisnek a következménye nagyon nem triviálisnak bizonyult - az égitestek fénycsapdákká változhatnak.

Schwarzschild modell

A hitetlenségtől a megerősítésig

Schwarzschild számára a fénysebesség abszolút, de a tér és az idő szerkezete a gravitációtól függ. A gravitációs sugár alá esett csillag minden megfigyelő számára eltűnik, függetlenül attól, hogy hol van (pontosabban gravitációs hatásokkal észlelhető, de sugárzással nem).

A végső választ a 20. század második felében találták meg a briliáns elméleti fizikusok egész galaxisának erőfeszítései révén, beleértve a szovjeteket is. Kiderült, hogy egy ilyen összeomlás Mindig„végig összenyomja” a csillagot, teljesen tönkretéve az anyagát. Ennek eredményeképpen egy szingularitás keletkezik, a gravitációs mező „szuperkoncentrátuma”, végtelenül kicsi térfogatban. Álló furatnál pont, forgó furatnál gyűrű. A téridő görbülete és így a gravitációs erő a szingularitás közelében a végtelenbe hajlik. 1967 végén John Archibald Wheeler amerikai fizikus volt az első, aki egy ilyen végső csillagösszeomlást fekete lyuknak nevezett. Az új kifejezést szerették a fizikusok és az újságírók, akik világszerte elterjesztették (bár a franciák eleinte nem szerették, mivel a trou noir kifejezés kétes asszociációkat sugallt).

Ott, a horizonton túl

Fekete lyuk sugárzás

Minden korábbi modell kizárólag az általános relativitáselmélet alapján készült.

Világunkat azonban a kvantummechanika törvényei szabályozzák, amelyek nem hagyják figyelmen kívül a fekete lyukakat. Ezek a törvények nem teszik lehetővé, hogy a központi szingularitást matematikai pontnak tekintsük. Kvantumkörnyezetben az átmérőjét a Planck-Wheeler hossz adja, amely körülbelül 10-33 centiméter.

Ezen a területen a hétköznapi tér megszűnik létezni. Általánosan elfogadott, hogy a lyuk közepe különféle topológiai struktúrákkal van kitömve, amelyek a kvantumvalószínűségi törvényeknek megfelelően jelennek meg és halnak meg. Egy ilyen bugyborékoló kvázitér tulajdonságait, amelyet Wheeler kvantumhabnak nevezett, még mindig kevéssé ismerik.

A virtuális részecskék mindig párban születnek, amelyek ellentétes irányba mozognak (ezt az impulzusmegmaradás törvénye írja elő). Ha egy gravitációs fluktuáció kivon egy pár részecskét a vákuumból, akkor előfordulhat, hogy az egyik a horizonton kívül, a második (az első antirészecskéje) pedig belül materializálódik. A „belső” részecske beleesik a lyukba, de a „külső” részecske kedvező körülmények között kiszabadulhat. Ennek eredményeként a lyuk sugárforrássá válik, és ezért energiát és ezáltal tömeget veszít. Ezért a fekete lyukak elvileg nem stabilak.

Maximon Ebből következik, hogy a lyuk vékonyodásával a hőmérséklete nő, és a „párolgás” természetesen felerősödik. Ez a folyamat rendkívül lassú, és egy M tömegű lyuk élettartama körülbelül 10 65 x (M/M s) 3 év.
Markov tovább ment érvelésében. Hipotézisei szerint a fekete lyuk elpárolgása „száraz maradék” - maximon - képződéséhez vezet.

A tér mélységei

Markov az ilyen szerkezeteket elemi fekete lyukaknak nevezte.

Hogy ez az elmélet mennyire felel meg a valóságnak, az még nyitott kérdés. Mindenesetre a Markov-maximonok analógjait újjáélesztették néhány szuperhúr-elméletre épülő fekete lyuk modellben.

Fekete lyuk gyár

Lehetséges-e olyan nagy energiára felgyorsítani a részecskéket egy gyorsítóban, hogy ütközésük fekete lyukat hozzon létre? Első pillantásra ez az ötlet egyszerűen őrült - egy lyuk robbanása elpusztítja az összes életet a Földön. Ráadásul technikailag kivitelezhetetlen. Ha egy lyuk minimális tömege valóban 22 mikrogramm, akkor energiaegységben 10 28 elektronvolt.

Ez a küszöb 15 nagyságrenddel magasabb, mint a világ legerősebb gyorsítójának, a Large Hadron Collidernek (LHC), amely 2007-ben indul a CERN-ben.

src="black_holes1/aerial-view-lhc.jpg" width="275" border="0">

Space szuperlendők

A statikusan elektromosan semleges fekete lyukak, amelyekről beszéltünk, teljesen atipikusak a való világhoz képest. Az összeomlott csillagok általában forognak, és elektromos töltésük is lehet.

Tétel a kopaszságról

A galaktikus atommagokban található óriási lyukak nagy valószínűséggel a gravitációs kondenzáció elsődleges középpontjaiból jönnek létre - egyetlen „csillag utáni” lyukból vagy több lyukból, amelyek az ütközések következtében egyesültek. Az ilyen embrionális lyukak elnyelik a közeli csillagokat és a csillagközi gázokat, és ezáltal sokszorosára növelik tömegüket. A horizont alá ismét lehulló anyag elektromos töltéssel (a kozmikus gáz- és porszemcsék könnyen ionizálódnak) és forgási nyomatékkal is rendelkezik (a zuhanás csavarással, spirálban történik).

Minden fizikai folyamatban a tehetetlenségi nyomaték és a töltés megmarad, ezért természetes az a feltételezés, hogy a fekete lyukak kialakulása sem kivétel.

De igaz egy még erősebb állítás is, amelynek egy speciális esetét fogalmaztuk meg a cikk első részében (lásd A. Levin, The Amazing History of Black Holes, Popular Mechanics No. 11, 2005). Bármi legyen is a makroszkopikus fekete lyuk őse, csak tömeget, nyomatékot és elektromos töltést kap tőlük. John Wheeler szerint "a fekete lyuknak nincs haja". Helyesebb lenne azt mondani, hogy egyetlen lyuk horizontjából sem lóg ki háromnál több „hajszál”, amit több elméleti fizikus együttes erőfeszítése is bebizonyított a hetvenes években. Igaz, egy mágneses töltést is meg kell őrizni a lyukban, amelynek feltételezett hordozóit, a mágneses monopólusokat Paul Dirac jósolta meg 1931-ben.

Ha egy statikus csillagot feltöltenek, a téridő metrika megváltozik, de az eseményhorizont továbbra is gömb alakú marad. A csillag- és galaktikus fekete lyukak azonban számos okból nem hordozhatnak nagy töltést, így az asztrofizika szempontjából ez az eset nem túl érdekes. De a lyuk elforgatása súlyosabb következményekkel jár. Először is megváltozik a horizont alakja. A centrifugális erők a forgástengely mentén összenyomják és az egyenlítői síkban megfeszítik, így a gömb ellipszoidhoz hasonlóvá alakul. Lényegében ugyanaz történik a horizonttal, mint bármely forgó testtel, különösen bolygónkkal - elvégre a Föld egyenlítői sugara 21,5 km-rel hosszabb, mint a sarkié. Másodszor, a forgatás csökkenti a horizont lineáris méreteit. Emlékezzünk vissza, hogy a horizont a határfelület olyan események között, amelyek esetleg küldenek jeleket távoli világokba. Ha a lyuk gravitációja magával ragadja a fénykvantumokat, akkor a centrifugális erők éppen ellenkezőleg, hozzájárulnak a világűrbe való kijutáshoz. Ezért egy forgó lyuk horizontját közelebb kell helyezni a középpontjához, mint egy azonos tömegű statikus csillag horizontját.

De ez még nem minden. A forgásában lévő lyuk elviszi a környező teret. A lyuk közvetlen közelében a beszivárgás a perifériáján fokozatosan gyengül. Ezért a lyuk horizontja a tér egy speciális régiójába - az ergoszférába - merül. Az ergoszféra határa a pólusoknál érinti a horizontot, és az egyenlítői síkban távolodik tőle a legtávolabb. Ezen a felületen a térelvonás sebessége egyenlő a fénysebességgel; belül nagyobb, mint a fénysebesség, kívül pedig kisebb. Ezért minden anyagi test, legyen az gázmolekula, kozmikus porrészecske vagy felderítő szonda, amikor az ergoszférába kerül, minden bizonnyal elkezd forogni a lyuk körül, és ugyanabban az irányban, mint maga a lyuk.

Csillaggenerátorok

Az ergoszféra jelenléte elvileg lehetővé teszi, hogy a lyukat energiaforrásként és. Hagyja, hogy valamilyen tárgy behatoljon az ergoszférába, és ott két részre szakadjon. Kiderülhet, hogy az egyik a horizont alá kerül, a másik pedig elhagyja az ergoszférát, és mozgási energiája meghaladja az egész test kezdeti energiáját!

Az energiamegmaradás törvénye azonban megingathatatlan – örökmozgók nem léteznek. Amikor egy lyuk energiát táplál be részecskéknek vagy sugárzásnak, a saját forgási energiája csökken.

A kozmikus szuperlendület fokozatosan lelassul, és a végén akár le is állhat. A számítások szerint ily módon a lyuk tömegének akár 29%-a is átalakítható energiává. Ennél egyetlen hatékonyabb folyamat az anyag és az antianyag megsemmisítése, hiszen ebben az esetben a tömeg teljesen átalakul sugárzássá. A szoláris termonukleáris üzemanyag azonban sokkal alacsonyabb hatásfokkal ég ki - körülbelül 0,6%.

Következésképpen egy gyorsan forgó fekete lyuk szinte ideális energiagenerátor a kozmikus szupercivilizációkhoz (ha persze ilyenek léteznek). Mindenesetre a természet időtlen idők óta használja ezt az erőforrást. A kvazárokat, a legerősebb űr „rádióállomásokat” (elektromágneses hullámok forrásait) a galaxisok magjában elhelyezkedő gigantikus forgó lyukak energiája táplálja. Ezt a hipotézist Edwin Salpeter és Yakov Zeldovich terjesztette elő 1964-ben, és azóta általánosan elfogadottá vált. A lyukhoz közeledő anyag gyűrű alakú szerkezetet, úgynevezett akkréciós korongot alkot. Mivel a lyuk közelében lévő tér forgása miatt erősen csavarodik, a korong belső zónája az egyenlítői síkban marad, és lassan az eseményhorizont felé rendeződik. A gáz ebben a zónában a belső súrlódás miatt erősen felmelegszik, és infravörös, fény-, ultraibolya- és röntgensugárzást, sőt néha gamma-sugárzást is generál. A kvazárok nem termikus rádiósugárzást is bocsátanak ki, ami főként a szinkrotron hatásnak köszönhető.

Nagyon sekély entrópia

Feltételezhető-e, hogy amikor egy csillag szupernóvává változik, az entrópiája a kilökött héjjal együtt elszáll? Jaj, nem.

Először is, a héj tömege nem hasonlítható össze a csillag tömegével, ezért az entrópia vesztesége kicsi lesz. Másodszor, nem nehéz a termodinamika második főtételének még meggyőzőbb mentális „cáfolatával” előállni. Egy nem nulla hőmérsékletű, valamilyen entrópiával rendelkező test essen egy kész lyuk vonzási zónájába. Az eseményhorizont alá kerülve entrópiatartalékaival együtt eltűnik, és a lyuk entrópiája láthatóan egyáltalán nem fog növekedni. Csábító az a vita, hogy az idegen entrópiája nem tűnik el, hanem átkerül a lyuk belsejébe, de ez csak egy verbális trükk. A fizika törvényei a számunkra és műszereink számára hozzáférhető világban teljesülnek, és az eseményhorizont alatti régió minden külső szemlélő számára terra incognita.

Ezt a paradoxont Wheeler végzős diákja, Jacob Bekenstein oldotta fel. A termodinamikának van egy nagyon erős intellektuális erőforrása - az ideális hőmotorok elméleti tanulmányozása. Bekenstein egy olyan mentális eszközzel állt elő, amely a hőt hasznos munkává alakítja, fűtőként egy fekete lyukat használ. Ezzel a modellel kiszámította a fekete lyuk entrópiáját, maximális A tér zárt területének entrópiáját kizárólag a külső határának területe határozza meg! Amint látjuk, a fekete lyukak tulajdonságainak elméleti elemzése lehetővé teszi számunkra, hogy nagyon mély, általános fizikai jellegű következtetéseket vonjunk le.

Az univerzum mélyére nézve

Hogyan történik a fekete lyukak keresése a világűr mélyén? A Popular Mechanics ezt a kérdést tette fel Ramesh Narayan híres asztrofizikusnak és a Harvard Egyetem professzorának.

„A fekete lyukak felfedezését a modern csillagászat és asztrofizika egyik legnagyobb vívmányának kell tekinteni. Az elmúlt évtizedekben több ezer röntgensugárforrást azonosítottak az űrben, amelyek mindegyike egy normál csillagból és egy nagyon kicsi, nem világító objektumból áll, amelyeket akkréciós korong vesz körül. A másfél és három naptömegig terjedő tömegű sötét testek nagy valószínűséggel neutroncsillagok. E láthatatlan objektumok között azonban legalább két tucat, majdnem száz százalékos jelölt van a fekete lyuk szerepére.

A Földről még nem lehet kimutatni a fekete lyuk igazán egyedi jellegzetességét - egy eseményhorizont jelenlétét.

Azt azonban már tudjuk, hogyan ellenőrizzük a hiányát. A neutroncsillag sugara 10 kilométer; ugyanilyen nagyságrend a csillagomlás következtében keletkezett lyukak sugara. A neutroncsillagnak azonban van szilárd felülete, míg a lyuknak nincs. Az anyagnak a neutroncsillag felszínére hullása termonukleáris robbanásokat von maga után, amelyek időszakos, egy másodpercig tartó röntgenkitöréseket generálnak. És amikor a gáz eléri a fekete lyuk horizontját, az alá kerül, és nem jelenik meg semmilyen sugárzásként. Ezért a rövid röntgenvillanások hiánya erőteljes megerősítése az objektum lyukas természetének. Mind a két tucat bináris rendszer, amelyek állítólag fekete lyukakat tartalmaznak, nem bocsátanak ki ilyen fáklyákat.

El kell ismerni, hogy most kénytelenek vagyunk megelégedni a fekete lyukak létezésének negatív bizonyítékaival. Az általunk lyukaknak nyilvánított objektumok az általánosan elfogadott elméleti modellek szempontjából nem lehetnek másak. Másképpen fogalmazva, kizárólag azért tekintjük őket lyukaknak, mert ésszerűen nem tekinthetjük őket másnak.

Remélem, hogy a csillagászok következő generációinak egy kicsit nagyobb szerencséje lesz.”

A Popular Mechanicsnak sikerült beszélnie a gravitációelmélet két legtekintélyesebb szakértőjével is, akik évtizedeket szenteltek a fekete lyukak kutatásának. Megkértük őket, hogy sorolják fel az ezen a területen elért legfontosabb eredményeket.

Íme, amit a Caltech elméleti fizikaprofesszora, Kip Thorne mondott nekünk:

„Ha makroszkopikus fekete lyukakról beszélünk, amelyeket jól leírnak az általános relativitáselmélet egyenletei, akkor elméletük terén a fő eredményeket a 20. század 60-80-as éveiben adták. Ami a közelmúltban végzett munkákat illeti, ezek közül a legérdekesebbek lehetővé tették az öregedés során a fekete lyuk belsejében lezajló folyamatok jobb megértését. Az elmúlt években jelentős figyelmet fordítottak a többdimenziós terekben lévő fekete lyukak modelljeinek, amelyek természetesen megjelennek a húrelméletben. De ezek a vizsgálatok már nem a klasszikusokra vonatkoznak, hanem a még fel nem fedezett kvantumlyukakra. Az elmúlt évek fő eredménye nagyon meggyőző asztrofizikai megerősítés a több naptömegű lyukak, valamint a galaxisok középpontjában lévő szupermasszív lyukak létezésének valóságáról.

Ma már nem fér kétség afelől, hogy ezek a lyukak valóban léteznek, és jól ismerjük kialakulásuk folyamatát.”

Hawking munkája külön megjegyzést érdemel. A kvantummechanika általános elveiből az következik, hogy egyetlen információ sem tűnik el nyomtalanul, hanem csak kevésbé „olvasható” formává válik.

A fekete lyukak azonban visszafordíthatatlanul elpusztítják az anyagot, és láthatóan ugyanolyan keményen bánnak az információkkal. 1976-ban Hawking publikált egy cikket, amelyben ezt a következtetést matematikai apparátus is alátámasztotta. Néhány teoretikus egyetértett vele, néhányan nem; különösen a húrelméleti szakemberek bíztak abban, hogy az információ elpusztíthatatlan. Tavaly nyáron egy dublini konferencián Hawking azt mondta, hogy az információ továbbra is megmarad, és a hősugárzással együtt távozik a párolgó lyuk felszínéről. Ezen a találkozón Hawking csak egy diagramot mutatott be új számításairól, és megígérte, hogy idővel teljes egészében közzéteszi őket. És most, ahogy Valerij Frolov mondta, ez a mű előnyomat formájában elérhetővé vált.

Végül arra kértük Frolov professzort, magyarázza el, miért tartja a fekete lyukakat az emberi intelligencia egyik legfantasztikusabb találmányának.

„A csillagászok már régóta felfedeztek olyan objektumokat, amelyek megértéséhez nem volt szükség jelentős új fizikai elképzelésekre. Ez nemcsak a bolygókra, csillagokra és galaxisokra vonatkozik, hanem olyan egzotikus testekre is, mint a fehér törpék és a neutroncsillagok. De a fekete lyuk valami egészen más, áttörés az ismeretlenbe. Valaki azt mondta, hogy a belseje a legjobb hely az alvilág elhelyezésére. A lyukak, különösen a szingularitások tanulmányozása egyszerűen olyan nem szabványos fogalmak és modellek alkalmazását kényszeríti ki, amelyekről a közelmúltig gyakorlatilag nem került szóba a fizika - például a kvantumgravitáció és a húrelmélet. Sok olyan probléma merül fel itt, amelyek szokatlanok a fizikában, még fájdalmasak is, de, mint most már világos, teljesen valósak. Ezért a lyukak tanulmányozása folyamatosan alapvetően új elméleti megközelítéseket igényel, beleértve azokat is, amelyek a fizikai világgal kapcsolatos ismereteink határán vannak. Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: